利用凝汽器循环水废热的热泵站用能分析

倪 龙，姚 杨，姜益强，马最良

(哈尔滨工业大学热泵空调技术研究所，150090哈尔滨，nilonggn@163.com)

发电过程中相当一部分一次能在电站以废热的形式损失掉，其中主要的能量损失是凝汽器循环水带走的热量.由于凝汽器循环水的温度比较低，一般情况下，只比环境温度高10℃左右.因此，为了利用凝汽器循环水热量，就得提高循环水温度.目前，常采用两种途径提高水温:一是提高凝汽式汽轮机排气压力(减小真空度)，低真空运行而将凝汽器水温提高到60～80℃，即称低真空运行循环水供热[1－3];二是采用热泵技术吸取电厂循环水中热量实现供热，即以电站循环冷却水为低温热源，利用热泵提高其品位(50～60℃)来实现向用户供热.从温度水平来说，电站凝汽器冷却水余热是热泵优良的低位热源.为此，利用电厂循环水废热的热泵供热方式已引起国内学者专家的关注[4－6]，并对火电厂循环水热泵供热系统的可行性、经济性等做出了分析[7].同时，文献[8]指出汽轮机凝汽器机组和热泵的联合系统存在不合理性，需引入外部能源.为此，本文应用能流图对电厂循环水源热泵站的用能作出分析，以便判断利用电厂凝汽器循环水废热的各方案的优劣.这对我国电站废热回收系统的选择具有指导意义.同时也为大型热泵站(如海水源热泵站，污水源热泵站)的驱动能源和装置的选择提供借鉴，避免今后我国热泵快速发展与城市化应用过程中出现用能不合理性问题.

1 电动热泵站用能分析

图1给出了回收电站凝汽器循环水废热的电动热泵站原理图.由图1可见，在原有凝汽式发电系统中，增设热泵机组，使凝汽器的冷却水系统与热泵机组的蒸发器12构成新的循环回路，替代带有冷却塔的原冷却水回路.凝汽器循环水(出水)直接进入热泵机组的蒸发器，经蒸发器吸取热量后，使循环水温度降低，供冷却用.而通过热泵机组加热热网回水，使之温度升高到45～55℃，向用户供热.

图1 电动热泵站原理图

为了简明评价图1系统的用能，作如下假设:

1)发电效率为38%，电站锅炉等损失为10%，电网损失为2%.

2)热泵机组的制热性能系数为4.0.

3)凝汽器循环水的废热全部被热泵机组吸收，忽略热水输送过程中的热损失，不计循环泵等设备的耗功.

供电站用的燃料能为100%，根据上述假定，其能流图如图2所示.

图2 电动热泵站能流图

由图2可知:

1)将凝汽器循环水废热损失全部回收，在热泵机组性能系数为4时，消耗电力17.4%，相当于电站发电量(38%)中的45.79%.

2)电网保留电量为18.6%，仅占电站发电量的48.95%.

3)图1系统总效率(69.4+18.6)/100=88%.看起来，由于回收了凝汽器冷却水废热52%，使系统的总效率提高到88%.但是其系统用能总效率的提高是以减少供电量(38%－18.6%)=17.4%(占总发电量的45.79%)为代价的.

4)发电效率和热泵机组制热性能系数的大小将会对电动热泵站系统的用能影响很大，如表1所示.表中未说明的百分比，均以火电厂燃料为100%;电网保留量为负值时，表明电站发电量已少于热泵耗电量，栏内值应由其他电站供电.

表1 电动热泵站的用能分析

由表1看出:

1)电网保留电量随着热泵机组制热性能系数和发电效率的降低而降低.

2)发电站效率η为32%，热泵机组性能系数ε为3时，电网保留电量已很少，接近于0;而当热泵机组性能系数为2.5时，已开始需要引入外部电源.

显然，在η和ε较低的情况，采用电站热泵站方式回收电站废热是否合理，是否经济，是否改变电厂建设的初衷，很值得研究.

2 汽轮机驱动热泵站的用能分析

用汽轮机驱动大型热泵是解决上述的电网保留电量急剧减少的有效技术措施之一.电是高品位的二次能，消耗电能来回收发电过程必需产生的废热量，从其用能角度看是不合理的.因此，选用一次能直接拖动的热泵应是相对合理的选择.

图3给出了回收电站废热的汽轮机驱动热泵站的原理图.由于热泵机组的驱动机由电动机改为汽轮机，因而图3系统在图1系统的基础上，增设一套蒸汽锅炉设备构成的回收电站废热的汽轮机驱动的热泵站供热系统.供热热网回水先经过热泵加热，作为一级加热，然后再经过汽轮机II的凝汽器，进行二级加热，加热后的热水供给热用户采暖用.

图3 汽轮机驱动热泵站原理图

为了评价图3系统的用能，除了图1中所做的假设外，再认为新设置的锅炉效率为90%，新设置的汽轮机对外做功为25%，按此绘制图3系统的能流图，如图4所示.

由图4可见:

1)回收电站废热的汽轮机驱动热泵站供电——供热综合供能系统用能总效率为(121.32%+38%)/(100%+77.02)=90%.与图2相比，其用能总效率才增加90% －88%=2%，由此可能认为，其系统用能总效率比图1系统增加的十分小，却又增加了新的锅炉等设备，系统更复杂，其系统似乎毫无意义，其实则不然.这是因为上述分析仅是从能的量方面作出的结论，却忽略能的质方面.图1电动热泵站供能系统中，用电能来解决发电中必需产生的热损失，使其发电站电网保留电量仅为发电量的48.95%，没有合理使用二次能(电能).图3给出的汽轮机驱动热泵站供能系统则在保留原发电站的正常供电量的条件下，合理使用一次能(如煤)完成回收电站废热，向用户供121.32%的热量，其用能的合理性十分明显.这也说明从电站外直接引入一次能作为热泵驱动能的合理性.

图4 汽轮机驱动热泵站能流图

2)由于图3给出的供电、供热综合供热系统是由相对独立的发电系统和汽轮机驱动热泵的供热系统2个系统组成，因此，在能流图上亦可以将能流图看作相对独立的两部分.在汽轮机驱动热泵供热系统中，只要汽轮机排热的温度足够高，就可以全部为供热所用，即充分利用了汽轮机做功后的排热，能量利用效率提高.同时电用户还能获得电站原有的总发电量.

3)汽轮机驱动热泵站供热系统一次能源利用系数E1=121.32/77.02=1.57.电动热泵站的一次能源利用系数E2=ηη1ε=0.38×0.9×4=1.37.汽轮机驱动热泵一次能源利用系统增加了14.77%.

基于上述用能特点，汽轮机热泵站用能要优于电动热泵站.

3 燃气轮机驱动热泵站用能分析

目前，燃气轮机是一种性能优良的热泵驱动装置.采用燃气轮机热泵站回收电站废热也是应该优先考虑的方案.图5给出其方案原理图.与图1相比，系统增设燃气轮机和回热设备(废气热交换器)，由相对独立的发电系统和燃气热泵供热系统组成供电和供热的综合供能系统.燃气轮机的供热量范围大，燃气轮机一般为500～5 500 kW[9]，适合大型热泵站用，同时，燃气轮机具有维修简单、保养周期长、占地面积小等优点.

图5 燃气轮机驱动热泵站原理图

燃气轮机的有效效率为15～28%[10]，本文燃气轮机轴功率取25%，废气损失取15%，可用废气热流量为60%.供电站用的燃料能为100%.为了使系统具有可比性，热泵制热性能系数仍然取4，据此绘出其系统的能流图，如图6所示.图6与图4相比，两者基本相同，差异不大.因此图5方案与图3方案相似，均优于图1方案.

图6 燃气轮机驱动热泵站能流图

由图6可见，燃气轮机驱动热泵站供热系统一次能利用系数可达110.92/69.32=1.60，比图1电动热泵站一次能源利用系数高出17.00%.

4 结论

1)为了利用凝汽器循环水废热，采用电动热泵站供热，可使电站单一供电系统变为供电——供热综合供能系统.但应注意到，电和供热能(50℃左右的热水)二者的价值是不一样的.因此随着发电效率和热泵机组制热性能系数的降低，电网保留电量将会越来越少，甚至为零，或出现本电站发电不够用，需要由其它电站补充供电的情形.此时供电——供热综合系统变成单一的供热系统，这显然失掉回收电站废热的意义.此系统变为生产低位热能的系统，却还需要生产高位能的电站，电站的高投资使得该系统本末倒置.

2)从能的量的观点来看，电动热泵站回收凝汽器循环水余热的供电——供热综合供能系统总效率为88%;汽轮机驱动的热泵站综合系统供能的总效率为90%;燃气轮机驱动的热泵站综合供能系统总效率亦为88%.但电动热泵站为了解决发电中必须产生的热损失，牺牲了火电厂45.79%的发电量，从能量的质的方面来看，这没有合理的使用二次电能，其热泵站的一次能源利用系数仅为1.37;汽轮机驱动和燃气轮机驱动的热泵站通过从外部引入一次能作为热泵驱动能，其一次能源利用系数分别为1.57和1.60，较电动热泵站高14.77%和17.00%.因此从能量利用观点看，燃气轮机驱动的热泵站和汽轮机驱动的热泵站要优于电能驱动的热泵站.

[1]谢鸣，朱振军，赵肃铭，等.凝汽式汽轮机低真空供热参数的确定[J].热能动力工程，1994，9(1):32－36.

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