300 MW热电联产机组吸收式热泵非采暖季运行方案研究

薛清元，周 策，刘 刚，王海峰，王占强

(1.大唐东北电力试验研究院，吉林 长春 130012；2.大唐国际发电股份有限公司张家口发电厂，河北 张家口 075000)

0 引言

我国进入“十三五”以来，随着工业化、城镇化进程的加快，社会的能源需求呈现刚性增长，节能减排形势严峻、任务艰巨[1]。发电企业作为主要能耗单位，切实响应国家节能政策，提高能源利用率，显得更为重要。火电厂只能利用输入燃料中大约35%的能量，未能利用的大部分热量被循环冷却水带走[2-3]。为了利用这部分能量，一些供热机组选择利用吸收式热泵提取循环水余热供给热网。赵斌、王力彪等[4-5]为此展开了许多研究工作。热泵在采暖季运行利用了大量余热，却无法实现循环水余热的全年利用，关于热泵在非采暖季运行，何晓红、崔可等[6-7]分别从利用余热供生活热水和预热凝结水两个使用途径进行了研究，本文在此基础上，针对300 MW等级热电联产机组的特点，以某机组为研究对象，对其吸收式热泵在非采暖季的运行方案进行研究。

1 机组基本参数

以东北地区某2×300 MW亚临界燃煤供热机组为研究对象，其汽轮机为哈尔滨汽轮机厂有限公司设计制造的亚临界、一次再热、双缸双排汽、单轴、单抽，C250/N300-16.7/537/537型汽轮机，使用8级回热加热给水，额定背压4.9 kPa，后配套建设7台35 MW吸收式热泵，以第五段抽汽作为驱动蒸汽，利用循环水余热加热热网水，主要参数如表1中所示。

表1 单台热泵主要额定参数

2 利用热泵供生活热水技术经济分析

为落实环保政策，2015年以来，全国各省市陆续整改、拆除燃煤小锅炉，长期需要生活热水的热用户相继采用直接购买热水的方式进行经营。例如，洗浴业一般需求温度为70～80 ℃的热水，供热机组通过新增储水罐、板式换热器、热水循环泵等设施，即可在非采暖季为热用户提供生活热水，其系统图如图1所示。

图1 热泵供热水系统图

2.1 制取70 ℃热水方案

该供热机组具有生活热水负荷2 000 t/天，由货车将热水运送至用户侧，热水送出后不再返回。本方案将来自市政15 ℃的自来水加热至70 ℃，储存在储水罐中，热负荷约128 MW，投运热泵机组即可满足要求，无需启动热网加热器。考虑到此时热网水流量较小，在供热管道中流动，存在着较大的热损失，而且热水在装车、运送时也将存在热损失，故将热网供水温度设定为75 ℃。自来水温度为15 ℃，与热泵额定热网回水温度相差较大，故利用热水循环泵将一部分制备好的热水送回自来水入口，两者混合后达到40 ℃左右，再进入换热器中换热，以防止热网回水温度过低对热泵产生影响。

2.2 制取80 ℃热水方案

制取80 ℃的热水时，需要热网供水温度达到85 ℃，溴化锂吸收式热泵出口的热网水温度不能过高，此时需要在非采暖季投运热网加热器，热网水在流经热网加热器时由75 ℃被加热至85 ℃，之后进入换热器进行换热。

2.3 技术经济分析

利用等效焓降法[8]对热力系统进行分析计算，得到机组在制取70 ℃和80 ℃热水时的技术经济指标，如表2中所示。在计算中：热泵的驱动蒸汽和热网加热器的加热蒸汽均视为来自机组第五段抽汽，其焓值为3 019.9 kJ/kg；忽略投运热泵对汽轮机背压的影响；取冷水价格5元/t[6]；标准煤价格800元/t。

表2 制取热水方案主要参数对比

由表中数据可知，机组在非采暖季投运热泵提供生活热水，出售热水的收益大于多耗燃料的成本，具有良好的经济效益，供70 ℃热水与80 ℃热水相比，供80 ℃热水利润更高。

3 利用热泵预热机组凝结水技术经济分析

利用热泵提取循环水余热预热凝结水，这种运行方式具有管理维护方便、设备初投资小、回收余热不受热用户影响等优点[9]。将轴封加热器后40 ℃的凝结水引出，进入热泵系统，加热至80 ℃后返回各级加热器，因为机组在THA工况下7号加热器出口凝结水温度为83 ℃，所以此时热泵系统相当于取代了7号、8号低压加热器，其系统流程如图2所示。

图2 热泵预热凝结水系统图

3.1 第五段抽汽驱动热泵方案

以第五段抽汽作为热泵驱动蒸汽，利用等效焓降法[8]对热力系统进行分析计算，得到其技术经济指标与机组THA工况下运行的对比情况如表3中所示。在计算中，取机组年利用小时数为5 000 h。

表3 第五段抽汽驱动热泵预热凝结水工况主要参数对比

可以看出，使用第五段抽汽驱动热泵预热凝结水的运行方式并不节能，造成热耗率上升的主要原因是蒸汽做功能力的降低。抽取第五段抽汽作为热泵驱动蒸汽，其焓值为3 019.9 kJ/kg，质量流量为10.14 kg/s，如果不抽取这部分蒸汽，使其进入低压缸做功，取低压缸排汽焓2 373.1 kJ/kg，忽略低压缸内效率损失，可以做功6 549.43 kW。

驱动蒸汽进入热泵后，和循环水余热一同加热凝结水，排挤七号、八号加热器抽汽，使这部分抽汽可以继续在低压缸做功，七号抽汽，其焓值为2 641.1 kJ/kg，质量流量6.63 kg/s；八号抽汽，其焓值为2 495.3 kJ/kg，质量流量5.66 kg/s，取同样排汽焓的条件下，额外做功共计2 468.492 kW。

驱动蒸汽进入热泵损失的做功能力多于排挤低压抽汽节约的功，最终使机组热耗率上升。

3.2 第六段抽汽驱动热泵方案

将热泵驱动蒸汽切换为第六段抽汽，其压力为1.87 MPa，焓值为2 823.7 kJ/kg，经现场试验得出：热泵在此参数下运行时，与在额定参数下运行相比COP基本不变。通过分析计算，其技术经济指标如表4中所示。

表4 第六段抽汽驱动热泵预热凝结水工况主要参数

可以看出，使用第六段抽汽驱动热泵，与使用第五段抽汽相比，汽轮机热耗率有所降低，但仍不节能。由于第七段抽汽的参数已不足以驱动热泵，如使用比五段抽汽更高品位的蒸汽则损失更大，所以只利用汽轮机级间抽汽驱动热泵预热凝结水的技术路线均不节能，应当利用尾部烟气余热[10]等不影响机组做功的热源作为驱动热源，级间抽汽仅作为辅助、备用热源使用。

3.3 其他热源驱动热泵方案

使用汽轮机级间抽汽、主再热蒸汽以外的热源驱动热泵预热凝结水，可以保证在回收循坏水余热的同时不影响机组做功。假设该热源参数满足热泵需求，不需辅助热源，机组在此方式下运行的技术经济指标如表5中所示。

表5 其他热源驱动热泵预热凝结水运行主要参数

机组在此方式下运行，可以使汽轮机热耗率降低约60 kJ/kW·h，降低标准煤耗率约2 g/kW·h，具有良好的经济效益。鉴于预热凝结水所需热负荷较小，在不超过热泵额定制热能力的情况下，亦可与提供生活热水的方案同时进行改造，以期得到更高水平的收益。

4 结论

(1)以某300 MW供热机组为研究模型，针对其吸收式热泵在非采暖季的运行方式，提出了供应70 ℃、80 ℃生活热水的方案，两方案均具有良好的经济效益，供应80 ℃热水与供应70 ℃热水相比，利润更高。

(2)利用汽轮机级间抽汽驱动热泵预热凝结水不能达到节能目的，机组能耗随抽取驱动蒸汽品位增高而升高。如果采用级间抽汽、主再热蒸汽以外的热源，机组在此方案下运行可以降低汽轮机热耗率60 kJ/kW·h。

(3)机组通过技术改造，在非采暖季运行热泵，可以在全年时间范围内利用循环水余热，提高能源利用率，节约成本，达到节能减排的目的。