联合循环电厂大型吸收式热泵余热回收系统在线性能检测的研究与应用

费盼峰， 孙士恩， 冯亦武， 俞 聪， 徐朝阳

（华电电力科学研究院，浙江杭州3100 30）

0 引言

目前，国内燃气-蒸汽联合循环机组的供热能力有限，联合循环电厂在供暖高峰期采用燃烧天然气的热水炉来进一步加热热网回水以达到供热需要，而采用天然气供热的燃料成本很高。从近年来余热利用技术应用现状来看，吸收式热泵余热回收系统可有效回收联合循环机组汽机凝汽器循环冷却水的余热量，用于热网加热供热，这样在一个采暖季的相同供热面下，可减少天然气的用量，实现较好的经济效益及环境效益。在实际的大型吸收式热泵余热回收系统运行中，存在着比较复杂的供热负荷变化、驱动蒸汽调节、循环水量变化等影响因素[1]。在没有系统运行的在线性能数据作为参考的情况下，缺乏经验的运行人员往往较难找到最佳运行方式，使吸收式热泵余热回收系统运行最优化，达到最佳效能。因此，本文研究了联合循环电厂大型吸收式热泵余热回收系统在线性能检测，旨在获取余热利用系统实时运行信息，在线计算及实时显示余热回收系统运行中的各性能指标，为运行人员提供可靠运行依据，使系统运行达到最佳状态。

图1 联合循环电厂吸收式热泵余热回收系统

1 系统构架

1.1 吸收式热泵回收循环水余热系统

联合循环电厂利用吸收式热泵回收循环水余热技术主要是将吸收式热泵机组集中设置在电厂内部，采用汽轮机中压缸抽汽或余热锅炉的低压补气作为热泵驱动热源，回收汽轮机排汽后凝汽器循环水余热，如图1所示，热网循环水回水进入热泵系统加热后进入热网加热器。热网加热器的出水与余热锅炉热网加热器出水混合后进入热水炉进一步加热，并向用户供出。由于该系统回收了部分或全部汽轮机乏汽余热，电厂综合能源利用效率也相应的提高。

实际运行中，循环水余热回收系统所回收的余热量受到了各种运行工况的制约，主要的制约因素有热网的热负荷，吸收式热泵驱动蒸汽热量、余热水和热网水的流量及吸收式热泵本身的COP值等[2]。而随着环境温度及机组负荷等各种外部因素的变化，制约热泵的性能因素也会相应的变化，循环水余热回收系统的回收效率也将出现变化。如何在变化的工况下选择合理的运行方式是一个比较关键的问题，运行方式的调整可以影响循环水余热回收系统的经济性[3]。实际运行中，由于没有较全面的系统性能信息及现场人员缺乏对吸收式热泵循环水余热回收系统的工作原理的透彻理解，往往难以把握最优运行的策略。本文论述的余热回收系统在线性能检测系统可以较好的解决以上问题，为缺乏经验的运行人员提供合理的运行依据。

1.2 余热回收系统的在线性能检测系统构成

余热回收在线性能检测系统如图2所示，使用OPC技术，设立电厂DCS的OPC服务器，建立DCS对外开放数据接口，使用C++Builder软件开发的OPC客户程序通过连接OPC服务器获取DCS系统中机组及吸收式热泵等相关设备运行信息，并通过客户端的性能计算模块对数据进行处理，分别对系统回收余热量、热泵的COP值、系统运行对发电量的影响及系统运行的节能经济性进行在线计算，并将计算结果通过显示模块显示在屏幕上，同时将计算结果存入数据库中，便于以后查询及调用。

图2 余热回收在线性能检测系统构架

2 基于OPC的数据采集

OPC（OLE for Process Control）是一个新型的工业技术标准，它提供了一种开放、高效的通信机制。OPC技术完全支持分布式应用和异构环境下应用程序之间的无缝集成和互操作，因而在工业网络的实时数据通讯方面具有特别的优势，具有开放性、互联性和高效性等特点。

OPC规范主要包括OPC服务器和OPC应用程序两部分。一个0PC客户可以连接一个或多个OPC服务器，而多个OPC客户也可以同时连接一个OPC服务器。OPC服务器由服务器、组和数据项三类对象组成。

OPC规范不但应用于从DCS系统的物理设备中获取最低层的原始数据，而且应用于从DCS系统中获取数据到应用程序中。对于分布式系统中的对象，OPC标准采用D CO M技术实现服务器和客户程序的远程通信[4]。

国内大型火电厂使用的主流DCS系统均利用OPC标准解决自身的开放性问题，大多数DCS系统均可安装和设立自身的OPC服务器，向外部系统提供符合OPC标准的接口。在余热回收在线检测系统中，采用设立电厂DCS系统自身OPC服务器，用C++Builder开发的OPC客户程序连接DCS系统中的OPC服务器模块，实现DCS系统中现场设备运行原始数据的采集，数据采样频率可满足性能计算要求。

3 性能计算

3.1 回收余热量及热泵COP计算

程序中计算公式参考标准：GB 6422－2009《用能设备能量测试导则》、GB 2587－2009《用能设备能量平衡通则》求取热泵的循环水余热回收热功率。热泵回收循环水余热功率的计算公式为：

hC—驱动蒸汽疏水焓，kJ/kg。

余热回收机组COP计算公式：

式中 COP—余热回收机组性能系数；

GRW—热网水至热泵流量，t/h；

GWC—驱动蒸汽疏水流量，t/h；

ho—热泵热网水出水焓，kJ/kg；

hi—热泵热网水进水焓，kJ/kg；

hWC—驱动蒸汽焓，kJ/kg；

hC—驱动蒸汽疏水焓，kJ/kg。

式中的热网水至热泵流量G R W，驱动蒸汽疏水流量G WC可以通过OPC通信从电厂DCS系统获取实时测量，其它参数如热泵热网水进出水焓值，驱动蒸汽及疏水焓值可通过从DCS系统读取对应的热网进出水、驱动蒸汽压力及疏水测点的温度、压力值，运用系统置入的水及蒸汽性质计算模块计算得到。

3.2 水及蒸汽性质计算

在线计算中水及蒸汽性质计算采用国际通用工业用水和水蒸汽性质公式I A P WS-I F 97，这一模型具有计算速度快、精确度高等优点。

图3 I A P WS-I F 97公式的分区和方程

式中 QFQ—热泵回收余热功率，MW；

GRW—热网水至热泵流量，t/h；

GWC—驱动蒸汽疏水流量，t/h；

ho—热泵热网水出水焓，kJ/kg；

hi—热泵热网水进水焓，kJ/kg；

hWC—驱动蒸汽焓，kJ/kg；

如图3所示，公式I A P WS-I F 97的有效使用范围为：273.15 K≤T≤1073.15 K，p≤100 MPa以及1073.15 K≤T≤2273.15 K，p≤10 MPa。公式将其有效范围分为5个区域：区域1（过冷水区）、区域2（过热蒸汽区）、区域3（临界区）、区域4（饱和区）、区域5（低压高温区）。除区域2、3之间的边界外，其他区域边界可从图1直接看出。热泵运行中，主要计算区域为1、2、4区。对于区域l、2，根据I A P WS-I F 97给定的基本方程，以温度，压力为自变量可以直接求取其他热力学性质；根据反推方程，以压力，比焓或压力，比熵表示的区域1和2的热力学性质无需迭代即可计算。对于区域4，可以根据基本方程由压力求饱和温度；也可以直接利用反推方程由温度求饱和压力[5]。

3.3 系统对发电量的影响计算

（1）机组真空对发电功率的影响

投运热泵后，进入凝汽器的循环水温度升高，导致机组真空下降，真空对发电功率的影响关系：

式中 QFD—真空下降后的影响发电功率，MW；

GPQ—低压缸排气流量，t/h；

hbr—原真空度下排气焓值，kJ/kg；

hnw—真空度降低后排气焓值，kJ/kg；

GNW—汽轮机凝结水流量，t/h；

GBW—汽轮机凝结水补水流量，t/h；

hpq—排气焓值，kJ/kg；

hbg—排气压力对应饱和蒸汽焓值，kJ/kg；

hbl—排气压力对应饱和水焓值，kJ/kg；

x—排气的干度。

式中的汽轮机凝结水流量GNW，汽轮机凝结水补水流量GBW，排气干度x均可在通过DCS系统获取，排气压力对应饱和蒸汽焓值hbg及排气压力对应饱和水焓值hbl均可根据DCS测得排气压力值利用水和水蒸汽性质公式I A P WS-I F 97计算得到[6]。根据以上公式可计算得到真空下降后的影响发电功率QFD的值。

（2）热泵驱动蒸汽抽气对发电功率的影响

投运热泵后，由于抽取了汽轮机进气低压蒸汽，导致机组出力下降，抽气对发电功率的影响关系：

式中 QCD—抽气影响较少的发电功率，MW；

GCQ—热泵驱动蒸汽抽气总流量，t/h；

hbq—热泵驱动蒸汽抽气焓值，kJ/kg；

hcn—采暖抽气焓值，kJ/kg。

式中热泵抽气总流量GCQ、热泵驱动蒸汽抽气及采暖抽气焓值对应的压力温度均可通过电厂DCS采集获得。

（3）热泵系统对发电量的总影响量计算

投运热泵后，消耗了部分厂用电量QWT，用电量可有电厂DCS采集获得。余热回收系统对总的影响发电功率为QWQ：

QWQ=QFD+QCD+QWT（7）

3.4 节能经济性计算

在相同热网负荷下，余热回收系统投入比不投入可多节约天然气用量，同样的，将投入热泵后影响发电量折算成天然气的耗量，最终可计算当前每小时的节能的经济收益。

Cincome=（GFQ-GWQ）×Pr（8）

式中 Cincome—每小时节能收益，元；

GFQ—回收余热节约天然气流量，N m3/h；

GWQ—热泵投入影响发电折合天然气流量，N m3/h；

Pr—天然气价格，元/N m3。

4 应用

基于前文论述的余热回收在线性能计算构建原理，在国内某联合循环电厂进行开发和应用。某日系统分别在三个时间段对余热回收系统三种不同工况进行了在线采集及性能计算，主要采集数据及计算结果摘录见表1、表2、表3。

表1 实例中吸收余热量及CO P在线计算值

由于在线检测的数据都来自DCS实际运行量，计算数据具有可靠性，计算结果经第三方性能试验机构验证后有效，且与电厂实际结算量误差较小。

表2 实例中影响发电量及经济收益在线计算值

安装在线检测系统后，运行人员可以以当前及历史运行性能计算结果及经济性为依据，找出余热回收系统最佳运行策略，使得在当前工况下系统每小时节能收益为最佳值。在某电厂的实际使用证明，本在线系统具有较高的使用价值。

5 结语

使用OPC与电厂DCS系统实时数据通讯方面具有特别的优势，具有开放性、互联性和高效性等特点，在通信中OPC能够安全地驻留在DCS运行的机器平台上，不影响DCS的正常运行。C++ Builder对于COM/DCOM有着较好的支持，开发的OPC客户程序运行稳定。

表3 实例中每小时经济收益在线计算值

计算采用模块化设计，高效利用I A P WS-I F 97、及热力学公式，可以准确实时地计算水和水蒸汽热力性质及系统各性能及经济指标。

实际运行中，余热回收系统在线性能检测系统可以为缺乏经验的运行人员提供合理的运行依据，协助运行人员找出余热回收系统最佳运行策略，使得在当前工况下系统每小时节能收益为最佳值。

[1]王宝玉，等.热泵技术回收火电厂循环水余热的研究[J].现代电力，2011，28（4）：73～77.

[2]周崇波，等.大型吸收式热泵用于火电厂回收余热供热的试验研究[J].现代电力，2013，30（2）：37～40.

[3]周崇波，等.新型带吸收式热泵热电联产机组的技术经济分析[J]，现代电力，2012，28（2）：61～63.

[4]孙庆文，等.使用C++完成OPC客户端与DCS数据交换的研究与应用[J].中国仪器仪表，2012，（5）：52～58.

[5]丁峰，等.水和水蒸气热力性质的计算—IAPWS-IF 97[J].科技资讯，2011，（25）：131，132.

[6]高建强，等.大型联合循环机组在线性能试验软件开发与应用[J].燃气轮机技术，2008，21（2）：32～36.