趙　麒，劉麗莘，韓風(fēng)毅，馬　爽，王　琛

(長春工程學(xué)院能源動力工程學(xué)院，長春 130012)

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汽機(jī)熱泵聯(lián)合系統(tǒng)的提出及經(jīng)濟(jì)性初探

趙麒，劉麗莘，韓風(fēng)毅，馬爽，王琛

(長春工程學(xué)院能源動力工程學(xué)院，長春 130012)

摘要：通過減溫減壓器的熱力學(xué)分析，得出蒸汽中約20%的高品質(zhì)能量經(jīng)過減溫減壓器后被浪費(fèi)?；谀芰刻菁壚迷?，提出了汽機(jī)熱泵聯(lián)合(combined turbine and heat pump，簡稱CTHP)循環(huán)系統(tǒng)，并從供熱量、能源利用率與電廠收益三方面證明了系統(tǒng)的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：減溫減壓器；能量梯級利用；汽機(jī)熱泵聯(lián)合循環(huán)供熱系統(tǒng)

到2015年，我國熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)規(guī)模已達(dá)到2.5億kw，占火電裝機(jī)規(guī)劃的32%～35%。我國北方地區(qū)的供熱普及率一般在60%～90%之間，其中單機(jī)容量在5萬kw以下的中小供熱機(jī)組共1 859臺，占總裝機(jī)量的87.65%[1-2]。早在20世紀(jì)五六十年代，我國就建立了許多凝汽式發(fā)電廠，但這些機(jī)組容量小，效率低，發(fā)電煤耗高，急需改造為熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)[3]?；痣姀S的發(fā)電效率只有約40%左右，循環(huán)冷卻水帶走的熱量約占熱電廠總能耗的10%～30%[4]。利用了循環(huán)水的余熱，可以減少冷卻塔向環(huán)境散失的熱量和冷卻水的蒸發(fā)損失，降低進(jìn)入器循環(huán)水的水溫，提高電廠器的真空度，增加機(jī)組的發(fā)電功率[5-7]。

目前，凝汽電廠熱電聯(lián)產(chǎn)改造過程中存在的主要問題有兩點(diǎn)：1)供熱參數(shù)不經(jīng)濟(jì)。凝汽電廠熱電聯(lián)產(chǎn)供熱改造時，常采用汽輪機(jī)中低壓缸連通管打孔抽汽的方式，需要在外部進(jìn)行減溫減壓，將抽出的熱蒸汽經(jīng)過降溫減壓器后，才能進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器，這將造成很大高品位能量的損失。2)冷卻水熱量浪費(fèi)。(含抽汽式)機(jī)組采用循環(huán)冷卻水來冷凝發(fā)電機(jī)組的排汽，循環(huán)冷卻水散發(fā)的熱量具有很好的利用價值。

為進(jìn)一步提高電廠熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能量利用率，降低污染，本文提出以小汽輪機(jī)同軸驅(qū)動復(fù)疊式熱泵，代替原有減溫減壓器，利用了蒸汽在減溫減壓器中損失的高品位能量，同時回收部分循環(huán)冷卻水的能量，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

1減溫減壓器熱力學(xué)分析

電廠抽汽供熱改造能夠使能源綜合利用效率得到提高，節(jié)約能源消耗，使電廠的經(jīng)濟(jì)效益得到提高，但無論是小型還是大型電廠，供熱抽汽壓力均相對供熱系統(tǒng)承受的壓力高，抽汽必須經(jīng)過減壓才能利用。減溫減壓裝置用在電站和工業(yè)鍋爐及熱電廠等處，將輸送來的一次(新)蒸汽壓力、溫度進(jìn)行減溫減壓，使其二次蒸汽壓力、溫度達(dá)到生產(chǎn)工藝所要求的數(shù)值，廣泛用于電站、石化、輕工、冶金等工業(yè)部門及城市供熱、供暖系統(tǒng)。

1.1減溫減壓器數(shù)學(xué)模型

減溫減壓器的工作過程主要是冷水與蒸汽進(jìn)入該裝置，依靠節(jié)流裝置給高溫高壓的蒸汽降壓，同時冷水為需降溫減壓的高溫高壓蒸汽降溫，運(yùn)行過程中冷水受熱后分為兩部分：一部分冷水汽化為水蒸氣，與降溫減壓后的蒸汽混合后利用；另一部分冷水受熱變?yōu)轱柡退鞒鰷p溫減壓器。進(jìn)入與流出減溫減壓器的蒸汽存在一定的關(guān)系，可表示為：

(1)

式中：D1、Dls、D2、Ds分別為流入減溫減壓器蒸汽的質(zhì)量、冷卻水的質(zhì)量、蒸汽流出的質(zhì)量和流出減溫減壓器的飽和水的質(zhì)量流量，kg/s；hin、hls、hout、hs分別為減溫減壓器單位質(zhì)量進(jìn)口蒸汽、冷卻水、出口蒸汽和飽和水的焓值，kJ/kg；χ為飽和水量與冷卻水量的比值，χ=Ds/Dls。

根據(jù)能量守恒與質(zhì)量守恒原理，減溫減壓器中的流體還存在式(2)～(3)的關(guān)系：

D1×hin+Dls×hls=D2×hout+Ds×hs,

(2)

D1+Dls=D2+Ds。

(3)

1.2火用分析

減溫減壓器中涉及的工質(zhì)分別為水和蒸汽，水和水蒸氣的比焓和比熵可采用工業(yè)用IFC公式計(jì)算，IFC將水和水蒸氣的性質(zhì)公式擴(kuò)展為6個區(qū)域，計(jì)算公式較為復(fù)雜，由于蒸汽和水的比焓和比熵均與此時的溫度和壓力相關(guān)，而熱電聯(lián)產(chǎn)所涉及的水與水蒸氣的區(qū)域也較小，為計(jì)算分析方便，將本文所研究的未飽和水和過熱水蒸氣的火用值擬合為式(4)的二元二次函數(shù)：

e=a1+a2p+a3T+a4p2+a5T2，

(4)

式中：p為工質(zhì)的壓力，MPa；T為工質(zhì)的溫度，K。

擬合后的未飽和水和過熱蒸汽的公式系數(shù)見表1。

表1　未飽和水和過熱蒸汽火用值計(jì)算公式系數(shù)

對于飽和水和飽和蒸汽，溫度與壓力相對應(yīng)，將本文所研究范圍內(nèi)的飽和水與飽和水蒸氣的火用值分別擬合為拋物線和直線，即飽和水蒸氣的火用值可由式(5)近似計(jì)算：

e=3.890 3T-775.148 7，

(5)

而飽和水的火用值可近似表示為：

e=0.004 3T2-2.066 3T+236.532 9。

(6)

對于某一個熱力過程來說，火用損失率越小，說明高品位能量損失越少。減溫減壓器內(nèi)蒸汽能量的火用損失率為：

(7)

假設(shè)減溫減壓器工作過程中，減溫水全部變?yōu)檎羝覜]有汽水損失，即當(dāng)χ=0時，此時減溫減壓器工作過程的火用損失最小。以進(jìn)口蒸汽壓力1.0 MPa，溫度350 ℃(此時蒸汽的焓值與火用值分別為3 158.54 kJ/kg和1 163.61 kJ/kg)，進(jìn)口蒸汽流量1 kg，冷卻水壓力0.1 MPa，溫度為20 ℃，經(jīng)減溫減壓器降低至壓力0.2 MPa和0.3 MPa為例，如圖1所示，減溫減壓器中蒸汽的火用損失隨排汽溫度的升高而降低，當(dāng)排汽溫度相同時，排汽壓力越高火用損失越小，減溫減壓器的排汽溫度與壓力受熱網(wǎng)加熱器承壓與耐溫程度的限制。

圖1　火用損失率隨排汽溫度變化曲線

圖1還顯示了減溫減壓器的火用損失率隨減溫減壓器排汽溫度的升高而降低，當(dāng)χ=0時，排汽壓力分別為0.2 MPa、0.3 MPa的火用損失率分別在20.5%～23.1%和15.9%～18.2%之間。

圖2　排汽壓力0.2 MPa時蒸汽的火用損失率

減溫減壓器的實(shí)際工作過程中，飽和水量與冷卻水量的比值一般不為0，即χ≠0，如圖2所示，相同飽和水量與冷卻水量的比值和相同排汽溫度情況下，排汽壓力越低，減溫減壓器中蒸汽的火用損失越多；當(dāng)排汽壓力一定時，火用損失率隨排汽溫度的升高而減??；在排汽溫度也相同的條件下，飽和水量與冷卻水量的比值越大，火用損失率也越大，排汽溫度從160 ℃上升至260 ℃，對應(yīng)于χ=0.1和χ=0.5狀態(tài)下的火用損失率分別在20.88%～23.98%之間和22.53%～27.63%之間。

2CTHP循環(huán)系統(tǒng)的提出

基于能量梯級利用原理與總能應(yīng)用方法，本文提出采用電廠汽輪機(jī)中壓缸抽汽驅(qū)動小汽輪機(jī)帶動復(fù)疊式高溫?zé)岜霉ぷ鳎厥针姀S循環(huán)冷卻水余熱供暖的CTHP(combined turbine and heat pump)，循環(huán)系統(tǒng)。

CTHP循環(huán)系統(tǒng)的流程圖如圖3所示，以減溫減壓器中蒸汽的高品位能量損失為動力，驅(qū)動高溫復(fù)疊式熱泵的壓縮機(jī)回收循環(huán)冷卻水的低溫?zé)崃浚涮卣魅缦拢?/p>

1)以汽輪機(jī)驅(qū)動復(fù)疊式高溫?zé)岜么嬖袦p溫減壓器，不影響發(fā)電機(jī)組正常工作，汽輪機(jī)與高溫?zé)岜眉跋嚓P(guān)設(shè)備技術(shù)比較成熟，技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理可行。

2)減溫減壓器中損失的高品位能量以機(jī)械能的形式加以利用，將回收的機(jī)械能驅(qū)動熱泵的壓縮機(jī)工作，在供熱負(fù)荷不變的情況下，減少了供熱用蒸汽的消耗，降低了供熱能耗。

3)充分利用減溫減壓器中蒸汽損失的能量，將這部分能量轉(zhuǎn)化為功加以利用，使系統(tǒng)的火用效率有所提高，滿足能量的梯級利用原則。

圖3　CTHP循環(huán)系統(tǒng)流程圖

4)回收減溫減壓器中蒸汽能量，以電廠循環(huán)冷卻水作為熱泵的低位熱源，通過熱泵回收循環(huán)冷卻水的能量，提高了聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能源利用效率，節(jié)能效果明顯。同時，CTHP循環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用還可以節(jié)約燃料消耗量，減少灰渣、煙塵、二氧化硫及氮氧化物等污染物的排放。

CTHP循環(huán)系統(tǒng)的核心工作過程為：供熱用抽汽從發(fā)電汽輪機(jī)的中壓缸抽出，送至高溫?zé)岜脵C(jī)組的小汽輪機(jī)，驅(qū)動高溫?zé)岜脵C(jī)組的壓縮機(jī)工作，小汽輪機(jī)的排汽進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器，熱泵冷凝器將一次熱網(wǎng)70 ℃左右的回水加熱至80 ℃左右，再由熱網(wǎng)加熱器將采暖回水加熱至一次網(wǎng)供水溫度110～130 ℃；流出熱網(wǎng)加熱器的凝結(jié)水與發(fā)電凝結(jié)水混合經(jīng)凝結(jié)水泵送回電廠鍋爐；熱泵裝置的蒸發(fā)器與電廠器的循環(huán)冷卻水換熱，回收冷卻水的低位熱源，降低冷卻塔散熱負(fù)荷的同時，使廢熱得到了利用。

3CTHP循環(huán)經(jīng)濟(jì)性初探

CTHP循環(huán)系統(tǒng)的使用，會在能量利用與經(jīng)濟(jì)效益方面為電廠的熱電聯(lián)產(chǎn)帶來一定的收益，本節(jié)在熱經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性兩方面初探新系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，預(yù)估系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

3.1經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

CTHP循環(huán)系統(tǒng)與原減溫減壓器供熱系統(tǒng)的產(chǎn)品均為熱能，本節(jié)從供熱能力、能量利用率和電廠收益3個方面對系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

3.1.1供熱能力

供熱能力主要比較CTHP系統(tǒng)與原減溫減壓器系統(tǒng)在消耗相同能源的情況下，兩系統(tǒng)供熱量的大小。減溫減壓器供熱系統(tǒng)的供熱量可表示為：

(8)

式中：Qh為減溫減壓器系統(tǒng)的供熱量，MW；Dh為供熱系統(tǒng)的抽汽量，t/h；h1為供熱系統(tǒng)的抽汽焓，kJ/kg；hs為供熱凝結(jié)水焓，kJ/kg；ηh為熱網(wǎng)效率，本文取0.97。

電廠應(yīng)用CTHP循環(huán)系統(tǒng)后，總的供熱量為熱泵制熱量和熱網(wǎng)加熱器換熱量之和：

(9)

式中：Qhp為CTHP循環(huán)系統(tǒng)的供熱量，MW；Dhp為CTHP循環(huán)系統(tǒng)的抽汽量，t/h；h2為驅(qū)動壓縮機(jī)的汽輪機(jī)排汽焓，kJ/kg；ηj為驅(qū)動壓縮機(jī)的小汽輪機(jī)的效率；COP為熱泵裝置的性能系數(shù)。

3.1.2能量利用率

熱電廠的一次能量利用率為輸出的熱、電兩種產(chǎn)品的總能量與輸入的總能量的比值，從能量數(shù)量上反映出一次能源的利用情況：

(10)

3.1.3電廠收益

電廠收益為電廠產(chǎn)品銷售所得的凈收入，即電能與熱能的銷售所得與燃料消耗費(fèi)用之差。將CTHP循環(huán)系統(tǒng)嵌入電廠發(fā)電機(jī)組冷端進(jìn)行供熱，電廠的收益為：

(11)

3.2經(jīng)濟(jì)性分析

目前國內(nèi)使用的350 MW抽凝機(jī)組的鍋爐形式主要有超臨界和亞臨界鍋爐2種類型，以哈汽和東汽兩大汽輪機(jī)廠的350 MW機(jī)組為例，其技術(shù)參數(shù)對比見表2。

計(jì)算條件取熱網(wǎng)供回水溫度為130/70 ℃，驅(qū)動壓縮機(jī)的小汽輪機(jī)的排汽溫度與壓力分別為180 ℃和0.3 MPa，效率為58%，熱泵裝置的制熱性能系數(shù)為2.1。為了評價電廠應(yīng)用CTHP系統(tǒng)供熱的經(jīng)濟(jì)性，將新系統(tǒng)與原減溫減壓器系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行比較分析，即原抽凝機(jī)組供熱、發(fā)電為方案一，CTHP系統(tǒng)供熱、抽凝機(jī)組發(fā)電的方式為方案二。設(shè)計(jì)抽汽壓力、背壓等計(jì)算參數(shù)見表2。

表2　350MW機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

與減溫減壓器供熱相比，CTHP循環(huán)系統(tǒng)提高了蒸汽的供熱效率，在相同抽汽量的情況下，能夠增加供熱面積，如圖4，兩方案在不同抽汽量下的供熱量，方案二的供熱量要比方案一的供熱量大，隨著抽汽量的增大，方案二相比方案一增加的供熱量也在增大，在最大抽汽量時兩方案的供熱量分別為276.5 MW和321.8 MW，若以50 W/m2的熱指標(biāo)估算，方案二可比方案一多供熱約90萬m2。

圖4　兩方案供熱量比較

圖5顯示了兩方案的一次能源利用率均隨抽汽量的增大而增大，且方案二的一次能源利用率增大更快，在最大抽汽量時，方案二的一次能源利用率增加了約4.3%，主要源于熱泵回收利用了一部分循環(huán)冷卻水的低溫余熱。

圖5　兩方案能源利用率比較

圖6 顯示了兩方案的電廠收益隨抽汽量變化情況，圖中的熱價取36元/GJ，避免采用按面積收取熱價的不合理性，可以看出兩方案的收益隨供熱抽汽量的增加而增大，說明熱電聯(lián)產(chǎn)相比純發(fā)電的電廠具有更好的經(jīng)濟(jì)性，且供熱抽汽量越大，兩方案的收益相差越大，最大可達(dá)0.92萬元/h，按采暖天數(shù)120 d估算，方案二每年可多收入約2 650萬元，可以看出，CTHP循環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用會為電廠帶來更多的供熱量，提升電廠的能源利用率并給電廠帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖6　兩方案的電廠收益

4結(jié)語

雖然減溫減壓器中蒸汽能量在數(shù)量上沒有損失，但從能量的質(zhì)量角度來看很多高品質(zhì)能量被浪費(fèi)?；谀芰刻菁壚迷?，提出了CTHP循環(huán)系統(tǒng)，新系統(tǒng)在供熱量、能源利用率與經(jīng)濟(jì)性方面都優(yōu)于減溫減壓器系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李先瑞.熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱如何有序發(fā)展[J].區(qū)域供熱，2005(3):4-7.

[2] 張永平.火力發(fā)電廠熱電聯(lián)產(chǎn)的探究[J]. 內(nèi)蒙古石油化工，2012(4):91-92.

[3] 薛啟春.熱電聯(lián)產(chǎn)中減溫減壓器高耗能分析及對策[J].中國井礦鹽, 2008,11(6):23-24.

[4] 何根,木謝龍.熱電廠循環(huán)冷卻水低溫余熱回收利用[J].通用機(jī)械,2014(2): 81-82.

[5] 劉福秋,王修彥,蔡文匯. 火力發(fā)電廠余熱利用與熱泵技術(shù)[J].應(yīng)用科技,2013,40(1):68-71.

[6] 藍(lán)玉.利用電廠余熱的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究[D].大連：大連理工大學(xué),2005.

[7] 李楊,冉春雨.電廠循環(huán)冷卻水源熱泵系統(tǒng)水質(zhì)問題探討[J].長春師范學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版,2012,31(9):56-59.

The Proposition and Economic Primary Exploration of Combined Turbine and Heat Pump System

ZHAO Qi, etc.

(SchoolofEnergyandPowerEngineerin,ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：Through the thermodynamic analysis to the temperature and pressure reducer, the authors get the result that about 20% of the high quality energy of the steam is wasted after the temperature and pressure reducer. Based on the principle of energy cascade utilization, the combined turbine and heat pump (short for CTHP) system is put forward and the superiority of the system is proved from the heat supply, energy use rate and profits of power plant.

Key words：temperature and pressure reducer; energy cascaded utilization; combined turbine and heat pump system

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-8984(2016)01-0060-04

中圖分類號：TK114

作者簡介：趙麒(1982-)，男(漢)，遼寧鞍山，在讀博士，講師

基金項(xiàng)目：吉林省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(120150044)

收稿日期：2015-12-30

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.014

長春工程學(xué)院種子基金(320140029)

主要研究建筑節(jié)能與熱泵技術(shù)研究應(yīng)用。