电厂循环水水源热泵供热系统的热经济性研究

张国柱1，李 恒，张钧泰1，邱寅晨1，王进仕

(1．大唐(北京)能源管理有限公司，北京 10097； 2.西安交通大学 能动学院，陕西 西安 710049)

0 前言

水源热泵技术是利用以水为载热介质的低温低品位热能资源，基于压缩式热泵原理，通过少量的高品位电能的输入，实现低品位热能向高品位热能转移的一种技术，具有占地小、设置灵活、运行简单的特点[1]。以火电厂的冷却循环水为低温热源的水源热泵供热技术，在英国曾作为节能技术进行推广。近年来，我国电力和热力事业迅猛发展，为推广热泵供热创造了有利条件。

国内不少学者对此开展了研究。朱锴锴[2-3]分析了各因素对热泵性能的影响，并用实验进行了验证；同时研究了热泵系统在大温差运行条件下的能耗特性。柳玉春等[4]提出将两种不同工质的热泵系统进行串联，分两级加热热网水，进而提高供水温度，提高系统整体的经济性。袁方等[5]对比了循环水水源热泵、循环水-江水水源热泵、吸收式热泵等三种集中供热技术方案的可行性与收益。马闯等[6-7]对单机水源热泵、双机水源热泵串联机组和并联机组三种方式进行了研究，得出水源热泵串联机组整体能耗低、更节能的结论；此外对比了直接抽气供热与循环水水源热泵供热两种方式的热经济性，计算分析认为当抽气温度达到188℃时，采用水源热泵供热比抽气供热更为节能。刘传玲和宋昂[8]给出了火电厂采用循环水水源热泵供热的临界供热温度计算模型，在现有的热泵技术条件下，只有末端采用低温辐射采暖的用户可以考虑采用循环水水源热泵进行供热。张赟和朱斌帅[9]对比了吸收式热泵与压缩式热泵用于电厂供热改造的经济性；孙天宇等[10]从工程实例进行计算分析，发现600 MW机组应用水源热泵回收汽轮机排汽余热的回收期在3.96年。综合来看，目前的相关研究主要集中在热泵性能、连接方式、供热可行性、热经济性和技术经济性等方面，其中有关热经济性的研究还不全面，有待加强。

循环水水源热泵供热方式利用了火电厂冷源损失，但消耗了电能；抽汽供热方式减小了冷源损失，但损失了蒸汽的做功。因此，火电厂循环水水源热泵供热的热经济性可归结为热泵供热耗功与供热抽汽做功损失之间的比较，该比较体现了热功转化中能量品质的差异。本文基于此提出了电厂采用循环水水源热泵进行供热的可行性判据，为压缩式热泵在供热领域工程应用提供理论指导。

1 电厂循环水水源热泵供热系统计算模型

考虑目前电厂循环水系统的布置方式和热泵系统的特点，提出如图1所示循环水水源热泵供热系统：从机组凝汽器出来的循环水分别经过电厂冷却塔及热泵蒸发器，构成并联的冷却方式。热泵系统通过蒸发器从循环水吸收低品位热量，再经过热泵压缩机提质，最后经冷凝器释放热量加热热网给水从而对外供热。

图1 电厂循环水水源热泵供热系统示意图

在图1所示的系统中，采用制热系数COP来表征热泵的性能，其定义式为

(1)

式中Qh——热泵的供热量/kW；

Pe——热泵供热耗电量/kW。

理想压缩式热泵循环为逆卡诺循环，由两个等温和两个等熵过程组成，低温热源与高温热源的温度在循环中始终保持不变，为恒温热源；另外整个循环中无熵增，为可逆过程。逆卡诺循环制热系数为

(2)

式中te——热泵蒸发温度/℃；

tc——热泵冷凝温度/℃；

COPc——热泵逆卡诺循环制热系数。

实际热泵性能系数COP总小于相同热源条件下理想热泵循环的性能系数COPc，采用制热循环效率ηci表征实际热泵制热循环的热力学完善度，定义为

(3)

将式(2)、式(3)代入式(1)得热泵供热耗功为

(4)

从式(4)可以看出，影响热泵供热耗功的因素包括热泵的供热量、制热循环效率、热泵的蒸发温度和冷凝温度，其中热泵的供热量取决于用户，制热循环效率取决于热泵设备技术水平。

1.1 热泵蒸发温度计算模型

对于如图1所示的系统，热泵蒸发温度满足如下关系

te=twe1-Δtwe-δte
Δtwe=twe1-twe2
te=twe1-Δtwe-δte

(5)

式中 Δtwe——循环水在经过热泵蒸发器时的温降/℃；

twe1——热泵蒸发器入口循环水温度/℃；

twe2——热泵蒸发器出口循环水温度/℃；

δte——热泵蒸发器换热端差/℃。

热泵蒸发器负荷为

Qe=Qh·(1-1/COP)

(6)

式中Qe——热泵蒸发器从循环水中吸收的热量/kW。

循环水在热泵蒸发器中的温降为

(7)

热泵蒸发器端差

(8)

式中Cw——水比热容/kJ·(kg·℃)-1；

Gwe——流经热泵蒸发器的循环水流量/kg·s-1。

因此热泵蒸发温度可按照式(9)计算

(9)

1.2 热泵冷凝温度计算模型

热泵冷凝温度为

tc=th+δtc

(10)

式中th——热泵供热温度/℃；

δtc——热泵冷凝器换热端差/℃。

热网水在热泵冷凝器中的温升Δtwn为

(11)

式中Gwc——流经热泵冷凝器的热网水流量/kg·s-1。

热泵冷凝器端差

(12)

因此热泵冷凝温度可按式(13)计算

(13)

1.3 电厂循环水水源热泵供热系统可行性判据

汽轮机抽汽供热损失了供热蒸汽在汽轮机中继续做功的能力，用Peh来表示，而压缩式热泵供热则要以消耗电能Pe为代价，所以两种供热方式热经济性比较的实质就在于Pe与Peh的比较。

循环水热泵供热耗功Pe如式(4)所示，而抽汽导致的汽轮机做功能力损失为

(14)

式中hcn——供热抽汽焓值/kJ·kg-1；

hn——汽轮机排汽焓值/kJ·kg-1；

tj——№j加热器抽口焓/kJ·kg-1；

ηj+1——№j+1能级的抽汽效率；

τr——水在r级加热器的焓升/kJ·kg-1；

ηr——r级加热器的抽汽效率；

ηm——机械效率；

ηg——电机效率。

引入单位供热负荷功耗差表征两种供热方式热经济性的差异

(15)

式中,Δη表示两种供热方式单位供热负荷功耗差。Δη>0，意味着抽汽供热更节能，在满足该条件的工况区间内建议采用抽汽供热；Δη<0，则热泵供热更节能，在满足该条件的工况区间内建议采用水源热泵供热；Δη=0，则抽汽供热和水源热泵供热经济性相同，可根据需要采用任一方式。

2 案例研究

本文选取某200 MW机组作为案例机组，对其采用抽汽供热和循环水水源热泵供热两种方式的热经济性进行对比，其主要参数如表1所示。其中机组额定供热工况对应的同负荷热泵供热工况为热泵运行基准工况，此时热泵蒸发温度与热泵蒸发器入口循环水温差及冷凝器端差均取为10℃。

图2所示为抽汽压力0.245 MPa、制热循环效率0.4时，不同供热负荷下Δη随热泵供热温度的变化。由图2可以看出，供热负荷越小时Δη越小，这是因为供热负荷越小时，在热泵蒸发器及冷凝器循环水不变的情况下，热泵蒸发温度越大而冷凝温度越小，此时热泵单位供热负荷耗功越小，从而使Δη越小。

表1案例机组主要参数表

项目数值额定功率/MW200主蒸汽压力/MPa12.7主蒸汽温度/℃535主蒸汽流量/t·h-1610.8供热抽汽额定压力/MPa0.245抽汽焓值/kJ·kg-13164.3冷凝器压力/MPa0.0052循环水温度/℃20

图2 不同供热负荷下Δη随热泵供热温度的变化

图3所示为在额定供热负荷下制热循环效率0.4时，不同供热抽汽压力下Δη随热泵供热温度的变化。由图3可知，供热抽汽级数越大即供热抽汽压力越大时，Δη越小，这是因为供热抽汽压力越大所引起的抽汽做功损失越大，而热泵单位供热负荷耗功不变，从而使得Δη越小。另一方面，在部分电负荷下，供热抽汽压力将降低，抽汽导致的汽轮机做功能力损失将随着抽汽压力的降低而减小，而热泵消耗电能不变，因此部分电负荷下热泵供热的经济性将变差。

图3 不同抽汽压力下Δη随热泵供热温度的变化

图4所示为在额定供热负荷下抽汽压力0.245 MPa时，不同制热循环效率下Δη随热泵供热温度的变化。由图4可知，热泵制热循环效率越高即热力学完善度越大，Δη越小，这是因为热力学完善度越大时，热泵单位供热负荷耗功越小，从而使得Δη越小。

图4 不同制热循环效率下Δη随热泵供热温度的变化

从图2～图4还可以看出，随着供热温度的增大，Δη持续增大，仅仅在供热温度较低的情况下Δη<0，这意味着供热温度越低，采用热泵供热的热经济性越好。

3 结论

(1)建立了电厂循环水水源热泵供热系统计算模型，通过对供热抽汽做功损失与循环水水源热泵供热耗功的比较，引入单位供热负荷功耗差指标定量表征热泵供热的热经济性，提出了电厂采用循环水水源热泵进行供热的可行性判据：在单位供热负荷功耗差大于零即热泵供热耗功大于供热抽汽做功损失的工况区间内建议采用抽汽供热；在单位供热负荷功耗差小于零即热泵供热耗功小于供热抽汽做功损失的工况区间内建议采用热泵供热；且单位供热负荷功耗差越小，意味着循环水水源热泵供热经济性越好；

(2)以某200 MW典型机组为案例进行了计算，发现供热温度越低、供热负荷越小、供热抽汽压力越大、热泵制热循环效率越高，火电厂采用循环水水源热泵供热的可行性越好。