循环水吸收式热泵供热联产机组性能分析

第55卷第6期2013年L2月汽轮机技术TURBINETECHN0L0GYV0155NO6DEC2013循环水吸收式热泵供热联产机组性能分析赵斌，杨玉华，钟晓晖，邬志红河北联合大学冶金与能源学院，唐山063009摘要抽汽供热和低真空供热是目前热电联产集中供热的主要方式，而循环水热泵供热新技术具有进一步提高机组热效率和供热能力的潜力。建立了吸收式热泵和汽轮机组的理论计算模型，并以林电25MW抽汽机组设计参数为基础，确定了两种计算方案，对抽汽供热与循环水吸收式热泵供热的联产机组性能指标进行对比分析。计算表明，在方案条件下，循环水吸收式热泵供热机组热效率达到了777，供热负荷达到了8347MW，分别比抽汽供热提高了2243个百分点和313MW，供热能力提高了60。研究结果为抽汽机组的节能改造提供了思路及方案。关键词抽汽供热；吸收式热泵；热电联产性能指标分类号TK115文献标识码A文章编号10015884201306045404PERFORMANCEANALYSISONCIRCULATINGWATERABSORPTIONHEATPUMPOFHEATINGCOGENERATIONUNITZHAOBIN，YANGYUHUA，ZHONGXIAOHUI，WUZHIHONGCOLLEGEOFMETALLURGYANDENERGY，HEBEIUNITEDUNIVERSITY，TANGSHAN063009，CHINAABSTRACTEXTRACTINGSTEAMFORHEATINGANDSUPPLYINGHEATWITHLOWVACUUMARETHEMAINWAYSOFTHEDISTRICTHEATINGINCOMBINEDHEATANDPOWERCHPSYSTEM，ANDANEWHEATINGTECHNOLOGYOFCIRCULATINGWATERHEATPUMPHASFURTHERPOTENTIALTOIMPROVETHETHERMALEFFICIENCYANDHEATINGCAPACITYOFTHEUNITTHISPAPERESTABLISHEDATHEORETICALCALCULATIONMODELABOUTTHEABSORPTIONHEATPUMPANDTHETURBINEUNIT；DETERMINEDTWOCALCULATIONPROGRAMS，CONTRASTEDANDANALYZEDTHEPERFORMANCEINDEXOFTHEEXTRACTINGSTEAMFORHEATINGANDCIRCULATINGWATERABSORPTIONHEATPUMPUNITS，WHICHAREBASEDONDESIGNPARAMETERSOFTHE25MWEXTRACTIONSTEAMUNITINLINDSEYPOWERPLANTCALCULATIONSSHOWTHATTHETHERMALEFFICIENCYOFTHECIRCULATINGWATERABSORPTIONHEATPUMPUNITREACHES777UNDERTHECONDITIONSOFTHESCHEMEI1HEATINGLOADREACHES8347MW，WHICHIS2243PERCENTAGEPOINTSAND313MWHIGHERCOMPAREDWITHEXTRACTINGSTEAMFORHEATINGUNIT，ANDTHEHEATINGCAPACITYINCREASED60THERESUHSCANPROVIDEIDEASANDSOLUTIONSFORTHESAVINGENERGYTRANSFORMATIONOFTHEEXTRACTIONSTEAMUNITKEYWORDSEXTRACTINGSTEAMFORHEATING；ABSORPTIONHEATPUMP；COMBINEDHEATANDPOWER；PERFORMANCEINDEX0前言我国工业余热资源十分丰富且广泛存在于各种生产过程中，特别在煤炭、石油、钢铁、化工、建材、机械、轻工和电力等行业，被视为继煤、石油、天然气、水力之后的第五大常规能源。数据显示，我国工业余热总资源约占燃料消耗总量的1767，可回收利用的余热资源约为余热总资源的60。余热回收技术及技术创新是余热再利用产业链中的核心环节，是一项国家鼓励与大力扶持、推广的节能环保项目。目前，大容量、高参数供热机组所产生的大量低压缸排汽余热基本上没有得到利用，而是通过循环冷却水排放到环境中，这部分低品位余热能量巨大。基于此，清华大学提出了热电联产吸收式热泵供热新技术，已应用于华电大同第一垫鱼塑壶坚宣垄垫查5艮公司等单位，现了汽轮机收稿日期20130520排汽潜热的回收与利用，提高了机组热效率和供热能力。本文以唐山开滦热电有限责任公司简称林电25MW抽汽供热机组为例，对抽汽和循环水吸收式热泵两种集中供热方式热电联产机组的性能指标进行对比分析。1集中供热方式热电联产是能源利用的有效方式，热电联产相比热电分产能节约13左右的燃料能耗，是目前我国北方集中供热的主要方式。热电联产集中供热主要是指抽汽供热、低真空供热和循环水热泵供热3种方式，其中汽轮机低压抽汽和汽轮机乏汽是热电联产机组正常的供热汽源，而主蒸汽经减温减压后的二次蒸汽是供热的备用汽源。11抽汽供热热电联产中抽汽供热方式应用最为广泛，抽汽供热是指从汽轮机抽出部分做过功的蒸汽，进入热网加热器加热热网基金项目河北省科学技术研究与发展计划项目11213941。作者简介赵斌1968一，男，吉林省公主岭市人，博士，教授，研究方向为工程热物理及先进发电技术。第6期赵斌等循环水吸收式热泵供热联产机组性能分析455回水的供热方式。抽汽供热机组采用调整抽汽作为加热汽源。汽轮机抽汽供热系统流程如图1所示。图1汽轮机抽汽供热系统流程图12低真空供热低真空运行是恶化汽轮机凝汽器真空，提高乏汽温度，并利用汽轮机乏汽加热循环冷却水的供热方式。目前，对于具有中间再热的大型供热机组，从安全运行的角度，不宜采用恶化真空供热，低真空供热只适用于小型凝汽机组J。汽轮机低真空供热系统流程如图2所示。图2汽轮机低真空供热系统流程图13循环水热泵供热循环水热泵供热是以电厂循环水为低温热源，利用热泵产生出温度较高的热水进行供热的方式。对热泵机组而言，循环水是一种优质的低位热源，在理论上可以获得较高的能源利用效率，还可以灵活调节，实现供热量与需热量之间“质”与“量”的匹配，并且不会对发电厂原热力系统产生不利影响。因此，循环水热泵供热技术是回收电厂循环水余热的先进供热方式，OJ。目前常用的热泵装置，根据驱动能源的类型分类，主要有以热能为驱动能源的吸收式热泵和以电能或机械能为驱动能源的蒸汽压缩式热泵，蒸汽压缩式热泵综合能源利用率低于吸收式热泵。131吸收式热泵原理吸收式热泵根据功能不同，可以分为升热型、蓄热型、增热型和冷冻型，其工作原理如图3所示。汽轮机抽汽输入吸收式热泵的发生器，加热机组中的基础溶液产生高压蒸汽，经过冷凝、节流降压后进人蒸发器，从低温热源吸收热量蒸发，形成的低压蒸汽进入吸收器被溶液吸收后，重新形成基础溶液，经过溶液泵加压后再送回发生器。溶液热交换器图3吸收式热泵工作原理图132吸收式热泵供热循环水吸收式热泵技术主要是采用汽轮机低压抽汽作为驱动热源，利用电厂循环冷却水作为热泵低温热源，将低品位余热加以提质利用。循环水吸收式热泵供热系统流程如图4所示。循环水吸收式热泵技术一方面回收低品位余热减少了电站冷源损失，提高了机组热效率，另一方面减少了抽汽量，增加了机组的发电量。图4循环水吸收式热泵供热系统流程图2理论计算模型21基本假定为了分析循环水吸收式热泵供热联产机组性能，本文建立了循环水吸收式热泵和汽轮发电机组的理论计算模型，并做了以下基本假定1新蒸汽参数和排汽压力和温度保持不变；2汽轮机各级效率保持不变；3汽轮发电机组机械效率和发电机效率保持不变；4凝汽器散热损失忽略不计。22吸收式热泵若忽略溶液泵和工质泵的泵功及系统的散热损失。系统在循环过程中，热平衡模型0。1式中，为驱动热源放出的热量，MW；C,。为蒸发器从循环水吸收的热量，MW；为热网水从吸收器获得的热量，MW；为热网水从冷凝器吸收的热量，MW。456汽轮机技术第55卷供热系数C0P掣23汽轮发电机组1发电功率P二二二02式中，。为常量，3600SH；P为热电厂供热工况发电功率，KW；DO、D为新蒸汽流量和抽汽量，KGH；H。、H、H为新蒸汽比焓、抽汽比焓和排汽比焓，KJKG；7、仉分别为机械效率和发电机效率，。2抽汽供热负荷Q4式中，Q为抽汽供热负荷即循环水吸收式热泵驱动热源放出的热量，MW；D为供热抽汽量，KH；H、H分别为供热抽汽比焓和疏水比焓，KJKG。3循环水供热负荷Q。5式中，Q。为循环水供热负荷即循环水吸收式热泵蒸发器从循环水吸收的热量，MW；D为排汽量，KGH；H为凝结水比焓，KJKG。4热电比热电比是指机组供热负荷与发电功率的比值。计算公式为RW芸65机组热效率机组热效率是指机组发电量与供热量之和与新蒸汽携带的总热量比值。计算公式为。尸P3实例计算与分析图5林电汽轮机组回热原则性热力系统表1汽轮机组抽汽工况设计参数额定功率，KW机械效率R发电机效率733计算方案3125MW抽汽机组林电装有3台武汉汽轮机厂生产的G25353型抽凝机组，回热系统有四段抽汽，段为调整抽汽，采暖期按抽汽工况运行，非采暖期按凝汽工况运行，汽轮机组主要设计参数如表1所示。林电汽轮机组回热原则性系统如图5所示。32设计变量选取1供热系数COP循环水吸收式热泵供热系数COP取16，根据式1、式2，则06QB。2效率变量选取参考文献7，汽轮机计算效率参量选取见表2。25MW抽汽机组机械效率叼取值097，发电机效率叼取值D96。3排汽干度通常对于汽轮机在设计时排汽干度不低于092。以林电新蒸汽参数和排汽压力和温度不变为约束条件，在供热负荷和发电负荷不变两种工况下，选定两种计算方案进行热经济性分析。根据式3式7及表1，两种方案计算结果见表3。表3热电联产机组热经济性指标1方案I在供热负荷相同条件下，进行循环水吸收式热泵供热方案I与抽汽供热方案的技术经济对比分析。联立式4、式5，循环水吸收式热泵驱动热源蒸汽量为46875TH，抽汽机组二段抽汽减少了28125TH。2方案在发电负荷相同条件下，进行循环水吸收式热泵供热方案与抽汽供热方案的技术经济对比分析，循环水吸收式热第6期赵斌等循环水吸收式热泵供热联产机组性能分析457泵驱动热源蒸汽量为75TH。34结果分析由表3分析可知，循环水吸收式热泵供热方案I机组热效率达5773，发电功率达2869MW，分别比抽汽供热方式提高了246个百分点和373MW，热电比降低了1196。循环水吸收式热泵供热方案机组热效率达777，供热负荷达8347MW，分别比抽汽供热方式提高了2243个百分点和313MW，热电比提高了598，供热能力提高了60。4结论本文以林电25MW抽汽机组设计工况参数为计算基础，确定两种计算方案，对循环水吸收式热泵与汽轮机抽汽热电联产集中供热方式的性能指标进行了计算和对比分析。主要结论如下1循环水吸收式热泵将低品位循环水余热加以提质利用，降低了机组冷源损失，提高了机组热效率和供热负荷。2林电25MW抽汽机组采用循环水吸收式热泵技术，在机组发电负荷不变的工况下，机组热效率达777，供热负荷达8347MW，分别比抽汽供热提高了2243个百分点和313MW。参考文献1赵斌烧结余热能高效发电研究D北京华北电力大学，20122付林，江亿，张世刚基于COAL循环的热电联产集中供热方法J清华大学学报，2008，48913771380，14123康艳兵，张建国，张扬我国热电联产集中供热的发展现状、问题与建议J中国能源，2008，30108134林振娴热电联产系统冷源领域节能及耦合机理研究D北京华北电力大学，20115李沛峰，杨勇平，戈志华，等300MW热电联产供热系统分析与能耗计算J中国电机工程学报，2012，322315206梅隆，王力彪，左川，等基于吸收式热泵的循环水余热利用技术在大型抽凝机组热电联产应用的安全性研究J汽轮机技术，2012，5421551577赵斌，王子兵，武志飞，等转炉饱和汽轮机选型计算与分析J汽轮机技术，2010，5211720上接第450页参考文献HUANGNE，SHENZTHEEPIFICALMODEDECOMPOSITIONANDTHEHILBERTSPECTRUMFORNONLINEARANDNONSTATIONARYTIMESERIESAANALYSISAPROCEEDINGSOFTHEROYALSOCIETYCLONDONL998HUANGNEANEWVIEWOFNONLINEARWAVESTHEHILBERTSPECTRUMJANNUALREVIEWOFFLUIDMECHANICS，1999，315417457林丽，余轮基于相关系数的EMD改进算法J计算机和数字工程，2008，36122831屈梁生，张西宁，沈玉娣机械故障诊断理论和方法M西安西安交通大学出版社，2009韩中合，朱霄殉，李文华，等基于EMD消除WIGNERVIII分布交叉项的研究J汽轮机技术，2010，523211214黄迪山经验模态分解中虚假模态分量消除法J振动、测试和诊断，2011，3133833847胡维平，杜明辉信号采样频率对经验模态分解的影响J信号处理，2007，2346376408钟佑明，金涛，秦树人希尔伯特一黄变换中的一种新的包络线算法J数据采集与处理，2005，20113179胡爱军HILBERTHUANG变换在旋转机械振动信号分析中的应用研究D保定华北电力大学，2008，448501OGABRIELRILLING，PATRICKFLANDRIN，PAULOGONCALVESONEMPIRICALMODEDECOMPOSITIONANDITSALGORITHMSJIEEE，SIGPROCLETT，200311VKRAI，ARMOHANTYBEARINGFAULTDIAGNOSISUSINGF兀0FINTRINSICMODEFUNCTIONSINHILBERTHUANGTRANSFORMJMECHANICALSYSTEMSANDSIGNALPROCESSING，2007212607261512谢文俊，肖蕾基于EMD方法的机电作动系统故障特征提取J测控技术，2012101