溴化鋰Ⅰ類吸收式熱泵在熱電廠中的應(yīng)用

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)能降耗已成為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要條件之一。國家發(fā)改委、能源局、財政部于2012年聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于開展燃煤電廠綜合升級改造工作的通知》，通知中明確了對節(jié)能降耗力度較大的企業(yè)給予一定的資金獎勵、優(yōu)惠貸款、優(yōu)先調(diào)度的鼓勵措施，純凝機(jī)組供熱改造（包括熱泵）被列為重點節(jié)能措施。熱泵是能夠把熱量從低溫?zé)嵩磦鬟f到高溫?zé)嵩吹墓?jié)能設(shè)備。它是以消耗一部分高品位能源為代價，從低品位熱源中獲取能量，并能同所消耗的高品位能源一起向用戶供熱，從而有效利用低品位熱能。

目前，利用熱泵技術(shù)提取發(fā)電廠凝汽器循環(huán)水余熱的節(jié)能方案，得到許多發(fā)電企業(yè)的重視，成為北方電廠一項重要節(jié)能措施。在發(fā)電廠中應(yīng)用的熱泵技術(shù)主要是溴化鋰Ⅰ類吸收式熱泵。

1 溴化鋰吸收式熱泵的工作原理

溴化鋰吸收式熱泵是利用水的蒸發(fā)、冷凝，以及溴化鋰水溶液吸收及解析水蒸氣的循環(huán)過程中產(chǎn)生傳熱作用的設(shè)備。其主要組成部件有蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器及發(fā)生器。為進(jìn)一步提高效率，在發(fā)生器和吸收器之間放置了溶液熱交換器。根據(jù)這些主要設(shè)備的組合情況不同，可分為Ⅰ類吸收式熱泵和Ⅱ類吸收式熱泵。

Ⅰ類吸收式熱泵，是以消耗高溫?zé)嵩醋鳛榇鷥r，通過向系統(tǒng)輸入高溫?zé)崮埽ㄕ羝?、燃料），提取低位熱源（廢熱）的熱能，并以中溫形式供給用戶。

Ⅱ類吸收式熱泵，是在不供給其他高溫?zé)嵩吹臈l件下靠輸入的中溫?zé)崮埽◤U熱）驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行，將其中一部分熱能品位提高，成為高溫?zé)崴蛘羝椭劣脩?，另一部分則排放至環(huán)境。

目前在熱電廠中主要應(yīng)用溴化鋰Ⅰ類吸收式熱泵，其系統(tǒng)流程見圖1。

制冷劑液體（水）先從蒸發(fā)器的噴淋裝置噴淋到傳熱管上，吸收了傳熱管內(nèi)流動的熱源水（凝汽器循環(huán)水）的熱量而蒸發(fā)成低溫冷劑蒸汽進(jìn)入吸收器，低溫冷劑蒸汽在吸收器內(nèi)被溴化鋰濃溶液噴淋吸收，成為稀溶液，在吸收過程中放出熱量加熱應(yīng)用水，此應(yīng)用水進(jìn)入冷凝器。

稀溶液由泵輸送到發(fā)生器內(nèi)，受到外界高溫?zé)嵩吹募訜?，產(chǎn)生高壓冷劑蒸汽，同時溴化鋰溶液濃度提高，成為濃溶液，經(jīng)換熱器放熱進(jìn)入吸收器。高壓冷劑蒸汽進(jìn)入冷凝器凝結(jié)放熱成冷劑水，同時進(jìn)一步加熱應(yīng)用水。能效系數(shù)（COP），即：可利用的能量與輸入能量的比值。溴化鋰吸收式Ⅰ類熱泵的COP大約在1.5～1.7 之間。其可以利用15～40℃的廢熱源，將20～50 ℃的應(yīng)用水加熱成50～90℃的熱水。

圖1 溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)流程圖

2 溴化鋰Ⅰ類吸收式熱泵相關(guān)參數(shù)的選擇

2.1 驅(qū)動汽源壓力

蒸汽型第Ⅰ類溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組的驅(qū)動熱源為0.2～0.8 MPa的蒸汽。當(dāng)驅(qū)動熱源壓力升高，對應(yīng)飽和溫度升高，當(dāng)冷凝壓力一定的條件下發(fā)生器內(nèi)溴化鋰濃溶液濃度增大，進(jìn)而使放氣范圍增大，產(chǎn)生的高溫水蒸氣量增多。當(dāng)驅(qū)動熱源壓力大于0.45 MPa后，對COP的影響越來越小，因此從熱量品位和熱經(jīng)濟(jì)性上考慮，過高的驅(qū)動蒸汽壓力并不合理。

熱泵系統(tǒng)COP隨驅(qū)動熱源壓力增加而升高，先增加很快，后逐漸趨于平緩，見圖2。

圖2 驅(qū)動熱源蒸汽壓力與COP的關(guān)系

2.2 熱水出口溫度

第Ⅰ類溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組的供熱熱水溫度與余熱水出口溫度及供熱熱水進(jìn)口溫度有關(guān)，余熱水出口溫度越高，熱泵機(jī)組能夠提供的供熱熱水溫度越高。第Ⅰ類溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組的升溫特性見圖3。

圖3 第Ⅰ類溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組升溫特性

余熱水出口溫度須高于5℃。供熱熱水的出口溫度比余熱水出口溫度高約40～60℃，供熱熱水的溫升幅度和加熱蒸汽的壓力有關(guān)。

2.3 熱水溫升幅度

溴化鋰吸收式熱泵的熱水入口溫度（tw1）、驅(qū)動蒸汽壓力與熱水出口溫度（tw2）的關(guān)系見圖4：熱水升溫幅度越大，則對應(yīng)的驅(qū)動蒸汽壓力越高。

2.4 余熱水出口溫度

余熱水溫度（電廠循環(huán)水）變化不僅影響汽輪機(jī)背壓，也對熱泵的運(yùn)行產(chǎn)生影響。從熱泵蒸發(fā)器出來的余熱水溫度決定系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力，因此余熱水出口溫度對系統(tǒng)性能有較大影響。當(dāng)余熱水出口溫度升高時，相應(yīng)的蒸發(fā)壓力升高，使吸收器內(nèi)濃溶液吸收水蒸汽能力增強(qiáng)，吸收終了稀溶液中溴化鋰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，放氣范圍（即發(fā)生器濃溶液與吸收器吸收終了稀溶液的濃度差）增大，故使COP 升高。余熱水出口溫度與COP的關(guān)系曲線見圖5。

圖4 第Ⅰ類吸收式熱泵熱水入口溫度與出口溫度的關(guān)系

圖5 余熱水出口溫度與COP的關(guān)系曲線

3 溴化鋰Ⅰ類吸收式熱泵在熱電廠的應(yīng)用

3.1 熱電廠供熱情況

某熱電廠裝機(jī)容量為2×600 MW 亞臨界凝汽機(jī)組，后通過供熱改造實現(xiàn)對外供熱，目前承擔(dān)著約15×106m2供熱面積。當(dāng)?shù)夭膳?79 天（4 296 h），采暖期室外計算溫度－26 ℃，采暖期平均溫度－9.5 ℃，采暖期室內(nèi)計算溫度18 ℃。采暖綜合熱指標(biāo)為54 W/m2。

由采暖期實際一級網(wǎng)供回水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計，供熱期內(nèi)一級網(wǎng)供熱回水溫度在42～60 ℃，供水溫度在60～105℃，熱網(wǎng)循環(huán)水量約為13 000t/h。具體數(shù)值見表1。

3.2 供熱系統(tǒng)中增設(shè)熱泵方案

根據(jù)溴化鋰Ⅰ類吸收式熱泵的工作原理，擬采用熱泵機(jī)組回收發(fā)電廠凝汽器冷源損失的低溫余熱，提高發(fā)電廠熱效率，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。采用熱泵后，在供熱量及發(fā)電量不變的情況下，由于回收了余熱，可以節(jié)省一定量的采暖抽汽，減少了鍋爐的燃煤量；鍋爐燃煤量和汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電量不變的情況下，可以增加熱電廠的供熱面積，增加熱收益。

表1 供熱參數(shù)

熱泵機(jī)組在熱電廠內(nèi)系統(tǒng)流程見圖6：廠外熱網(wǎng)循環(huán)水回水首先經(jīng)熱泵機(jī)組升溫后，進(jìn)入尖峰熱網(wǎng)加熱器加熱后送出。在供暖初期和末期如果熱泵機(jī)組出口的水溫滿足熱用戶要求，可以直接送出至熱用戶。

3.3 熱泵選型參數(shù)的確定

3.3.1 熱網(wǎng)循環(huán)水流量

熱網(wǎng)循環(huán)水流量的選取應(yīng)按照供暖期實際運(yùn)行的、穩(wěn)定的熱網(wǎng)循環(huán)水流量選擇。如果實際運(yùn)行的熱網(wǎng)循環(huán)水流量與熱泵機(jī)組設(shè)計的熱網(wǎng)循環(huán)水流量差別較大，將會影響熱泵機(jī)組的能效指標(biāo)。

采暖系統(tǒng)的一級網(wǎng)一般采用變流量－質(zhì)調(diào)節(jié)的運(yùn)行方式，其中在采暖初期和末期熱網(wǎng)循環(huán)水流量略有變化，而在采暖期的大部分時間內(nèi)，熱網(wǎng)循環(huán)水流量基本恒定，通過調(diào)節(jié)熱網(wǎng)首站的送出溫度來調(diào)節(jié)供熱量。如果供暖初末期的熱網(wǎng)循環(huán)水流量變化較大，則選擇熱泵時要充分考慮熱泵機(jī)組的變工況能力，或在配置熱泵時，熱泵的單臺容量不宜過大，使運(yùn)行中可通過改變熱泵運(yùn)行數(shù)量來適應(yīng)熱網(wǎng)循環(huán)水流量的變化。

熱網(wǎng)循環(huán)水流量的數(shù)值應(yīng)通過分析近幾年熱網(wǎng)實際運(yùn)行統(tǒng)計數(shù)據(jù)后合理確定。本工程的熱網(wǎng)循環(huán)水流量確定為13 000t/h。

3.3.2 熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度

圖6 溴化鋰吸收式熱泵供熱方式系統(tǒng)流程圖

熱網(wǎng)運(yùn)行時，熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度是隨著室外溫度的改變而變化的。在供暖的初期和末期室外溫度高，用戶要求的供水溫度較低，因此回水溫度相對也較低；而在供暖中期，回水溫度變化不大。熱泵選型時的設(shè)計熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度應(yīng)合理選取，盡量使熱泵長時間工作在額定工況范圍內(nèi)，使其具有較高的能效指標(biāo)，一般根據(jù)近幾年熱網(wǎng)循環(huán)水供回水溫度變化曲線確定。圖7為本工程采暖期的熱網(wǎng)循環(huán)水供回水溫度變化曲線，供熱期內(nèi)一級網(wǎng)回水溫度在42～60 ℃，供水溫度在60～105 ℃，大部分時間內(nèi)的回水溫度接近60℃，最終確定熱泵選型時熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度為59 ℃。

圖7 采暖期熱網(wǎng)循環(huán)水溫度曲線

3.3.3 驅(qū)動汽源參數(shù)

熱泵的驅(qū)動汽源來自汽輪機(jī)采暖抽汽，一般供熱汽輪機(jī)的采暖為可調(diào)整抽汽，即：采暖抽汽的壓力和流量可通過汽輪機(jī)的供熱調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，以維持穩(wěn)定的蒸汽參數(shù)和流量變化需求。

本工程的600 MW 凝汽機(jī)組通過改造后，采暖抽汽也為可調(diào)整抽汽。根據(jù)采暖期運(yùn)行時電網(wǎng)調(diào)度的發(fā)電需求及發(fā)電廠供暖期的實際運(yùn)行數(shù)據(jù)：600 MW 機(jī)組在采暖期發(fā)電功率不低于400 MW，采暖抽汽參數(shù)通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可維持在0.6 MPa（a），300 ℃。

因此，本工程熱泵驅(qū)動汽源參數(shù)確定為在0.6 MPa（a）、300 ℃。

3.3.4 余熱水參數(shù)

發(fā)電廠冬季供暖期運(yùn)行時，由于進(jìn)入凝汽器排汽量減少，同時冬季凝汽器入口循環(huán)水溫度低，考慮循環(huán)水的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，相比非采暖期時循環(huán)水總量近乎減半運(yùn)行。除供暖初末期，循環(huán)水溫度循環(huán)水溫度在30～35℃區(qū)間外，其余階段循環(huán)水溫度基本在22～28 ℃區(qū)間波動。

綜合考慮采暖期凝汽器出口循環(huán)水實際運(yùn)行溫度、熱泵選型時合理的余熱水溫度及凝汽器出口循環(huán)水溫度升高后對發(fā)電的影響等因素，本工程熱泵選型時熱源水入口溫度確定為32 ℃。

4 熱泵選型方案

4.1 配置原則及熱泵選型參數(shù)

熱網(wǎng)循環(huán)水全部經(jīng)過熱泵機(jī)組，熱泵機(jī)組只利用一臺600 MW 機(jī)組的凝汽器循環(huán)水余熱。熱泵機(jī)組承擔(dān)最小熱負(fù)荷，以使整個采暖期熱泵機(jī)組始終處于滿負(fù)荷、高效運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)熱泵出口的熱網(wǎng)循環(huán)水溫度不滿足供熱要求時，啟用尖峰熱網(wǎng)加熱器。熱泵選型的邊界條件為：熱網(wǎng)循環(huán)水量為13 000t/h，熱網(wǎng)回水溫度為59 ℃，驅(qū)動汽源壓力為0.6 MPa（a），余熱水溫度為32 ℃等。

該方案共配置8臺熱泵，制熱量為32 127kW，泵出口的熱網(wǎng)循環(huán)水溫度為76℃，溫升為17℃，熱泵參數(shù)見表2。

此種熱泵配置方案，在整個采暖期熱泵均可處于滿負(fù)荷運(yùn)行，熱泵設(shè)備利用率高，設(shè)備投資少。

4.2 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性

電廠采用熱泵機(jī)組后，提取了凝汽器循環(huán)水余熱對外供熱，提高了發(fā)電機(jī)組熱效率，在供熱量和發(fā)電量不變的前提下，節(jié)省了鍋爐的燃煤消耗。測算的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表3，采暖期年總供熱量是熱泵機(jī)組提取的余熱和采暖蒸汽供熱量之和。采暖期機(jī)組發(fā)電量與供熱量相同時節(jié)約的標(biāo)煤量，已考慮采用熱泵時采暖期凝汽器背壓提高對汽輪機(jī)運(yùn)行指標(biāo)的影響。

5 結(jié)論

由于溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)具有投資高、占地面積大、變工況性能較差等問題，因此在選型時要綜合考慮，此外還應(yīng)注意下列問題。

表2 熱泵參數(shù)

表3 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

a.掌握溴化鋰吸收式熱泵的原理、性能特點等；掌握驅(qū)動蒸汽參數(shù)、熱網(wǎng)回水溫度、熱源參數(shù)等對熱泵性能參數(shù)及能效的影響。

b.掌握熱網(wǎng)及發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)及特點，為熱泵機(jī)組的選型提供詳實數(shù)據(jù)資料，如：整個供暖期間熱網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的變化規(guī)律、發(fā)電機(jī)組采暖期的發(fā)電負(fù)荷、汽輪機(jī)背壓變化、凝汽器循環(huán)水運(yùn)行方式及水溫變化等。

c.選型時要先合理確定邊界條件，如：熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度、驅(qū)動蒸汽參數(shù)、熱網(wǎng)循環(huán)水流量、熱源參數(shù)等數(shù)值，使熱泵工作時盡量維持額定參數(shù)運(yùn)行，維持較高的能效水平。

d.配置的容量越大，采暖期回收的余熱越多，發(fā)電廠的熱效率越高，但是由于隨著熱泵容量的增大，其投資及日常運(yùn)行、維護(hù)費用也隨之增加，因此，熱泵的綜合經(jīng)濟(jì)效益，需同時考慮投資及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，泵的配置方案需進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)比較后確定。