两种回收电厂余热热泵系统的经济性对比

钟标军,邓观华,陈雪清,童　蕾

( 广东机电技术学院 电气学院，广州 510550 )

两种回收电厂余热热泵系统的经济性对比

钟标军,邓观华,陈雪清,童蕾

( 广东机电技术学院 电气学院，广州 510550 )

[摘要]本文采用吸收式热泵或压缩式热泵对电厂的余热进行回收。通过具体事例对吸收式及压缩式余热节能的机理进行分析和经济性比较。计算结果表明，吸收式热泵的经济性较好，采用吸收式热泵每年获取总收益比压缩式的高2065万元。

[关键词]余热回收；冷凝热；压缩式热泵；吸收式热泵；经济性分析

前言

循环水温度一般仅比环境温度高10℃左右，热能品位较低，不能直接用于居民供热，但循环水流量和温度都较为稳定，有利于采用热泵技术吸收循环水中冷凝热用于集中供热[1]。根据热泵不同的驱动源可分为压缩式和吸收式两种，目前国内都有相关的示范工程应用。本文旨在从运行热经济性角度，比较利用热泵回收循环水冷凝热技术应用于250MW及以上大型供热机组时压缩式和吸收式热泵的经济性。

1热泵回收电厂余热的节能机理

应用热泵回收电厂循环水冷凝热用于集中供热的技术是以消耗一部分驱动能量作为补偿条件，提取循环水中低品位的冷凝热量，使之转换为高品位的能够利用的热能[2]。

1.1　压缩式热泵回收电厂余热的节能机理

1.1.1工艺流程

压缩式热泵采用电力作为驱动能源，主要由吸热盘管、压缩机、膨胀阀和散热盘管4部分组成，通过让工质不断完成蒸发(吸取循环水中的冷凝热量)→压缩→冷凝(放出热量转移至热网循环水)→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将循环水中的冷凝热量转移到热网循环水中，工艺流程图如图1所示。

图1　压缩式热泵工艺流程图

1.1.2换热计算数学模型

如图1所示，根据发电量和供热量选定锅炉型号，可以确定锅炉的输出蒸汽量Q，蒸汽离开锅炉的温度t1。蒸汽流经汽轮机输出电能G后剩下蒸汽余热为Q1。根据能量守恒：

Q=Q1+G

(1)

蒸汽通过凝汽器散出的热量为Q1，凝汽器循环冷却水吸收的热量为Q2，不考虑传热损失则：

Q1=Q2

(2)

凝汽器散出的热量包含了显热与潜热两部分。显热热量的多少与被加热物质及温升有关，C为物体的比热，t2为蒸汽进入凝汽器的温度，由汽轮机计算求得，t3为蒸汽凝结后离开凝汽器的温度，凝汽器入口蒸汽压力对应的相变热为r，qm为蒸汽量，则：

Q1=qmr+C qm(t2-t3)

(3)

在凝气器中进行能量传递，由式(2)可得：

Q2=Cpqm2(t4-t5)

(4)

△T1=t2-t5

(5)

△T2=t3-t4

(6)

qm2为凝汽器循环冷却水流量。根据对数平均温差公式，K为传热系数，F为换热面积，联合式(5)、式(6)，则：

(7)

联合式(2)、式(3)、式(4)、式(7)可以得出t4、t5。t4、t5分别为凝汽器循环冷却水进出口温度。在热泵蒸发器中：

Q1=Q2=Q3

(8)

根据对数平均温差公式得：

△T3=t4-t6

(9)

△T4=t5-t7

(10)

(11)

联合式(8)、式(9)，式(10)，式(11)可得出t6、t7。根据得出的蒸发器入口温度t6，压缩机入口温度t7可查得焓值h6，h7。qr为制冷剂流量，计算出吸收的热量Q3则：

Q3=qr(h7-h6)

(12)

压缩机做功为W。已知h7可查表得出h8，冷凝器放出的热量QK则为：

(13)

(14)

(15)

根据式(12)、式(13)、式(14)、式(15)，由迭代法算出压缩机的功率，根据结果可以进行热泵系统选型。

对于理想的压缩式热泵制热循环，如果忽略其它热损失，则由热力学第一定律可得如下热平衡关系式:

Qk=Q3+W

(16)

式中，Qk为冷凝器的热负荷制热量，即热网循环水吸热量；Q3为蒸发器的热负荷，即提取的电厂循环水冷凝热；W为压缩机耗功。

压缩式热泵制热性能系数COPx为:

(17)

1.2　吸收式热泵回收电厂余热的节能机理

1.2.1工艺流程

吸收式热泵采用蒸汽作为驱动能源，主要由吸热盘管、散热盘管、吸收器和发生器4部分组成。吸收式热泵与压缩式热泵最大的不同在于没有压缩机，而是通过溴化锂溶液在发生器和吸收器的循环过程中质量分数温度和水蒸气压的变化，起到压缩机的作用[3]。其中：吸收器起着相当于压缩机吸气行程的作用，将蒸发器中生成的冷凝蒸汽不断抽吸出来，以维持蒸发器内的低压；发生器起着压缩机压缩行程的作用，产生高压高温的冷剂蒸汽[4]。工艺流程图如图2所示。

图2　吸收式热泵工艺流程图

1.2.2换热计算数学模型

对于理想的吸收式热泵制热循环，如果忽略溶液泵的机械功和其它热损失，由式(1)～(12)式可得出Q3，根据热力学第一定律可得如下热平衡关系式：

Q3+Qg=Qa+Qk

(18)

式中Qg为发生器热负荷，即驱动蒸汽在发生器的放热；Qa为吸收器热负荷，即热网循环水在吸收器的吸热；Qk为冷凝热负荷，即热网循环水在冷凝器的吸热量。

吸收式热泵制热性能系数COPy为：

(19)

吸收式热泵热力系数取1.7,则可按下式计算吸收式热泵对一级管网回水的加热功率Φa(制热功率)。

Φa=ε g Φg

(20)

(21)

Φa为吸收式热泵对一级管网回水的加热功率；ε为吸收式热泵热力系数；Φg为蒸汽在发生器中放热的热流量；qm为蒸汽的质量流量；hs为蒸汽的比焓；hw为凝结水比热。

2回收电厂余热热泵系统的经济性比较

2.1　系统热力计算

热电联供系统运行时，用户需供热量和汽轮机发电量均由锅炉提供。在算例中，锅炉需要提供250MW供热量和300MW的发电量。分别采用了压缩式和吸收式系统对低品位热源余热回收热，250MW的供热量由系统提供，可以节省生产250MW供热量的蒸汽量。而且减少蒸汽量，可以减小锅炉和汽轮机的装机容量，降低系统初投资。

锅炉输出压力为70bar、输出温度为400℃，汽轮机效率为0.8，凝汽器出口压力0.027bar、蒸汽压降为0bar、水压降为1bar，冷却水温升5K，凝汽器出口泵效率0.75，除氧器出口压力为3bar、压降0bar，锅炉入口压力80bar，锅炉入口泵效率0.75，冷却塔出口水温15℃、出口压力1bar，冷却塔入口泵出口压力4bar、效率0.75，凝汽器进出口管路压损分别为3bar和2bar[5]。供热量为250MW，用户端水温从35℃加热到50℃，发电量为300MW。

由文献[6]可得：蒸汽的价格是54元/GJ。供热采暖抽气压力为0.33MPa(饱和蒸汽热值为2720 kJ/kg)，每年运行4个月120天，每天24小时计算。电价每度电(千瓦/时)0.5元。如果改造压缩式设备，则费用是5988万元，如果改造吸收式系统，则费用是9175万元。

根据上述热力参数条件，代入式(1)～(17)计算，结果见表1。

表1主要设备的能耗

发电量300MW供热量250MW锅炉耗能928MW压缩式热泵功耗57.85MW吸收式加热功率95.29MW

经济性分析：

热电联供系统运行时，整年工作供热时间T，一年内用户需供热量蒸汽收益M1，如果采用了压缩式或吸收式系统对低品位热源余热回收热，则一年内节省费用为M2，则：

一年内的运行时间为：T=x·t·s=24×3600×120=10368000(s)

(22)

其中，x为一年的运行天数；t为一天的小时数。

一年内所需的蒸汽能量为：E=T·q=10368000×250÷1000=2592000(GJ)

(23)

其中，T为一年内的运行秒数；q为单位时间的供热量。

一年内产出的蒸汽收益为:M1=G·E=54×2592000=1.4(亿)

(24)

其中，G为单位质量蒸汽价格；E为一年内产出的蒸汽能量。

一年内节省蒸汽的费用为:M2=G·Q=1992211×54=1.1(亿)

(25)

其中，G为单位蒸汽价格；Q为一年内节省的能量。

2.2　压缩式与吸收式余热回收热泵经济性比较

2.2.1压缩式余热回收热泵经济性分析

(1)供热指标50W/m2，采用本余热回收系统可扩大供暖500万m2，余热资源较大，具有较高的节能潜力。

(2)将数据代入上述数据模型可得：

热效益结果如下：

一年内热泵系统耗电量为：

H=h·T=10368000×57.85÷1000=599789(GJ)

(26)

其中，h为热泵单位时间的耗电量；T为一年内运行时间。

一年内压缩式热泵内耗电费为：

M3=y·h×0.5=0.5×599789×106÷3600=8400(万元)

(27)

其中，y为每度电电费；h为单位时间耗电量。

由式(25)、式(27)可得出压缩式余热回收系统一年内总共收益My，投资费用是5988万元，投资收益比为Ry，则：

年内总收益:My=M2-M3=1.1×104-8400=2600(万元)

(28)

(29)

2.2.2吸收式余热回收热泵经济性分析

一年内所耗的蒸汽能量：Z=T·F=10368000×95.297÷1000=988039.30(GJ)

(30)

其中：T为一年内运行时间，F是吸收式加热功率。

一年内所耗的蒸汽费用：M4=988039.30×54=5335(万元)

(31)

由式(25)、式(31)可得吸收式余热回收系统一年内总共收益Mx，投资费用是9175万元，投资收益比为Rx，则：

年内总收益：Mx=M2-M4=1.1×104-5335=5665(万元)

(32)

投资收益比：

(33)

2.2.3经济性比较

配置两种热泵换热机组的经济性比较见表2，热价按54元/GJ计算，电价按0.5(kW·h)计算。

由表2可计算得，配置吸收式热泵的换热机组年净收益为5665万元，增加造价9175万元[7]。

表2配置两种热泵换热机组的经济性比较

配置热泵类型压缩式热泵吸收式热泵 投资费用(万元)59889175 年节省的蒸汽能量的钱(万元)1100011000 年热泵耗电的费用(万元)840014 年耗蒸汽的费用(万元)05335 总共年收益(万元)26005665 投资收益比(万元)43%61%

分析以上数据可知，配置吸收式热泵的换热机组经济性较优，采用吸收式热泵每年获取总收益比压缩式的高2065万元。从技术上分析，压缩式热泵耗电量过高，其每年的耗电量比吸收式高599789GJ。配置吸收式热泵的换热机组，不仅耗电量低而且不会对上游热电厂的蒸汽需求量有较大影响，有利于热电厂的安全运行。因此，建议换热机组配置吸收式热泵。

3结论

热泵技术是近年来备受关注的新能源技术，特别是热泵制取高温热水技术的完善发展，使得电厂循环水冷凝热回收用于城市集中供热成为可能。本文将两种形式的热泵回收电厂循环水冷凝热系统进行经济性比较，得到如下结论：

(1)从能量利用角度，无论热泵采用哪种驱动形式，应用热泵技术回收电厂循环水冷凝热都是节能的。每年可节省蒸汽费用1.1亿。

(2)本文通过计算比较可知，吸收式热泵系统的经济性比压缩式热泵系统的经济性更有优势，采用吸收式热泵每年获取总收益比压缩式的高2065万元。

(3)余热回收热泵系统技术上可行，经济效益明显。适合作为电厂及其周边小区的集中供热制冷系统，整个系统稳定可靠、舒适性较高，充分体现了系统的经济性、节能性、环保性的优点，可在有条件的地区大力推广。

4参考文献

[1] 吴星，付林，胡鹏．电厂循环水供热技术的研究与应用[J]．区域供热，2008，(4):4-7，32

[2] 庞可，潘诚．锅炉减温水对汽轮机组热经济性的影响[J]．热力发电，2010，39(12):10-13

[3] 赵虎.吸收式热泵回收电厂循环水余热的技术经济性研究[D].北京：华北电力大学，2013

[4] 刘志真．1000MW超临界机组高加蒸汽冷却器设置的探讨[J]．电力建设，2008，29(10):52-55

[5] 王讲义，王刚.某电厂余热回收制热水的工程实践[J].制冷，2011，34(8)：79-80

[6] 陈萍,李信谊.热泵回收汽—水热力站凝结水余热的技术经济性分析[J].煤气与热力，2013，(33)11：38-40

[7] 郭江龙,常澍平，冯爱华，等.压缩式和吸收式热泵回收电厂循环水冷凝热经济性分析[J].汽轮机技术，2012，54(5):379-380，388

Comparision of Economy between two Heat Pumps for Recycling Waste Heat in Power Plant

ZHONG Biaojun,DENG Guanhua,CHEN Xueqing,TONG Lei

(Guangdong Mechanical and Electrical College,Guangzhou 510550)

Abstract：Using absorption type or compression type heat pump technology to recycle the circulating water condensing heat in power plant.The technological process of waste heat recovery and energy saving mechanism by using heat pump system was introduced in this paper,and the comparision of economy between two pumps was showed.The calculation showed that economy of the absorption type heat pump was better,total revenue each year of the absorption type heat pump was 20.65 million yuan higer than the compression type.

Key words:Heat recovery；Condensing heat；Compression heat pump；Absorption heat pump；Economic analysis

[中图分类号]TQ051.5[文献标示码]B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.01.016

文章编号：ISSN1005-9180(2015)01-080-05

作者简介：钟标军(1994-),男，大专生，研究方向：制冷系统科学用能研究。Email:704577154@qq.com

收稿日期：2014-10-8