利用吸收式热泵替代低压加热技术探究

舒 斌， 何晓红， 戚永义

（华电电力科学研究院，浙江杭州 310030）

0 引言

通常情况下火力发电厂的能源利用效率在38%左右，具有很大的节能潜力。汽轮机低压缸末端排出的冷凝热具有“总量巨大、集中度高、品位低下”的综合特点，因此为节能技术在火电厂的应用提供了条件。经过测算，这部分热量约占总输入热的30%以上[1]，根据能的“温度对口、梯级利用”原理，利用热泵回收汽轮机冷端排汽热正是火电企业实现机组“挖潜”和“增效”的具体措施[2]。当前吸收式热泵在火电厂的应用[3]主要是机组的集中供热；而对于机组的非供热情况，如何利用热泵进行节能增效则鲜有研究。

本文通过对“采用吸收式热泵替代汽轮机低压抽汽加热回水”的方案进行综合探讨，拟得出方案是否可行的初步结论，也为热泵技术的进一步拓展应用提供建议和方向。

1 技术原理

1.1 吸收式热泵原理

吸收式热泵是一种通过利用高品位热能作为驱动力，回收低品位热进而用于供暖或升温的设备，被广泛应用于纺织、化工、医药、冶金、石油、能源等行业[4]，具有显著的节能效果。根据具体的工况条件，吸收式热泵系统能效系数COP值在1.65～1.85[5]。本文采用的溴化锂吸收式热泵是以一定较高品质的蒸汽为驱动力，溴化锂溶液为吸收剂，水为工质的设备。热泵主体由吸收器、蒸发器、发生器、冷凝器、溶液热交换器及相应的屏蔽泵和膨胀阀等构成，系统包含溶液和热力循环两层循环，溶液循环为能量转移提供载体，而通过热力循环完成能量的转移和品质的提升。系统原理如图1所示。

图中，冷却水在吸收器和冷凝器中被两次加热获得温度提升，低温热源在蒸发器中由于工质的“闪蒸”作用，热量被吸收温度下降。

1.2 系统原理设计

对于溴化锂吸收式热泵而言，热泵进水温度范围在45～60℃可以获得较好的性能参数[5]，而通过热泵加热以后，出水温度可达75～95℃；对于汽轮机组回水系统而言，通常进入末级低压加热器的水温在50～60℃，而经过某后两级或者三级低压加热器后水温约在90℃。这样，回水在汽轮机低压抽汽加热与吸收式热泵加热后的温度范围相当。技术原理如图2所示。

如图2所示，通过在汽机房内设置溴化锂吸收式热泵，将系统回水引入热泵，通过热泵升温以后进入下一级的低压加热换热器，此过程中热泵回收了部分循环水余热，减少了低压缸的加热抽汽量。

2 实例分析

本文主要以某300MW亚临界抽汽机组作为分析对象，旨在通过分析得出方案是否可行的初步结论。文中选定的机组回水系统共有8级抽汽加热系统，可以简记为“3高4低1除氧”，以下只给出后两级低压抽汽加热相关参数。

2.1 基本参数

基本参数主要包括驱动蒸汽、7#和8#抽汽、乏汽以及系统回水参数等，见表1。

表1 主要参数

2.2 热力过程

根据汽轮机的实际参数情况，利用热泵系统替代后两级低压抽汽加热。基本过程是：由循环给水泵输送来的锅炉回水不再经过8#、7#低压抽汽加热器，而是直接进入热泵系统进行加热升温，回水温度从50℃进入热泵经加热后温度升至80℃。加热过程热负荷：

式中 W—加热功率，MW；

q—流量，t/h；

ΔH —焓差，kJ/kg。

热泵采用的驱动蒸汽参数为0.5MPa/152℃，根据热泵的能效比COP，驱动蒸汽提供热功率和回收余热功率可按式（2）和式（3）计算得到：

式中 W—热泵总出力，MW；

w—驱动蒸汽供热功率，MW；

w′—回收余热功率，MW；

COP—热泵性能系数，常取1.7。

表2 主要热力参数计算结果

2.3 经济性

方案的经济性主要体现在对机组综合发电的影响上。由于采用了较高参数的蒸汽作为热泵的驱动热源，势必会引起机组发电减少；但由于后两级低加停用，减少了低压缸的抽汽加热又使得低压缸发电增加，因此总的发电影响为二者的影响之和。表3列出了系统的发电影响。

表3 发电影响

由上表可知，驱动蒸汽引起发电减少约为2.47MW，热泵替代低加抽汽加热后，增加了汽机的发电量，其中7#低加增加发电量为1.50MW、8#低加增加发电量为0.64MW，综合引起发电量减少0.33MW。

3 方案可行性探讨

据以上方面的分析，方案在技术上虽然能够实现但是经济上却不够合理。根据热力学定律可知，热量不仅有“量”的多少还有“质”的高低之分，根据热二律，高参数蒸汽比低参数蒸汽具有更高的品质，亦即具有更强的做功能力[6]，本方案中利用了高参数的蒸汽驱动热泵回收余热，并加热锅炉回水取代低压抽汽加热，驱动蒸汽比用于低加抽汽具有更高的做功能力，最终使得减少的低加抽汽引起的发电增加不足以抵消高参数蒸汽引起的发电减少。据此可以初步推断得出，用于驱动热泵的蒸汽参数越高将会使引起的发电减少量也越大。

4 结语

通过理论分析和实例计算，得出“采用热泵替代汽轮机低压抽汽加热回水”方案在技术上可实现但是经济上并不合理的结论。原因在于忽略了能量“质”的关系，高参数蒸汽相比低参数蒸汽引起更多的发电损失，基于此不建议在电厂采用该种热泵方式进行余热节能项目的改造。

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[1]叶廷路，刘菲，等.节能调度下的广义能耗[J].电网技术，2011，35（6）：78～81.

[2]金红光，王宝群.化学能梯级利用机理探讨[J].工程热物理学报，2004，25（2）：181～184.

[3]李岩，付林，张世钢，等.电厂循环水余热利用技术综述[J].建筑科学，2010，26（2）：10～14.

[4]陈东，谢继红.热泵技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2006.

[5]舒斌，戚永义，孙士恩，等.参数变化对LiBr吸收式热泵性能的影响[J].节能，2012，358（7）：22～27.

[6]傅秦生.能量系统的热力学分析法[M].西安：西安交通大学.2005.