回收乏汽余热的吸收式热泵性能及对机组调峰性能的影响

王雪峰, 张学镭, 卢家勇, 王进

(1.国网山西省电力公司电力科学研究院，太原市 030001；2.华北电力大学，河北省保定市 071003)

回收乏汽余热的吸收式热泵性能及对机组调峰性能的影响

王雪峰1, 张学镭2, 卢家勇1, 王进1

(1.国网山西省电力公司电力科学研究院，太原市 030001；2.华北电力大学，河北省保定市 071003)

采用吸收式热泵回收汽轮机乏汽余热用于供热，具有显著的节能效果。以某300 MW直接空冷供热机组为例，建立了基于热泵回收乏汽余热的供热机组性能计算模型，分析了供热量对热泵辅助供热系统性能的影响，研究了热泵辅助供热方式下机组的调峰性能。结果表明，回收乏汽余热的吸收式热泵性能系数为1.73，热泵辅助供热方式的效率较传统供热方式提高了15.6%。采用热泵辅助供热可节省供热抽汽64.7 t/h，机组净增功率11.1 MW。随着供热量的增加，热泵辅助供热系统中乏汽利用量及节省的汽轮机抽汽量增多，而机组净增功率先增加后减少。采用热泵辅助供热后，机组的可调峰范围扩大。

热泵；乏汽；余热利用；调峰

0 引 言

直接空冷机组在我国富煤缺水地区得到了大力发展。从热力学第一定律的角度看，经由冷端系统排放的热损失占到燃料总发热量的40%以上，虽然这些热能属于低品位热能，但是如果采用吸收式热泵回收乏汽余热用于供热，则可节省大量高品质的汽轮机抽汽，节能效果显著[1-2]。

李岩等[3-4]分别基于吸收式热泵和吸收式热交换器，提出了一种新型集中供热方案，可明显提升供热机组的供热能力。张学镭等[5]建立了回收循环水余热的热泵供热系统各关键部件的数学模型，计算了设计工况和变工况性能，并对传统供热方式和热泵供热方式进行了热力性能评价。Christian Keil等[6]对低温集中供热系统进行了研究，指出采用吸收式热泵可提高其供热能力。Hanning Li等[7]研究了利用混合吸收式热泵回收低品位余热进行海水淡化的可行性，得到了主要技术经济性指标。宰相等[8]提出利用热泵回收电厂循环水余热，并对整个联产供热系统进行了优化。吕炜等[9]结合工程实例，从技术和经济角度对回收循环水余热的供热系统进行了分析。魏潘[10]设计了基于开式循环吸收式热泵回收燃气潜热及水的系统，得到了主要性能参数及影响因素。Bahador Bakhtiari和Jason Woods等[11-12]开展了吸收式热泵的实验研究，得到了影响热泵性能系数的主要因素。

目前，回收乏汽余热的吸收式热泵供热系统具有广阔的应用前景，已引起国内外学者的广泛关注。但是，在分析吸收式热泵对机组热力性能的影响时，未考虑供热量变化对机组供热参数、热泵性能及机组性能的影响。另外，在供热机组也需要参与电网调峰的情况下，分析热泵辅助供热对直接空冷机组调峰性能的影响也尤为重要。为此，以某300MW直接空冷供热机组为例，建立了回收乏汽余热的热泵辅助供热机组热力性能计算模型，研究了不同供热量下热泵辅助供热系统的性能，分析了热泵辅助供热对机组调峰性能的影响。

1 回收乏汽余热的热泵辅助供热方式

图1为传统供热方式，只设置热网加热器，即汽轮机的抽汽直接进入热网加热器中，将热网水从 55 ℃加热至130 ℃左右。图2为热泵辅助供热方式，热网返回水依次通过吸收式热泵和峰载加热器吸热。溴化锂吸收式热泵依靠汽轮机抽汽驱动，可将热网返回水从55 ℃加热至85 ℃，同时回收部分汽轮机乏汽余热，而后再利用汽轮机抽汽在峰载加热器中将热网水从85 ℃加热至130 ℃。

图3为某300 MW直接空冷供热机组，共有7级回热抽汽。在中低压连通管上设置蝶阀，采暖用汽从中低压连通管引出。如图3所示，利用汽轮机部分抽汽，将进入发生器(G)的溴化锂稀溶液11加热，水汽化后，溴化锂稀溶液变为浓溶液12。溴化锂浓溶液通过溶液热交换器预热进入发生器的稀溶液10，而后进入吸收器(A)，在其中吸收来自蒸发器(E)的水蒸气17而变成稀溶液9。在吸收过程中放出的热量用于加热热网水1，溴化锂稀溶液9被泵打入发生器，从而完成溶液的循环。发生器中受热汽化的水蒸气14则进入冷凝器(C)被冷凝成水，其放出的热量也被用于加热热网水。冷凝器内凝结形成的水15节流后进入蒸发器，在其中被汽轮机乏汽加热成饱和蒸汽17，而后进入吸收器，被从发生器来的浓溶液13吸收，如此反复循环。热网返回水则依次在吸收器、冷凝器和峰载加热器内吸热，而后给热用户供热[5]。

图1 传统供热方式Fig.1 Traditional heating supply mode

图2 热泵辅助供热方式Fig.2 Heat pump heating supply mode

图3 原则性热力系统Fig.3 Thermal system of principle

2 数学模型

2.1 供热式机组热力性能计算模型

以热耗保证(THA)工况作为机组热力性能计算的基准工况。如图3所示，将调节级定义为第0级组，将汽轮机压力级按抽汽口位置划分为8个级组。变工况下机组的热力性能由弗留格尔公式及各回热加热器热平衡方程计算得到。

变工况下调节级级后压力按照式(1)计算

(1)

式中：p2表示级组后的压力，MPa；G为通过级组的流量，t/h；下角标d表示设计工况。

利用调节级级后压力和调节级效率即可确定调节级级后蒸汽的温度、焓和熵。

根据弗留格尔公式，对于采暖抽汽口之前的级组(第1～5)，其级组后压力按式(2)计算；对于采暖抽汽口之后的级组(第6～8)，其级组后压力根据式(1)计算。

(2)

式中：p0表示级组前的压力；T0表示级组前的温度；下角标0表示级组前参数；下角标2表示级组后参数。

整个机组的热力性能计算从前往后依次计算，计算流程如图4所示。确定了各级组前后的状态及流量，即可得出给定主蒸汽量和供热抽汽量下汽轮发电机组的功率。

2.2 热泵关键部件数学模型

为简化计算，系统建模基于以下假设：系统内工质为稳定流动状态；蒸发器、冷凝器出口工质为饱和状态，吸收器、发生器出口的溴化锂溶液为饱和溶液；忽略换热器的热损失；工质流经节流阀为绝热节流过程；热网水物性参数恒定；溶液泵效率取66%。溴化锂溶液物性参数按文献[13]中的拟合公式计算。

2.2.1 蒸发器

在蒸发器中有：

Dm(h6-h7)=Ds(h17-h16)

(3)

式中：Dm、Ds分别为汽轮机乏汽和工质(水或水蒸气)的质量流量，kg/s；h6、h7分别为乏汽焓及乏汽所形成的凝结水焓，kJ/kg；h17、h16分别为蒸发器出口和进口饱和蒸汽焓，kJ/kg。

蒸发器端差定义为乏汽压力所对应的饱和温度与蒸发器压力下的饱和温度之差，即：

Δte=t7-t17

(4)

式中Δte为蒸发器端差，℃。

图4 供热机组热力性能计算Fig.4 Performance calculation of heating units

2.2.2 吸收器

在吸收器中有：

Dsh17+DRLBh13=DLLBh9+Drcp(t18-t1)

(5)

DRLB+Ds=DLLB

(6)

DRLBζ13=DLLBζ9

(7)

式中：DRLB、DLLB分别为溴化锂浓溶液和稀溶液流量，kg/s；Dr为热网水流量，kg/s；h13为进入吸收器溴化锂浓溶液焓值，kJ/kg；h9为离开吸收器溴化锂稀溶液焓值，kJ/kg；t18为吸收器出口热网水温度，℃；t1为热网返回水温度，℃；cp为水的质量定压热容，kJ/(kg·℃)；ζ13为进入吸收器的溴化锂浓溶液质量浓度；ζ9为离开吸收器的溴化锂稀溶液质量浓度。

吸收器端差定义为吸收器出口溴化锂稀溶液温度与热网水出口温度之差，即：

Δta=t9-t18

(8)

式中Δta为吸收器端差，℃。

2.2.3 发生器

在发生器中，有：

Dsh14+DRLBh12=DLLBh11+Dj1(h3-h4)

(9)

DRLBζ12=DLLBζ11

(10)

式中：h14为发生器产生过热蒸汽焓值，kJ/kg；h12为发生器出口溴化锂浓溶液焓值，kJ/kg；h11为进入发生器的溴化锂稀溶液焓值，kJ/kg；Dj1为热泵耗汽量，kg/s；h3、h4为抽汽焓和返回热力系统疏水焓，kJ/kg；ζ11为进入发生器溴化锂稀溶液的质量浓度；ζ12为离开发生器溴化锂浓溶液的质量浓度。

2.2.4 溶液热交换器

在溶液热交换器中，有：

DRLB(h12-h13)=DLLB(h11-h10)

(11)

ζ11=ζ10=ζ9

(12)

ζ12=ζ13

(13)

式中h10为进入溶液热交换器的溴化锂稀溶液焓值，kJ/kg。

2.2.5 冷凝器

发生器产生的过热水蒸气在冷凝器中凝结，放出的热量用于加热热网水，根据能量平衡：

Ds(h14-h15)=Drcp(t8-t18)

(14)

式中：h15为冷凝器压力下的饱和水焓，kJ/kg；t8为冷凝器出口热网水温度，℃。

冷凝器端差定义为冷凝器压力下的饱和温度与热网水出口温度之差，即：

Δtc=t15-t8

式中Δtc为冷凝器端差，℃。

2.2.6 程序框图

热泵性能计算如图5所示。

3 热泵辅助供热系统的热经济性分析

3.1 热经济性指标

3.1.1 热泵性能系数

热泵性能系数为

(15)

式中：ηCOP为热泵性能系数；QE为蒸发器热负荷， kW，QE=Dm(h6-h7)；QG为发生器热负荷， kW，QG=Dj1(h3-h4)。

(16)

式中：T0为环境温度，K，本文取273.15 K；e为比，kJ/kg；s为比熵，kJ/kg；Dj为汽轮机抽汽量，对于热泵辅助供热方式，Dj=Dj1+Dj2，Dj1、Dj2分别为热泵和峰载加热器的耗汽量，对于传统供热方式，Dj为热网加热器的耗汽量；Ppu为溶液泵的耗功率， kW；下角标1、2分别表示热网返回水及峰载加热器出口热网水的状态；下角标3、4分别表示供热抽汽及其所形成疏水的状态。

令Ppu=0，则传统供热方式的效率也可用式(16)计算。

图5 热泵性能计算Fig.5 Performance calculation of heat pump

3.1.3 机组功率

采用热泵供热方式后，由于回收了部分汽轮机乏汽余热，使机组供热抽汽量减少，机组功率增加。机组增加功率按供热式机组热力性能计算模型计算，并考虑了溶液泵耗功的增加。机组净增功率为

ΔP=ΔP1-Ppu

(17)

式中ΔP1为机组增加功率， kW。

3.2 计算结果

以某300 MW供热机组为例，对回收汽轮机乏汽余热的热泵辅助供热系统进行了计算，其主要设计参数如表1所示。

表1 设计参数
Table 1 Design parameters

设计工况下，吸收式热泵辅助供热方式的计算结果如表2所示。由表2数据可得，热泵性能系数为1.73，传统供热方式的效率为76.3%，热泵辅助供热方式的效率为91.9%，提高了15.6个百分点。采用热泵辅助供热可节约汽轮机抽汽64.7 t/h，机组功率增加11.2 MW，溶液泵消耗功率0.1MW，则机组功率净增加11.1MW。

当热网水流量发生变化时，供热系统的对外供热量将改变，从而将导致系统性能发生变化，如图6所示。随着热网水流量的增加，在热网水供、回水温度不变的情况下，其供热量将线性增加。采用热泵辅助供热后，随着供热量的增加将使乏汽利用量增多，从而节省的汽轮机抽汽量增加。

图7比较了传统供热方式和热泵辅助供热方式对机组功率的影响。从图中可以看出，随着供热量的增加，2种供热方式下机组功率均下降。但是，机组的净增功率并非随着节省供热抽汽量的增加而增加，而是先增大后减少。主要原因是当供热量较大时，中压缸排汽压力将降低，例如，THA工况下供热抽汽量为400 t/h时中压缸排汽压力为0.55 MPa，当供热量增加到500 t/h时，其压力降至0.4 MPa，从而导致供热抽汽在中压缸中的做功增多，汽轮机功率随供热量增加而下降的趋势变缓，如图7所示。因此，机组净增功率随着供热量先增加后减少，存在一个最佳值。当供热量为250～280 MW时，最大净增功率为11.2 MW。

表2 计算结果
Table 2 Calculation results

图6 热网水流量对系统性能的影响Fig.6 Influence of heating water flow

图7 供热量对机组功率的影响Fig.7 Influence of heating load on unit power

4 热泵辅助供热对调峰性能的影响

图8是热泵辅助供热对机组调峰性能的影响。从图8可以看出，当供热量一定时，机组存在最大和最小负荷，机组进汽量最大时为最大负荷工况，机组进汽量最小时为最小负荷工况，而机组的最小进汽量主要受低压缸最小流量限制。随着供热量的增加，机组的最大负荷降低，而最小负荷增加，最大负荷与最小负荷之差越来越小，机组的可调峰范围缩小，这说明在较高供热量的情况下，机组的调峰性能变差。

图8 热泵供热对机组调峰性能的影响Fig.8 Influence of heat pump on peak regulation capability of unit

采用热泵辅助供热后，由于汽轮机的供热抽汽量减少，在相同供热量的情况下，机组的最大负荷将增加，而最小负荷降低，因此机组的可调峰范围扩大了。在供热量为280 MW时，机组的可调峰范围从83 MW增加到119 MW。

5 结 论

以某300 MW供热机组为例，建立了回收乏汽余热的热泵辅助供热机组热力性能计算模型，研究了不同供热量下热泵辅助供热系统的性能，分析了热泵辅助供热对机组调峰性能的影响。取得的主要结论有：

(2) 随着供热量的增加，热泵辅助供热系统中乏汽利用量及节省的汽轮机抽汽量增多。但机组净增功率却先增加后减少，存在一个最佳值。

(3) 采用热泵辅助供热后，在相同供热量的情况下，机组的最大负荷将增加，而最小负荷降低，机组的可调峰范围扩大。在供热量为280 MW时，机组的可调峰范围从83 MW增加到119 MW。

[1] 杨旭，周涛，汝小龙，等. 核电厂温排水余热综合利用模式研究[J]. 电力建设， 2013，34(6): 56-59. YANG Xu, ZHOU Tao, RU Xiaolong, et al. Comprehensive utilization mode of thermal discharge residual heat in nuclear power plants [J]. Electric Power Construction 2013, 34(6): 56-59.

[2] 郭江龙，李琼，温燕，等. 电厂循环水余热利用工程中热泵制热性能系数测试不确定度分析[J]. 电力建设，2013，34(4): 55-57. GUO Jianglong, LI Qiong, WEN Yan, et al. Coefficient of performance test uncertainty analysis on heat pump of circulating water waste heat utilization project [J]. Electric Power Construction, 2013, 34(4): 55-57.

[3]LI Yan，FU Lin，ZHANG Shigang，et al.A new type of district heating system based on distributed absorption heat pumps[J].Energy，2011(36)：4570-4576.

[4]LI Yan，FU Lin，ZHANG Shigang，et al.A new type of district heating method with co-generation based on absorption heat exchange (coah cycle)[J].Energy Conversion and Management，2011，52(2)： 1200-1207.

[5] 张学镭，陈海平. 回收循环水余热的热泵供热系统热力性能分析[J]. 中国电机工程学报，2013， 33(8): 2-8. ZHANG Xuelei, CHEN Haiping. Thermodynamic analysis of heat pump heating supply system with circulating water heat recovery[J]. Proceedings of the CSEE，2013，33(8)：2-8.

[6]KEIL C，PLURA S，RADSPIELER M，et al.Application of customized absorption heat pumps for utilization of low-grade heat sources[J].Applied Thermal Engineering，2008，28(16)：2070-2076.

[7]LI Hanning，Russell N，ShariV，et al.Techno-economic feasibility of absorption heat pumps using wastewater as the heating source for desalination[J].Desalination，2011(281)：118-127.

[8]宰相，张光.以电厂循环水为热泵低温热源的联产供热系统的冷端优化[J].现代电力，2011，28(1)：62-65. ZAI Xiang，ZHANG Guang.Optimization of cold end system of CHP with WSHP using circulating water of power plant[J].Modern Electric Power，2011，28(1)：62-65.

[9]吕炜，陈晓峰，左川.循环水余热利用在火力发电厂的应用[J].华北电力技术，2011(11)：27-28. LÜ Wei，CHEN Xiaofeng，ZUO Chuan.Utilization of recycled water waste heat in thermal power plant[J].North China Electric Power，2011(11)：27-28.

[10]魏潘，张士杰，肖云汉.开式循环吸收式热泵系统变工况性能研究[J].工程热物理学报，2009，30(7)：1081-1085. WEI Pan，ZHANG Shijie，XIAO Yunhan.The off-design performance of open cycle absorption heater transformer [J].Journal of Engineering Thermophysics，2009，30(7)：1081-1085.

[11]BAKHTIARI B，FRADETTE L，LEGROS R，et al.A model for analysis and design of H2O-LiBr absorption heat pumps [J].Energy Conversion and Management，2011(52)：1439-1448.

[12]WOODS J，PELLEGRINO J，KOZUBAL E，et al.Design and experimental characterization of a membrane-based absorption heat pump[J].Journal of Membrane Science，2011(378)：85-94.

[13]贾明生.溴化锂溶液的几个主要物性参数计算方程[J].湛江海洋大学学报，2002，22(3)：52-58. JIA Mingsheng.Several main calculating equations of properties parameter of LiBr-H2O[J].Journal of Zhanjiang Ocean University，2002，22(3)：52-58.

(编辑 刘文莹)

Performance Analysis of Absorption Heat Pump with Exhaust Steam Heat Recovery and Its Influence on Peak Regulation Capability

WANG Xuefeng1, ZHANG Xuelei2, LU Jiayong1, WANG Jin1

(1.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute, Taiyuan 030001, China;2. North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

Heat recovery from exhaust steam based on absorption heat pump can be used for heating, which has remarkable energy saving effect. Taking a 300 MW direct air-cooled heating unit as an example, this paper constructs the calculation model for heating unit performance based on heat pump with exhaust steam heat recovery, analyzes the influence of heating load on the heating supply system with heat pump, and studies the peak regulation capability of the unit with heat pump heating supply system. The results show that the performance coefficient of absorption heat pump with heat recovery from exhaust steam is 1.73, and the exergy efficient of heat pump heating supply system increases by 15.6 % compared with that of the traditional system. The heat pump heating supply system can save extraction steam of 64.7 t/h, and the net power increment is 11.1 MW. With the increase of heating load, the recovery exhaust steam increases in heat pump heating supply system, which saves more extraction steam of turbines; while the net power increment increases and subsequently decreases. The peak regulation capability is improved by heat pump recovering heat from exhaust steam.

heat pump; exhaust steam; heat recovery; peak regulation

TM 611

A

1000-7229(2016)04-0138-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.04.021

2016-02-19

王雪峰(1973)，男，硕士，高级工程师，主要从事汽轮机试验及故障诊断处理、冷端系统节能及优化运行等工作；

张学镭(1977)，男，博士，副教授，主要从事热力性能分析及冷端系统优化等工作；

卢家勇(1972)，男，学士，高级工程师，主要从事汽轮机热力试验及节能诊断工作；

王进(1980)，男，学士，工程师，主要从事汽轮机调试及试验研究工作。