溴化锂Ⅰ类吸收式热泵在热电厂中的应用

随着国民经济的发展，节能降耗已成为企业可持续发展的重要条件之一。国家发改委、能源局、财政部于2012年联合发布了《关于开展燃煤电厂综合升级改造工作的通知》，通知中明确了对节能降耗力度较大的企业给予一定的资金奖励、优惠贷款、优先调度的鼓励措施，纯凝机组供热改造（包括热泵）被列为重点节能措施。热泵是能够把热量从低温热源传递到高温热源的节能设备。它是以消耗一部分高品位能源为代价，从低品位热源中获取能量，并能同所消耗的高品位能源一起向用户供热，从而有效利用低品位热能。

目前，利用热泵技术提取发电厂凝汽器循环水余热的节能方案，得到许多发电企业的重视，成为北方电厂一项重要节能措施。在发电厂中应用的热泵技术主要是溴化锂Ⅰ类吸收式热泵。

1 溴化锂吸收式热泵的工作原理

溴化锂吸收式热泵是利用水的蒸发、冷凝，以及溴化锂水溶液吸收及解析水蒸气的循环过程中产生传热作用的设备。其主要组成部件有蒸发器、吸收器、冷凝器及发生器。为进一步提高效率，在发生器和吸收器之间放置了溶液热交换器。根据这些主要设备的组合情况不同，可分为Ⅰ类吸收式热泵和Ⅱ类吸收式热泵。

Ⅰ类吸收式热泵，是以消耗高温热源作为代价，通过向系统输入高温热能（蒸汽、燃料），提取低位热源（废热）的热能，并以中温形式供给用户。

Ⅱ类吸收式热泵，是在不供给其他高温热源的条件下靠输入的中温热能（废热）驱动系统运行，将其中一部分热能品位提高，成为高温热水或蒸汽送至用户，另一部分则排放至环境。

目前在热电厂中主要应用溴化锂Ⅰ类吸收式热泵，其系统流程见图1。

制冷剂液体（水）先从蒸发器的喷淋装置喷淋到传热管上，吸收了传热管内流动的热源水（凝汽器循环水）的热量而蒸发成低温冷剂蒸汽进入吸收器，低温冷剂蒸汽在吸收器内被溴化锂浓溶液喷淋吸收，成为稀溶液，在吸收过程中放出热量加热应用水，此应用水进入冷凝器。

稀溶液由泵输送到发生器内，受到外界高温热源的加热，产生高压冷剂蒸汽，同时溴化锂溶液浓度提高，成为浓溶液，经换热器放热进入吸收器。高压冷剂蒸汽进入冷凝器凝结放热成冷剂水，同时进一步加热应用水。能效系数（COP），即：可利用的能量与输入能量的比值。溴化锂吸收式Ⅰ类热泵的COP大约在1.5～1.7 之间。其可以利用15～40℃的废热源，将20～50 ℃的应用水加热成50～90℃的热水。

图1 溴化锂吸收式热泵系统流程图

2 溴化锂Ⅰ类吸收式热泵相关参数的选择

2.1 驱动汽源压力

蒸汽型第Ⅰ类溴化锂吸收式热泵机组的驱动热源为0.2～0.8 MPa的蒸汽。当驱动热源压力升高，对应饱和温度升高，当冷凝压力一定的条件下发生器内溴化锂浓溶液浓度增大，进而使放气范围增大，产生的高温水蒸气量增多。当驱动热源压力大于0.45 MPa后，对COP的影响越来越小，因此从热量品位和热经济性上考虑，过高的驱动蒸汽压力并不合理。

热泵系统COP随驱动热源压力增加而升高，先增加很快，后逐渐趋于平缓，见图2。

图2 驱动热源蒸汽压力与COP的关系

2.2 热水出口温度

第Ⅰ类溴化锂吸收式热泵机组的供热热水温度与余热水出口温度及供热热水进口温度有关，余热水出口温度越高，热泵机组能够提供的供热热水温度越高。第Ⅰ类溴化锂吸收式热泵机组的升温特性见图3。

图3 第Ⅰ类溴化锂吸收式热泵机组升温特性

余热水出口温度须高于5℃。供热热水的出口温度比余热水出口温度高约40～60℃，供热热水的温升幅度和加热蒸汽的压力有关。

2.3 热水温升幅度

溴化锂吸收式热泵的热水入口温度（tw1）、驱动蒸汽压力与热水出口温度（tw2）的关系见图4：热水升温幅度越大，则对应的驱动蒸汽压力越高。

2.4 余热水出口温度

余热水温度（电厂循环水）变化不仅影响汽轮机背压，也对热泵的运行产生影响。从热泵蒸发器出来的余热水温度决定系统的蒸发压力，因此余热水出口温度对系统性能有较大影响。当余热水出口温度升高时，相应的蒸发压力升高，使吸收器内浓溶液吸收水蒸汽能力增强，吸收终了稀溶液中溴化锂的质量分数下降，放气范围（即发生器浓溶液与吸收器吸收终了稀溶液的浓度差）增大，故使COP 升高。余热水出口温度与COP的关系曲线见图5。

图4 第Ⅰ类吸收式热泵热水入口温度与出口温度的关系

图5 余热水出口温度与COP的关系曲线

3 溴化锂Ⅰ类吸收式热泵在热电厂的应用

3.1 热电厂供热情况

某热电厂装机容量为2×600 MW 亚临界凝汽机组，后通过供热改造实现对外供热，目前承担着约15×106m2供热面积。当地采暖期179 天（4 296 h），采暖期室外计算温度－26 ℃，采暖期平均温度－9.5 ℃，采暖期室内计算温度18 ℃。采暖综合热指标为54 W/m2。

由采暖期实际一级网供回水数据统计，供热期内一级网供热回水温度在42～60 ℃，供水温度在60～105℃，热网循环水量约为13 000t/h。具体数值见表1。

3.2 供热系统中增设热泵方案

根据溴化锂Ⅰ类吸收式热泵的工作原理，拟采用热泵机组回收发电厂凝汽器冷源损失的低温余热，提高发电厂热效率，以达到节能减排的目的。采用热泵后，在供热量及发电量不变的情况下，由于回收了余热，可以节省一定量的采暖抽汽，减少了锅炉的燃煤量；锅炉燃煤量和汽轮机发电机组发电量不变的情况下，可以增加热电厂的供热面积，增加热收益。

表1 供热参数

热泵机组在热电厂内系统流程见图6：厂外热网循环水回水首先经热泵机组升温后，进入尖峰热网加热器加热后送出。在供暖初期和末期如果热泵机组出口的水温满足热用户要求，可以直接送出至热用户。

3.3 热泵选型参数的确定

3.3.1 热网循环水流量

热网循环水流量的选取应按照供暖期实际运行的、稳定的热网循环水流量选择。如果实际运行的热网循环水流量与热泵机组设计的热网循环水流量差别较大，将会影响热泵机组的能效指标。

采暖系统的一级网一般采用变流量－质调节的运行方式，其中在采暖初期和末期热网循环水流量略有变化，而在采暖期的大部分时间内，热网循环水流量基本恒定，通过调节热网首站的送出温度来调节供热量。如果供暖初末期的热网循环水流量变化较大，则选择热泵时要充分考虑热泵机组的变工况能力，或在配置热泵时，热泵的单台容量不宜过大，使运行中可通过改变热泵运行数量来适应热网循环水流量的变化。

热网循环水流量的数值应通过分析近几年热网实际运行统计数据后合理确定。本工程的热网循环水流量确定为13 000t/h。

3.3.2 热网循环水回水温度

图6 溴化锂吸收式热泵供热方式系统流程图

热网运行时，热网循环水回水温度是随着室外温度的改变而变化的。在供暖的初期和末期室外温度高，用户要求的供水温度较低，因此回水温度相对也较低；而在供暖中期，回水温度变化不大。热泵选型时的设计热网循环水回水温度应合理选取，尽量使热泵长时间工作在额定工况范围内，使其具有较高的能效指标，一般根据近几年热网循环水供回水温度变化曲线确定。图7为本工程采暖期的热网循环水供回水温度变化曲线，供热期内一级网回水温度在42～60 ℃，供水温度在60～105 ℃，大部分时间内的回水温度接近60℃，最终确定热泵选型时热网循环水回水温度为59 ℃。

图7 采暖期热网循环水温度曲线

3.3.3 驱动汽源参数

热泵的驱动汽源来自汽轮机采暖抽汽，一般供热汽轮机的采暖为可调整抽汽，即：采暖抽汽的压力和流量可通过汽轮机的供热调节机构调节，以维持稳定的蒸汽参数和流量变化需求。

本工程的600 MW 凝汽机组通过改造后，采暖抽汽也为可调整抽汽。根据采暖期运行时电网调度的发电需求及发电厂供暖期的实际运行数据：600 MW 机组在采暖期发电功率不低于400 MW，采暖抽汽参数通过调节机构可维持在0.6 MPa（a），300 ℃。

因此，本工程热泵驱动汽源参数确定为在0.6 MPa（a）、300 ℃。

3.3.4 余热水参数

发电厂冬季供暖期运行时，由于进入凝汽器排汽量减少，同时冬季凝汽器入口循环水温度低，考虑循环水的经济运行方式，相比非采暖期时循环水总量近乎减半运行。除供暖初末期，循环水温度循环水温度在30～35℃区间外，其余阶段循环水温度基本在22～28 ℃区间波动。

综合考虑采暖期凝汽器出口循环水实际运行温度、热泵选型时合理的余热水温度及凝汽器出口循环水温度升高后对发电的影响等因素，本工程热泵选型时热源水入口温度确定为32 ℃。

4 热泵选型方案

4.1 配置原则及热泵选型参数

热网循环水全部经过热泵机组，热泵机组只利用一台600 MW 机组的凝汽器循环水余热。热泵机组承担最小热负荷，以使整个采暖期热泵机组始终处于满负荷、高效运行状态。当热泵出口的热网循环水温度不满足供热要求时，启用尖峰热网加热器。热泵选型的边界条件为：热网循环水量为13 000t/h，热网回水温度为59 ℃，驱动汽源压力为0.6 MPa（a），余热水温度为32 ℃等。

该方案共配置8台热泵，制热量为32 127kW，泵出口的热网循环水温度为76℃，温升为17℃，热泵参数见表2。

此种热泵配置方案，在整个采暖期热泵均可处于满负荷运行，热泵设备利用率高，设备投资少。

4.2 运行经济性

电厂采用热泵机组后，提取了凝汽器循环水余热对外供热，提高了发电机组热效率，在供热量和发电量不变的前提下，节省了锅炉的燃煤消耗。测算的运行经济指标见表3，采暖期年总供热量是热泵机组提取的余热和采暖蒸汽供热量之和。采暖期机组发电量与供热量相同时节约的标煤量，已考虑采用热泵时采暖期凝汽器背压提高对汽轮机运行指标的影响。

5 结论

由于溴化锂吸收式热泵技术具有投资高、占地面积大、变工况性能较差等问题，因此在选型时要综合考虑，此外还应注意下列问题。

表2 热泵参数

表3 运行经济指标

a.掌握溴化锂吸收式热泵的原理、性能特点等；掌握驱动蒸汽参数、热网回水温度、热源参数等对热泵性能参数及能效的影响。

b.掌握热网及发电机组运行参数及特点，为热泵机组的选型提供详实数据资料，如：整个供暖期间热网运行参数的变化规律、发电机组采暖期的发电负荷、汽轮机背压变化、凝汽器循环水运行方式及水温变化等。

c.选型时要先合理确定边界条件，如：热网循环水回水温度、驱动蒸汽参数、热网循环水流量、热源参数等数值，使热泵工作时尽量维持额定参数运行，维持较高的能效水平。

d.配置的容量越大，采暖期回收的余热越多，发电厂的热效率越高，但是由于随着热泵容量的增大，其投资及日常运行、维护费用也随之增加，因此，热泵的综合经济效益，需同时考虑投资及运行经济性，泵的配置方案需进行综合经济比较后确定。