吸收式热泵回收热电厂余热的经济分析

王培斌，耿 宁，李 源，桑政军

(1.沈阳工程学院 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136； 2.沈阳皇姑热电有限公司，辽宁 沈阳 110035；3.辽宁调兵山煤矸石发电有限责任公司 发电部，辽宁 铁岭 112700)



吸收式热泵回收热电厂余热的经济分析

王培斌1，耿 宁2，李 源1，桑政军3

(1.沈阳工程学院 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136； 2.沈阳皇姑热电有限公司，辽宁 沈阳 110035；3.辽宁调兵山煤矸石发电有限责任公司 发电部，辽宁 铁岭 112700)

热电厂汽轮机的排汽中含有大量热能，采用吸收式热泵可以对其回收，并可以利用该热能来加热热网水，提高热电厂的供热能力，还可以减少冷水塔的汽水损失，减少燃煤消耗量和污染物的排放量。通过分析计算可知，供热机组采用吸收式热泵进行改造后，可以有效的提高机组的能源利用率和效率，同时电厂的经济效益也有明显的提高。

吸收式热泵；循环水余热；经济分析；节能减排

能源和环境污染问题一直是困扰和制约中国发展的主要问题。大部分的热电厂采用容量较小的燃煤机组，其供热能力和经济效益均受到一定的限制，且部分热电厂的供热能力已经满足不了城市的快速发展。因为供暖机组多为抽凝式，汽轮机的排汽带走了大量的低品位热量，而采用热泵循环可以回收这部分热能，既可以增加热电厂的供热能力，又可以达到节能减排的作用并增加热电厂的经济效益。

1 吸收式热泵工作原理

热泵的工作形式有压缩式和吸收式。压缩式热泵主要包括蒸发器、冷凝器、节流装置和压缩机等设备，压缩机工作时需要消耗电能；吸收式热泵主要包括蒸发器、吸收器、发生器、膨胀阀、冷凝器、热交换器和溶液泵等设备[2]。吸收式热泵采用热能作为动力源，将低温热源的热能送到高温热源，可用于回收企业的余热资源来加热热水。例如，采用水-溴化锂作为工质的吸收式热泵主要由两部分组成：一部分为热泵子系统，其设备包括蒸发器、冷凝器、节流装置；另一部分为热机子系统，其作用与压缩机相似，如图1所示。低压水制冷剂进入蒸发器中吸收循环冷却水的余热Qe，之后生成的低温水蒸气进入吸收器，溴化锂浓溶液在吸收器中将水蒸气吸收之后变为溴化锂稀溶液，同时被热网水冷却，其放热量为Qa。溴化锂稀溶液经过溶液泵升压后进入发生器，被来自汽轮机的抽汽(在发生器中的放热量为Qg)进行加热。制冷剂在发生器中先蒸发，再进入冷凝器，在冷凝器中的放热量(向热网水Qe中提供的热量)为Qc，从热泵冷凝器出来的高压制冷剂液体通过膨胀阀减压后进入蒸发器。在发生器中没有蒸发的溴化锂变为浓溶液，冷却减压后回流到吸收器继续吸收由蒸发器出来的制冷剂蒸汽。

图1 吸收式热泵工作原理

2 吸收式热泵回收热电厂循环水项目方案

2.1 机组概况

某热电厂有3台12 MW供热发电机组和2个热水锅炉，其中一台进行了低真空改造,另一台为双抽凝汽式机组，共承担近1 200万m2的供热负荷。该区域的新建建筑较多，为了节约能源、提高电厂的经济效益，现采用吸收式热泵机组回收汽轮机凝汽器的冷凝热，既可以增加电厂的供热能力，又可以达到节能减排的效果。

该机组型号为 CC12-4.9/0.98/0.294，供暖抽汽额定压力为0.294 MPa，最小抽汽量为40 t/h，最大抽汽量为70 t/h。在冬季运行期间，其乏汽流量平均为20 t/h，最小为15 t/h，循环水流量为1 600～1 700 m3/h，凝汽器出口循环水温介于7.5～31.55 ℃。供热南区热网水流量为3 000～5 000 t/h，平均流量为4 200 t/h，平均供、回水温度分别为70 ℃和43 ℃。

2.2 改造方案

采用循环冷却水余热回收技术对供暖系统进行改造，如图2所示。1#机组凝汽器的冷却水作为吸收式热泵机组的冷源，该供热机组的低压抽汽作为热泵发生器的热源，利用吸收式热泵系统的冷凝器做为一级热网水的预热器，将升温后的中温水送到热网加热器继续加热，以达到供暖的水温要求。因为该机组在冬季的时候排汽压力较低，热泵的效率也低，对热网水的加热能力也不大，所以通过提高凝汽器背压的方法来提高循环冷却水的温度，进而可以提高吸收式热泵的COP。为了更有效的利用热泵提高系统运行的效率，回收更多的热量，在冬季时保证1#机组在设计负荷下运行，通过调整其他机组的负荷来适应外界供暖负荷的变化。在外界温度较高的情况下，可以不启用热水锅炉，这样可以最大限度的利用供热机组和热泵机组来提高能量的利用品质和利用效益。

图2 采用热泵的热网水系统

2.3 热量平衡计算

吸收式热泵机组的热平衡方程为

Qc+Qa=Qg+Qe

其中，Qc为制冷剂蒸汽在热泵冷凝器中的放热量，Qg为蒸汽在发生器中的发热量，Qe为制冷剂在热泵蒸发器中的吸热量，Qa为制冷剂在吸收器中的热负荷。

在热泵机组中，冷凝器的放热量与吸收器的放热量之和为向热网水中提供的热量：

Qrw=Qa+Qc=Qg+Qe

系统热平衡及质量平衡的关系式分别如下。

1)汽轮机冷凝器中乏汽的放热量为

Qn=Dgn(hn-hn′)

2)循环冷却水的吸热量为

QCW=Qn=DCWCpw(tcwo-tcwi)

3)热泵机组蒸发器的吸热量(即从发电厂循环冷却水放出的热量)为

Qe=Qn=DCWCpw(tcwo-tcwi)

4)选取吸收式热泵的COP为1.7，且COP=Qrw/Qg=1+Qe/Qg，则驱动热泵需要的抽汽热量为

Qg=Qe/(COP-1)

5)热泵向热网的放热量为

Qrw=Qa+Qc=Gg+Qe。

其中，Dn为汽轮机的排汽量；Dg为汽轮机中用于热泵的抽汽量，Dnetw为热网水的流量(热泵冷凝器中的工质流量)，DCW为发电厂循环冷却水的流量(热泵蒸发器中的工质流量)。

该机组冬季的平均排气量为20 t/h，可以回收的冷凝水热量为13.2 MW，循环冷却水流量为1 600 m3/h，在热泵蒸发器中循环冷却水温度下降7 ℃，驱动热泵的蒸汽放热量为18.86 MW，其对应的抽汽量为27.2 t/h，则热泵向热网水提供的总热量为31.1 MW，可使1 500 m3/h的热网水温度升高18.4 ℃。若取热网回水温度为45 ℃，则热网回水通过热泵加热后，温度可以达到63.4 ℃。

2.4 经济分析

该项目拟采用2台16 MW的吸收式热泵，回收1#机组循环冷却水中的13.2 MW余热，预计每年可回收余热17.2万GJ。该供暖区域的新建住宅较多，其平均供热负荷为50 W/m2，通过系统回收的热量可满足26.6万m2的供热负荷。热泵设备、厂房及辅助设备的总投资为2 200万元。该地区住宅采暖和商用采暖价格分别为28元/m2和32元/m2，若按85%收费率计算，年增热费为(28×0.7 + 32×0.3)×0.85×26.5=657.7万元。如果采用效率为85%的热水锅炉直接供热，满负荷运行时，煤耗量为6 900 t，按实际运行的平均负荷为50%计算，在1个采暖季节可以节煤3 450 t。

因为该系统新增了热泵系统、循环水泵及热网水泵，电耗势必会增加。其中，热泵系统中的溶液泵耗电为80 kW，水泵耗电为240 kW，该热电厂的上网电价为0.56元/(kW·h)，则需要多支出电费。因为汽轮机的排汽背压提高了，发电量减少了400 kW。采用热泵回收循环水的热量后，循环冷却水不经过冷却塔，可以减少循环冷却水的损失(一般上塔循环水损耗率为1%)，则在1个采暖期可以节水55 800 t，按水价2元/t计算，可以节省资金11.16万元。其他的支出包括维护费、税费、管理费及采暖期内的人工费用等。

采用热泵循环后，该热电厂年净收入为481.6万元，总投资为2 200万元，不考虑贷款及利息的情况下,其资金静态回收年限为4.57年，若按银行贷款利率为6.5%计算，资金动态回收年限为5.62年。

表1 年运行收益表

3 机组发电效率，能量利用系数和效率分析

表2和表3是不同工况下的火用平衡和热平衡计算结果。由此可见，汽轮机的进汽量和凝汽器的排汽量保持不变，采用热泵后，系统回收了凝汽器中冷却水的热量。热泵发生器中的蒸汽来自原供暖抽汽，现在保持该热泵改造机组的供暖抽汽量不变，因为回收了余热，则该机组总的供热能力提高。采用热泵回收凝汽器循环水的热量后，其机组的能量利用系数相对提高了19.5%。因为汽轮机的排汽压力提高了，其发电效率相对减少了3.36%，但是其机组总的效率相对提高了0.33%，所以不论从能量的数量,还是从能量的能级利用上来分析,采用热泵技术回收热电厂循环冷却水的低温余热是有利的。与纯凝汽工况比较,机组采用抽汽供暖运行和热泵回收技术后,其效率有更显著的提高，其社会效益也非常显著：每年可节约标准煤3 450 t，还可以减少二氧化碳、二氧化硫、灰渣和氮氧化物的排放。采暖期间可以节约冷水塔循环水近5万t，也提高了热电厂的供热能力。

表2 不同工况下机组火用平衡比较

表3 不同工况下机组热平衡比较

通过对其他工况进行计算，因为采用不同的新蒸汽流量和不同的供暖及工业抽汽量，其机组的发电热效率和能量利用系数是有一定的区别。采用热泵后，机组的发电热效率有较小的下降，因为汽轮机的排汽压力提高之后，其蒸汽在汽轮机中的焓降减小，但是机组的能量利用系数有较大的提高，效率变化不明显，所以采用热泵后可以有效的提高机组的经济效益和社会效益。图3为采用热泵前机组的发电热效率，图4为采用热泵前机组的能量利用系数。

图3 机组的发电热效率

图4 机组的能量利用系数

4 结 语

通过采用吸收式热泵回收热电厂汽轮机排汽的余热，在投资和占地不大的情况下，可以提高电厂的供热能力和经济效益，减少了燃煤的消耗及环境污染。通过对已完成改造的热电厂的运行结果分析可知，回收冷凝器余热后，供热机组的能量利用系数有较大的提高，其能量的能级利用也有部分提高，不仅提高了经济效益，也创造了较好的社会效益。采用吸收式热泵是一种非常好的改造热电厂的方式，如果有冷量的需求，可以采用热、电、冷联产的方式充分地对能源进行阶梯利用，特别是长期需求热能的工商业，可以全年运行，其效率将更高。

[1]蓝 玉.利用电厂余热的水源热泵空调系统的研究[D].大连.大连理工大学，2005.

[2]马最良,姚 杨，姜益强，等.热泵技术应用理论基础与实践[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] 赵 虎，阎维平，郭江龙，等.利用吸收式热泵回收电厂循环水余热大的方案研究[J].电力科学与工程，2012，28(8)：64-68.

[4]刘凤友,高建民.600 MW亚临界空冷机组仓汽余热回收供热改造研究[J].沈阳工程学院学报：自然科学版，2014，10(3)：225-227.

(责任编辑 张 凯 校对 佟金锴)

Economic Analysis for Absorption Heat Pump Recycling the Waste Heat in Thermal power Station

WANG Pei-bin1，GENG Ning2，LI Yuan1,SANG Zheng-jun3

(1.College of Energy and Power,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136; 2. Shenyang Huanggu Thermal Electrical Co Ltd,Shenyang 110035;3.Generating Department,Liaoning DiaoBingshan Coal Gangue Power Plant Co.,Ltd,Tieling 112700,Liaoning Province)

Steam turbine exhausted steam discharges a large amount waste heat into the atmosphere in thermal power station. The absorption heat pump can recover the waste heat and heat the heating net water,increase the capacity of heat supply,reduce water consumption in cooling tower,and reduce coal consumption as well as emission pollution. After reformed with absorption heat pump,the unit's thermal efficiency and exergy efficiency increase effectively through analysis and calculation,in the same time the economic efficiency increase significantly.

Absorption Heat Pump; Waste Heat of Circulation Water; Economic Analysis; Energy Saving and Emission Reduction

2015-01-14

王培斌(1961-)，男，山东龙口人，副教授，硕士。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.03.006

TU833

A

1673-1603(2015)03-0219-04