吸收式热泵技术回收循环冷却水余热的应用研究

马爱纯，梁鹰，欧俭平，蒋韬

(中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083)



吸收式热泵技术回收循环冷却水余热的应用研究

马爱纯，梁鹰，欧俭平，蒋韬

(中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083)

电厂的循环冷却水中含有大量低温余热，吸收式热泵技术可以回收部分冷却水低温余热用于加热凝结水。以某600MW抽凝机组为例，设计四种热泵应用方案，通过建模编程计算各方案的热泵性能参数，对比分析节能效果。研究表明：选用7抽抽汽驱动热泵加热8#低加段凝结水可使机组效率提高15.1%，发电煤耗降低0.51gce/kWh，节能效果较好。

吸收式热泵；余热回收；循环冷却水；应用研究

在有集中供暖需求的居民区或有集中供热需求的工业园区，可将电厂部分高温蒸汽抽出用来供热，这样可使能源得到梯级利用。电厂循环冷却水余热因其属低品位热源一直难以有效利用，随着热泵技术的成熟，国内外都有较多关于采用吸收式热泵技术进行余热利用的研究和应用[1-9]。Ilhami Horuz等[6]提出了一种应用于纺织厂的吸收式热泵余热回收优化模式，利用吸收式热泵回收热电联产系统产生的15t/h温度为90±2℃的热水中的余热，用来制备增压染色机所需要的120℃的热水。Agnese Lickrastina等[7]将双效溴化锂吸收式热泵应用于集中供暖地区的热电联产系统，利用热泵替代热电厂原有的冷却塔，可回收2MW的低温循环水余热。周振起等[8]研究了吸收式热泵回收电厂循环水余热的经济性，以300MW机组为例，供热负荷不变时可增加发电收入932万元/年，发电量不变时可增加供暖收益1746.4万元/年。刘明军等[9]利用吸收式热泵回收热电厂乏汽余热用于城市供热，并提出了工程应用时需要注意的几个关键问题。吸收式热泵余热回收机组的建模、仿真已引起国内外学者广泛关注，但对于热泵技术回收循环冷却水余热用于加热凝结水方面的应用研究较少。本文以某电厂一600MW机组为研究对象，为其设计几种不同的热泵应用方案并进行对比分析，得到节能效果最佳的方案。

1 余热回收方案设计

1.1 机组余热潜力分析

选取某电厂一600MW超临界抽凝式机组为研究对象，该机组采用开式循环冷却水作为凝汽器的冷却水，循环水出口温度为39℃，流量为62704t/h，该机组凝结水流量为1330t/h。该机组循环冷却水中存在一定的余热回收潜力，计划采用吸收式热泵技术回收一部分循环水余热，用于加热给水系统凝结水，并研究其节能效益。

常用的吸收式热泵能将水加热到90℃左右[10]，其具体的加热能力还会受到余热水温度及驱动热源温度的影响，该电厂的给水系统参数如表1所示。

表1 给水系统参数表

6#低加及以前的加热器凝结水进口温度已超过90℃，超出溴化锂吸收式热泵的加热能力范围，则可用热泵替代的加热器只有7#低加和8#低加；溴化锂吸收式热泵常用的驱动蒸汽压力范围为0.05～0.25MPa[10]，所以可用的汽源只有6抽和7抽，8抽的抽汽品质太低无法驱动热泵运行，1～5抽抽汽品质很高故用于汽轮机做功发电更为合适。

1.2 热泵余热回收方案设计

根据该汽轮机组给水系统参数，可设计4个吸收式热泵加热凝结水的方案，方案详情如表2所示。方案中凝结水进口温度均选择相应加热段低加的进口温度，凝结水出口温度及循环水出口温度则根据到采用的驱动蒸汽压力大小并考虑是否会产生溴化锂结晶危险进行相应选取，具体参数选取见表2。

表2 余热回收方案

2 数学模型

热泵系统原理如图1所示。循环冷却水进入蒸发器放热，产生的蒸汽3进入吸收器被稀溶液吸收，吸收过程产生的热量用于加热来自低压给水系统的凝结水，来自汽轮机的抽汽作为驱动蒸汽进入发生器放热使浓溶液中的水蒸发出来变成过热蒸汽1，然后进入冷凝器冷凝放热进一步加热来自吸收器的凝结水。

图1 吸收式热泵工作原理Fig.1 Working principle of absorption heat pump

不同方案的热泵性能参数不同，则改造后加热系统的能源利用效率不同，为了得到不同方案下的热泵热力性能参数，建立以下数学模型并进行计算。

2.1 模型假设

为了使计算得到简化，在建模过程中采取以下假设[11]：系统处于稳定流动状态，无流动阻力与压力损失；流动过程中热损失忽略不计；溴化锂溶液在吸收器终止状态为饱和溶液；蒸发器出口为饱和蒸汽，冷凝器出口为饱和水；溶液泵和工质泵的功率忽略不计。

2.2 关键部件数学模型

吸收式热泵各关键部件的数学模型如表3所示。

表3 关键部件数学模型

式中：Q为部件热负荷(下标g、a、c、e、t分别表示发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器、热交换器)，kW；q为物流的质量流量(下标con、cir、ds分别表示凝结水、循环水、驱动蒸汽)，kg/s；h为物流的焓，kJ/kg；t为物流的温度，℃；x为物流的浓度，%； G为稀溶液流量，kg/s；D为工质循环量，kg/s。其中数字下标对应图1中物流的位置。

2.3 计算程序框图

利用Matlab编程计算热泵热力参数，程序框图如图2。

图2 热泵热力参数计算程序示意图Fig.2 Flow chart of thermal parameter calculation

2.4 模型正确性验证

对所提出的关键部件数学模型通过选用文献[12]中对某第一类溴化锂吸收式热泵进行实验测试的结果进行对比验证。该吸收式热泵的运行参数见表4。

表4 某吸收式热泵工作参数

将表4中的参数代入热泵热力参数计算程序中计算得到该机组的性能系数COP为1.620，文献中该热泵机组COP的实验测试值为1.615，计算值与文献值的相对误差为0.3%，在合理误差范围之内，可认为所选用数学模型可靠，计算结果基本正确。

2.5 系统节能评价

(1)

式中：ηex——效率，%；

Tc′——凝结水出口温度，K；

Tc——凝结水进口温度，K；

T0——环境温度，取273.15K；

sh——抽汽入口比熵，kJ/kg；

sh′——抽汽疏水比熵，kJ/kg。

(2)发电煤耗减少量

采用等效焓降法计算汽轮机热力系统局部改变造成的发电煤耗变化。通过计算得到：8抽抽汽效率为12.9%，7抽抽汽效率为16.3%，6抽抽汽效率为23.4%，新蒸汽等效焓降H=888.3kJ/kg。机组基准发电煤耗bs=280.77gce/kWh，主蒸汽流量D0=1602.1t/h。

发电煤耗减少量的计算过程为：

Δb=bs×δηi

(2)

(3)

同级抽汽驱动热泵时：

(4)

高级抽汽驱动热泵时：

(5)

式中：Δb为发电煤耗减少量，gce/kWh；δηi为效率增量，%；ΔH为做功增量，kJ/kg；η为抽汽效率(下标：j表示第j级，L表示低级，H表示高级)，%。

3 计算结果及分析

将各方案的热泵机组设计参数代入计算程序计算，得到各方案的热泵性能参数，其中溴化锂溶液的物性参数按照文献[13]中的公式计算。各方案的热泵性能参数计算结果见表5。

表5 热泵性能计算结果

由上表可以看出，对于8#低加段而言，方案2的COP比方案1稍高，其原因可能是热泵的凝结水出口温度低，则冷凝压力和发生压力也低，机组消耗的驱动蒸汽热量少，从而导致机组的COP高，虽然驱动蒸汽的压力升高会产生相反的影响，但此处凝结水出口温度的影响程度较大。对于7#低加段而言，同理方案4的COP比方案3稍高。方案2的COP高于方案4，其原因是凝结水进出口温度均低于方案4，凝结水进出口温度降低均会导致COP升高，但冷却水出口温度低于方案4，冷却水出口温度降低导致COP降低，综合作用下方案2的COP略高于方案4。

根据计算得到的热泵性能参数，计算得到各个方案的节能评价指标见表6。

表6 节能评价指标

从发电煤耗减少量来看，对于8#低加段而言方案2的节能效果远优于方案1，方案1不能降低发电煤耗，其原因是使用的驱动蒸汽品质较高，而节省的蒸汽品质低，这部分蒸汽的做功能力不足以抵消消耗驱动蒸汽的做功损失。对于7#低加段而言，方案3的发电煤耗减少量稍高于方案4，虽然方案3采用的驱动蒸汽品质高于方案4，且COP稍低于方案4，但方案3提取的余热量更多，所以节能效果更好。

故加热8#低加凝结水，宜采用7抽抽汽作为热泵驱动热源，对应方案2；加热7#低加凝结水，宜采用7抽抽汽作为热泵驱动热源，对应方案3。方案2和方案3均可有效回收循环水余热，提高系统效率，降低发电煤耗，但方案2的效率增量和发电煤耗减少量都远优于方案3，更加经济可行。

4 结论

对一600MW抽凝式供热机组的吸收式热泵余热回收方案进行了设计，通过Matlab计算各方案的热泵热力性能参数，得到以下结论：

(1)对于8#低加段，节能效果较好的方案是采用7抽抽汽作为热泵驱动热源。通过该方案能够使得8#低加段系统效率提高15.1%，发电煤耗降低0.51gce/kWh。采用6抽抽汽驱动热泵不能降低发电煤耗。

(2)对于7#低加段，节能效果较好的方案则是采用6抽抽汽作为热泵驱动热源。通过该方案能够使得7#低加段系统效率提高11.7%，发电煤耗降低0.266gce/kWh。

[1]ROMERO RJ，RODRíGUEZ-MARTíNEZ A.Optimal water purification using low grade waste heat in an absorption heat transformer[J].Desalination，2008,220(1-3):506-513.

[2]LI Hanning,RUSSELL Nigel,SHARIFI Vida.Techno-economic feasibility of absorption heat pumps using wastewater as the heating source for desalination[J].Desalination,2011,281(1):118-127.

[3]薛岑,由世俊,张欢.利用蒸汽双效溴化锂吸收式热泵回收热电厂余热的研究[J].暖通空调,2014,44(1):101-104.

[4]王松,李德英.吸收式热泵在热电厂余热回收中的应用[J].区域供热,2013,(4):44-48.

[6]HORUZ I，KURT B.Absorption heat transformers and an industrial application[J].Renewable Energy,2010,35(10):2175-2181.

[7]LICKRASTINA A，TALCIS N，DZELZITIS E.Cogeneration unit with an absorption heat pump for the district heating system[J].HVAC&R Research,2014,20(4):404-410.

[8]周振起,崔春晖.电厂循环水吸收式热泵供热系统经济性分析[J].东北电力大学学报,2016,36(1):47-49.

[9]刘明军,葛茂清,卢尚有.吸收式热泵在热电厂乏汽余热回收领域的应用[J].流体机械,2013，41(2):83-87.

[10]夏立峰,肖冰,贺亚妮.热电厂循环冷却水余热回收技术应用[J].节能,2015,(5):37-39.

[11]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):1-9.

[12]翟金房.第一类吸收式热泵在集中供热系统中的应用研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2013.

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Application study on waste heat recovery from circulating cooling water by using absorption heat pump technique

MA Aichun，LIANG Ying，OU Jianping，JIANG Tao

(School of Energy Science and Engineering，Central South University ，Changsha 410083，China)

There is a lot of low temperature waste heat in circulating cooling water in a power plant.Part of the waste heat can be recovered to heat condensed water by using absorption heat pump technique.Four heat pump application schemes were designed for a 600MW extraction condensing turbine.The heat pump performance parameters of each scheme were calculated by modeling and programming，and the energy efficiency was compared and analyzed.The result shows that the exergy efficiency increases 15.1% and the power produce fuel consumption reduces 0.51gce/kWh when the condensed water of 8# low pressure heater is heated by an absorption heat pump system which is drived by 7th extraction steam.

absorption heat pump；waste heat recovery;circulating cooling water；application study

1672-7010(2017)03-0050-06

2017-03-24

马爱纯(1973-)，女，湖南株洲人。副教授，博士，主要从事能源利用与节能优化方面的研究。

TK11+5

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