汽机热泵联合系统的提出及经济性初探

赵　麒，刘丽莘，韩风毅，马　爽，王　琛

(长春工程学院能源动力工程学院，长春 130012)



汽机热泵联合系统的提出及经济性初探

赵麒，刘丽莘，韩风毅，马爽，王琛

(长春工程学院能源动力工程学院，长春 130012)

摘要：通过减温减压器的热力学分析，得出蒸汽中约20%的高品质能量经过减温减压器后被浪费。基于能量梯级利用原理，提出了汽机热泵联合(combined turbine and heat pump，简称CTHP)循环系统，并从供热量、能源利用率与电厂收益三方面证明了系统的优越性。

关键词：减温减压器；能量梯级利用；汽机热泵联合循环供热系统

到2015年，我国热电联产装机规模已达到2.5亿kw，占火电装机规划的32%～35%。我国北方地区的供热普及率一般在60%～90%之间，其中单机容量在5万kw以下的中小供热机组共1 859台，占总装机量的87.65%[1-2]。早在20世纪五六十年代，我国就建立了许多凝汽式发电厂，但这些机组容量小，效率低，发电煤耗高，急需改造为热电联产系统[3]。火电厂的发电效率只有约40%左右，循环冷却水带走的热量约占热电厂总能耗的10%～30%[4]。利用了循环水的余热，可以减少冷却塔向环境散失的热量和冷却水的蒸发损失，降低进入器循环水的水温，提高电厂器的真空度，增加机组的发电功率[5-7]。

目前，凝汽电厂热电联产改造过程中存在的主要问题有两点：1)供热参数不经济。凝汽电厂热电联产供热改造时，常采用汽轮机中低压缸连通管打孔抽汽的方式，需要在外部进行减温减压，将抽出的热蒸汽经过降温减压器后，才能进入热网加热器，这将造成很大高品位能量的损失。2)冷却水热量浪费。(含抽汽式)机组采用循环冷却水来冷凝发电机组的排汽，循环冷却水散发的热量具有很好的利用价值。

为进一步提高电厂热电联产系统的能量利用率，降低污染，本文提出以小汽轮机同轴驱动复叠式热泵，代替原有减温减压器，利用了蒸汽在减温减压器中损失的高品位能量，同时回收部分循环冷却水的能量，达到节能减排的效果。

1减温减压器热力学分析

电厂抽汽供热改造能够使能源综合利用效率得到提高，节约能源消耗，使电厂的经济效益得到提高，但无论是小型还是大型电厂，供热抽汽压力均相对供热系统承受的压力高，抽汽必须经过减压才能利用。减温减压装置用在电站和工业锅炉及热电厂等处，将输送来的一次(新)蒸汽压力、温度进行减温减压，使其二次蒸汽压力、温度达到生产工艺所要求的数值，广泛用于电站、石化、轻工、冶金等工业部门及城市供热、供暖系统。

1.1减温减压器数学模型

减温减压器的工作过程主要是冷水与蒸汽进入该装置，依靠节流装置给高温高压的蒸汽降压，同时冷水为需降温减压的高温高压蒸汽降温，运行过程中冷水受热后分为两部分：一部分冷水汽化为水蒸气，与降温减压后的蒸汽混合后利用；另一部分冷水受热变为饱和水，流出减温减压器。进入与流出减温减压器的蒸汽存在一定的关系，可表示为：

(1)

式中：D1、Dls、D2、Ds分别为流入减温减压器蒸汽的质量、冷却水的质量、蒸汽流出的质量和流出减温减压器的饱和水的质量流量，kg/s；hin、hls、hout、hs分别为减温减压器单位质量进口蒸汽、冷却水、出口蒸汽和饱和水的焓值，kJ/kg；χ为饱和水量与冷却水量的比值，χ=Ds/Dls。

根据能量守恒与质量守恒原理，减温减压器中的流体还存在式(2)～(3)的关系：

D1×hin+Dls×hls=D2×hout+Ds×hs,

(2)

D1+Dls=D2+Ds。

(3)

1.2火用分析

减温减压器中涉及的工质分别为水和蒸汽，水和水蒸气的比焓和比熵可采用工业用IFC公式计算，IFC将水和水蒸气的性质公式扩展为6个区域，计算公式较为复杂，由于蒸汽和水的比焓和比熵均与此时的温度和压力相关，而热电联产所涉及的水与水蒸气的区域也较小，为计算分析方便，将本文所研究的未饱和水和过热水蒸气的火用值拟合为式(4)的二元二次函数：

e=a1+a2p+a3T+a4p2+a5T2，

(4)

式中：p为工质的压力，MPa；T为工质的温度，K。

拟合后的未饱和水和过热蒸汽的公式系数见表1。

表1　未饱和水和过热蒸汽火用值计算公式系数

对于饱和水和饱和蒸汽，温度与压力相对应，将本文所研究范围内的饱和水与饱和水蒸气的火用值分别拟合为抛物线和直线，即饱和水蒸气的火用值可由式(5)近似计算：

e=3.890 3T-775.148 7，

(5)

而饱和水的火用值可近似表示为：

e=0.004 3T2-2.066 3T+236.532 9。

(6)

对于某一个热力过程来说，火用损失率越小，说明高品位能量损失越少。减温减压器内蒸汽能量的火用损失率为：

(7)

假设减温减压器工作过程中，减温水全部变为蒸汽且没有汽水损失，即当χ=0时，此时减温减压器工作过程的火用损失最小。以进口蒸汽压力1.0 MPa，温度350 ℃(此时蒸汽的焓值与火用值分别为3 158.54 kJ/kg和1 163.61 kJ/kg)，进口蒸汽流量1 kg，冷却水压力0.1 MPa，温度为20 ℃，经减温减压器降低至压力0.2 MPa和0.3 MPa为例，如图1所示，减温减压器中蒸汽的火用损失随排汽温度的升高而降低，当排汽温度相同时，排汽压力越高火用损失越小，减温减压器的排汽温度与压力受热网加热器承压与耐温程度的限制。

图1　火用损失率随排汽温度变化曲线

图1还显示了减温减压器的火用损失率随减温减压器排汽温度的升高而降低，当χ=0时，排汽压力分别为0.2 MPa、0.3 MPa的火用损失率分别在20.5%～23.1%和15.9%～18.2%之间。

图2　排汽压力0.2 MPa时蒸汽的火用损失率

减温减压器的实际工作过程中，饱和水量与冷却水量的比值一般不为0，即χ≠0，如图2所示，相同饱和水量与冷却水量的比值和相同排汽温度情况下，排汽压力越低，减温减压器中蒸汽的火用损失越多；当排汽压力一定时，火用损失率随排汽温度的升高而减小；在排汽温度也相同的条件下，饱和水量与冷却水量的比值越大，火用损失率也越大，排汽温度从160 ℃上升至260 ℃，对应于χ=0.1和χ=0.5状态下的火用损失率分别在20.88%～23.98%之间和22.53%～27.63%之间。

2CTHP循环系统的提出

基于能量梯级利用原理与总能应用方法，本文提出采用电厂汽轮机中压缸抽汽驱动小汽轮机带动复叠式高温热泵工作，回收电厂循环冷却水余热供暖的CTHP(combined turbine and heat pump)，循环系统。

CTHP循环系统的流程图如图3所示，以减温减压器中蒸汽的高品位能量损失为动力，驱动高温复叠式热泵的压缩机回收循环冷却水的低温热量，其特征如下：

1)以汽轮机驱动复叠式高温热泵代替原有减温减压器，不影响发电机组正常工作，汽轮机与高温热泵及相关设备技术比较成熟，技术经济合理可行。

2)减温减压器中损失的高品位能量以机械能的形式加以利用，将回收的机械能驱动热泵的压缩机工作，在供热负荷不变的情况下，减少了供热用蒸汽的消耗，降低了供热能耗。

3)充分利用减温减压器中蒸汽损失的能量，将这部分能量转化为功加以利用，使系统的火用效率有所提高，满足能量的梯级利用原则。

图3　CTHP循环系统流程图

4)回收减温减压器中蒸汽能量，以电厂循环冷却水作为热泵的低位热源，通过热泵回收循环冷却水的能量，提高了联产系统的能源利用效率，节能效果明显。同时，CTHP循环系统的应用还可以节约燃料消耗量，减少灰渣、烟尘、二氧化硫及氮氧化物等污染物的排放。

CTHP循环系统的核心工作过程为：供热用抽汽从发电汽轮机的中压缸抽出，送至高温热泵机组的小汽轮机，驱动高温热泵机组的压缩机工作，小汽轮机的排汽进入热网加热器，热泵冷凝器将一次热网70 ℃左右的回水加热至80 ℃左右，再由热网加热器将采暖回水加热至一次网供水温度110～130 ℃；流出热网加热器的凝结水与发电凝结水混合经凝结水泵送回电厂锅炉；热泵装置的蒸发器与电厂器的循环冷却水换热，回收冷却水的低位热源，降低冷却塔散热负荷的同时，使废热得到了利用。

3CTHP循环经济性初探

CTHP循环系统的使用，会在能量利用与经济效益方面为电厂的热电联产带来一定的收益，本节在热经济性和技术经济性两方面初探新系统的经济性，预估系统的经济性。

3.1经济性指标

CTHP循环系统与原减温减压器供热系统的产品均为热能，本节从供热能力、能量利用率和电厂收益3个方面对系统的经济性进行分析。

3.1.1供热能力

供热能力主要比较CTHP系统与原减温减压器系统在消耗相同能源的情况下，两系统供热量的大小。减温减压器供热系统的供热量可表示为：

(8)

式中：Qh为减温减压器系统的供热量，MW；Dh为供热系统的抽汽量，t/h；h1为供热系统的抽汽焓，kJ/kg；hs为供热凝结水焓，kJ/kg；ηh为热网效率，本文取0.97。

电厂应用CTHP循环系统后，总的供热量为热泵制热量和热网加热器换热量之和：

(9)

式中：Qhp为CTHP循环系统的供热量，MW；Dhp为CTHP循环系统的抽汽量，t/h；h2为驱动压缩机的汽轮机排汽焓，kJ/kg；ηj为驱动压缩机的小汽轮机的效率；COP为热泵装置的性能系数。

3.1.2能量利用率

热电厂的一次能量利用率为输出的热、电两种产品的总能量与输入的总能量的比值，从能量数量上反映出一次能源的利用情况：

(10)

3.1.3电厂收益

电厂收益为电厂产品销售所得的净收入，即电能与热能的销售所得与燃料消耗费用之差。将CTHP循环系统嵌入电厂发电机组冷端进行供热，电厂的收益为：

(11)

3.2经济性分析

目前国内使用的350 MW抽凝机组的锅炉形式主要有超临界和亚临界锅炉2种类型，以哈汽和东汽两大汽轮机厂的350 MW机组为例，其技术参数对比见表2。

计算条件取热网供回水温度为130/70 ℃，驱动压缩机的小汽轮机的排汽温度与压力分别为180 ℃和0.3 MPa，效率为58%，热泵装置的制热性能系数为2.1。为了评价电厂应用CTHP系统供热的经济性，将新系统与原减温减压器系统的经济性指标进行比较分析，即原抽凝机组供热、发电为方案一，CTHP系统供热、抽凝机组发电的方式为方案二。设计抽汽压力、背压等计算参数见表2。

表2　350MW机组主要技术参数

与减温减压器供热相比，CTHP循环系统提高了蒸汽的供热效率，在相同抽汽量的情况下，能够增加供热面积，如图4，两方案在不同抽汽量下的供热量，方案二的供热量要比方案一的供热量大，随着抽汽量的增大，方案二相比方案一增加的供热量也在增大，在最大抽汽量时两方案的供热量分别为276.5 MW和321.8 MW，若以50 W/m2的热指标估算，方案二可比方案一多供热约90万m2。

图4　两方案供热量比较

图5显示了两方案的一次能源利用率均随抽汽量的增大而增大，且方案二的一次能源利用率增大更快，在最大抽汽量时，方案二的一次能源利用率增加了约4.3%，主要源于热泵回收利用了一部分循环冷却水的低温余热。

图5　两方案能源利用率比较

图6 显示了两方案的电厂收益随抽汽量变化情况，图中的热价取36元/GJ，避免采用按面积收取热价的不合理性，可以看出两方案的收益随供热抽汽量的增加而增大，说明热电联产相比纯发电的电厂具有更好的经济性，且供热抽汽量越大，两方案的收益相差越大，最大可达0.92万元/h，按采暖天数120 d估算，方案二每年可多收入约2 650万元，可以看出，CTHP循环系统的应用会为电厂带来更多的供热量，提升电厂的能源利用率并给电厂带来良好的经济效益。

图6　两方案的电厂收益

4结语

虽然减温减压器中蒸汽能量在数量上没有损失，但从能量的质量角度来看很多高品质能量被浪费。基于能量梯级利用原理，提出了CTHP循环系统，新系统在供热量、能源利用率与经济性方面都优于减温减压器系统。

参考文献

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The Proposition and Economic Primary Exploration of Combined Turbine and Heat Pump System

ZHAO Qi, etc.

(SchoolofEnergyandPowerEngineerin,ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：Through the thermodynamic analysis to the temperature and pressure reducer, the authors get the result that about 20% of the high quality energy of the steam is wasted after the temperature and pressure reducer. Based on the principle of energy cascade utilization, the combined turbine and heat pump (short for CTHP) system is put forward and the superiority of the system is proved from the heat supply, energy use rate and profits of power plant.

Key words：temperature and pressure reducer; energy cascaded utilization; combined turbine and heat pump system

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2016)01-0060-04

中图分类号：TK114

作者简介：赵麒(1982-)，男(汉)，辽宁鞍山，在读博士，讲师

基金项目：吉林省教育厅科学技术研究项目(120150044)

收稿日期：2015-12-30

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.014

长春工程学院种子基金(320140029)

主要研究建筑节能与热泵技术研究应用。