热电厂热泵系统节能改造及供热能力研究

热电厂热泵系统节能改造及供热能力研究

李天野

金山堡供热有限公司热源调度中心 黑龙江省哈尔滨市 150001

前言：进入“十三五”，国家能源局正式印发《电力发展“十三五”规划》中：因地制宜规划建设热电联产项目。在充分利用已有热源且最大限度地发挥其供热能力的基础上，按照“以热定电”的原则规划建设热电联产项目；优先发展背压式热电联产机组。同时，加快发展热电联产和集中供热，利用城市和工业园区周边现有热电联产机组、纯凝发电机组及低品位余热实施供热改造，淘汰供热范围内的燃煤锅炉。随着市区采暖对稳定可靠热源的需求持续加大，现有的供热方式和系统将难以满足外部市场的要求。因此，充分挖掘现有设备的潜力，进行供热系统改造，提高电厂的供热能力，势在必行。

关键词：热电厂 ；热泵系统；节能

一、热泵节能机理

热泵从本质上来讲，是一种能源提升装置。它通过消耗一部分机械能、电能或高温供热能等高位能作为代价，经过热力循环过程，将水、空气和土壤等环境介质中存在的不能直接被利用的低品位能量转换为能够被利用的高品位能量。

1、压缩式热泵回收电厂循环水余热节能机理。压缩式热泵以电能作为它的驱动热源，主要包括压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器等部件，热泵工质通过在蒸发器中不间断的蒸发吸收来自循环水中的冷凝热量，然后其进入压缩机后升温增压，在冷凝器中放出热量并把热网循环水进行加热，最后其经膨胀阀节流降温降压后回到蒸发器再次蒸发吸热，从而完成下一个循环。

2、溴化锂吸收式热泵回收电厂循环水余热节能机理。吸收式热泵的驱动热源是蒸汽，通过把低温热源的热量提高到中温，从而提高系统能源的利用效率。单效溴化锂吸收式热泵的工作原理，吸收式热泵由蒸发器、吸收器、溶液热交换器、发生器、冷凝器、节流装置、溶液泵和冷剂泵等组成；设溶液热交换器的目的是为了提高热泵机组的供热能力；设屏蔽泵以及相应的连接管道、阀门等的目的是使工质可以在各设备中连续工作，使循环工作不断进行。溴化锂吸收式热泵通过利用溴化锂溶液所具有的吸收特性，实现了热量从低温热源向高温热源的传递。首先驱动热源进入发生器，将进入发生器内的溴化锂稀溶液进行加热，溴化锂稀溶液中的水汽化后，使发生器中的溴化锂稀溶液变为浓溶液；然后该溴化锂浓溶液通过溶液热交换器对要进入发生器的溴化锂稀溶液进行预热处理，而后该溴化锂浓溶液流进吸收器中，吸收来自蒸发器的水蒸汽，变为溴化锂稀溶液；最后该溴化锂稀溶液通过溶液泵而泵入发生器，如此不断的进行溶液循环。在发生器内受热汽化产生高压水蒸汽，高压蒸汽然后进入冷凝器，在冷凝器中变成冷凝水，在冷凝过程中释放出的冷凝热用于加热热网水；冷凝器中凝结产生的冷凝水，经过节流降温后进入蒸发器，在蒸发器内冷凝水吸收循环水中的热量后变成饱和蒸汽，而后进入吸收器内，在吸收器内水蒸汽被来自发生器的溴化锂浓溶液吸收，如此反复循环。热网水依次在吸收器、冷凝器和热网加热器中加热升温后，输送给热用户供热。

二、热电厂热泵系统节能改造及优化供热能力的策略

对于热电厂来说，如果将循环冷却水中的低温热能进行回收，通过吸收式热泵节能技术对提取的热量进行采暖利用，可在不影响发电量的前提下，增强其供热能力，实现节约能源，减少污染物的排放，保护环境。

1、某热电厂供热系统现状。某热电厂抽汽凝汽式机组总装机容量为2×350MW，应用的是一种新型凝汽器余热回用系统，热网首站采取的是两级加热模式，即热泵+热网加热器。热泵系统的驱动汽源是来自机组的0.4MPa、245℃供热抽汽。系统运转过程中，2×85t/h供热抽汽在进行减温处理后，就进入到热泵系统中，凝结温度80℃的水。这些水将通过闭式凝结水箱进行回收，热泵站内凝结水泵再将回收的水，传送到热网疏水管道。然后，11500t/h热网回水通过两级加热后，水温达到70.2℃，最后进行对外供热。

2、热泵系统运行及供热状况。热电厂采用8台溴化锂吸收式热泵，这些热泵的单机制热量为25.4MW(水温度55℃)。供热面积1400万m2，目前现有设计型式为单机带4台热泵，供热时，只有一台热泵运行，其余热泵都为备用，导致闲置浪费。以余热系统回收热量 80MW为例，设定单台机组低压缸进汽流量为10 0t / h，通过计算可以得到，主汽流量500-1095t / h变化时，单机带负荷能力变化范围为127.8-271.5MW，供热量变化范围为223.0-450.9MW。在初末寒期的供热能力为1114.9-2254.3万m2，要想满足现有供热面积，需要主汽流量在650t/h以上，电负荷能需要在165MW以上。中寒期的供热能力范围为707.9-1431.3万m2，要想满足现有供热面积，主汽流量就要达到最大进汽流量。如果是双机带100%热泵，则在极寒期的供热能力就会在991.0-2003.8万m2的范围内进行变化，此时，要想充分满足现有供热覆盖面积，就需要使主汽流量保持在750t/h以上，电负荷能保持在190MW以上。

3、热泵系统节能改造及优化供热能力的策略

从该热电厂的热泵供热实际情况来看，单机运行就能较好地满足需求，如果进行双机运行，则会损失较大的冷源，整体经济性不高。与设计值相比，中压缸排汽蝶阀的最小漏汽流量偏高，这不仅会导致低压缸最小进汽流量增大，还会降低机组调峰过程中的运行安全性。通过分析，决定对热泵系统进行节能改造。将一台机组的余热水管道进行增容，借助主凝结区1/4进回水管路，连接凝汽器增容改造区余热水的进回水，同时，在两台机组余热水回水母管与凝汽器增容区回水母管之间加设联络管，以确保单台机组余热水量能达到13000t/h。余热水经热泵冷却后，回收到主机循环水泵入口前池。

改造后供热能力优化情况。在100t/h工况下，带100%热泵机组的供热能力模拟计算结果可知，一台机组带100%热泵带负荷能力变化范围为127.8-271.5MW，单机供热量变化范围为263.0-490.9MW。按照20W/m2考虑，初末寒期时期，只有主汽流量在550t/h以上，电负荷能在140MW以上，才能满足供热需求。但在极寒期，即便主汽流量在最大值时，也无法满足供热需求。经过改造后，热泵系统增加了40MW制热量。在单台机组运行过程中，相同条件下，带100%热泵比带50%热泵的初末寒期供热能力明显得到提高，数值为200.0万m2，中寒期为127.0万m2，极寒期为88.9万m2。经过计算，可以节约发电标准煤0.794万t，煤耗降低2.15g/kW·h，CO2和SO2排放减少了1.728万t和0.0538万t，经济效益非常显著。

本文以热电厂热泵系统为例，对其进行节能改造研究。通过热泵系统节能改造，热电厂机组的供热能力得到了显著的提升，节约了标煤，降低了煤耗，具有推广应用价值。热泵系统功将电厂循环冷却水低温余热变为有用的热能，使之用于供暖，大幅提高了电厂的整体热效率。它具有安全、节能、环保的效益，而热泵虽在建设初期投资较大，但其运行维护费却较为低廉，是应被推广普及的一种高新技术。

参考文献：

[1] 张鹏，魏江，曹超．吸收式热泵在循环水余热利用中的应用[J]．节能与环保，2019(2)．

[2]李白怡．基于目标成本管理的火电厂成本控制体系[J]．电网与清洁能源，2018，30(4)：36—39．