驱动蒸汽参数对吸收式热泵性能的影响研究

第56卷第5期2014年L0月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV0156NO50CT2014驱动蒸汽参数对吸收式热泵性能的影响研究高建强，李寒冰，郭江龙，王立坤，程少伟，王晓龙1华北电力大学能源动力与机械工程学院，保定071003；2国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄050021摘要采用吸收式热泵技术回收热电厂循环水余热进行供热，是近年来用于300MW等级供热机组供热的一种新型技术。增热型吸收式热泵是以蒸汽作为驱动力的一种换热元件，驱动蒸汽的物性状态决定了热泵的热效率，从传热的角度分别分析了采用原蒸汽即五段抽汽，为过热蒸汽与经减温器减温后的饱和蒸汽作为驱动热源时，热泵的制热性能系数COP的大小，结果显示以原蒸汽即为五段抽汽为驱动热源时，其传热系数为35910，COP为148；而将原蒸汽减温后，驱动热源为与原蒸汽同等压力下的饱和蒸汽，其传热系数为753X10，COP为172。关键词热电厂；循环水；吸收式热泵；过热度；汽化潜热分类号TK219文献标识码A文章编号10015884201405038203STUDIESONINFLUENCEOFPERFORMANCEOFABSORPTIONHEATPUMPONPARAMETERSOFSTEAMDRIVENGAOJIANQIANG，LIHANBING，GUOJIANG1ONG，WANGLIKUN，CHENGSHAOWEI，WANGXIAOLONG1SCHOOLOFENERGYPOWERANDMECHANICALENGINEERING，NORTHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY，BAODING071003，CHINA2HEBEIELECTRICPOWERRESEARCHINSTITUTE，SHIAZHUANG050021，CHINAABSTRACTTHETECHNOLOGYOFRECOVERYTHEWASTEHEATOFCIRCULATINGWATEROFPOWERPLANWITHABSORPTIONHEATPUMPFORHEATINGISANEWTECHNOLOGYFOR300MWGRADEUNITFORHEATINGINREEENTYEARSABSORPTIONHEATPUMPISAHEATEXCHANGERCOMPONENTSWHICHISDRIVENBYHIGHTEMPERATURESTEAMTHEPHYSICALSTATEOFTHESTEAMDRIVENDETERMINESTHETHERMALEFFICIENCYOFTHEHEATPUMPTHISARTICLEANALYZETHECOPOFABSORPTIONHEATPUMPTHATUSINGTHEORIGINALSTEAMIE5THSEGMENTSEXTRACTION，SUPERHEATEDSTEAMANDSATURATEDSTEAMWHICHISDESUPERHEATEDBYDESUPERHEATERFROMTHEVIEWOFHEATTRANSFERTHERESULTSSHOWTHATWHENUSETHEORIGINALSTEAMIE5THSECTIONSEXTRACTIONASTHEDRIVINGFORCE，ITSHEATTRANSFERCOEFFICIENTIS35910ANDTHECOPIS148ANDWHENUSETHESATURATEDSTEAMWHICHISDESUPERHEATEDBYDESUPERHEATER，THEHEATTRANSFERCOEFFICIENTIS75310，ANDTHECOPIS172KEYWORDSTHERMALPOWERPLANT；CIRCULATINGWATER；ABSORPTIONHEATPUMP；DEGREEOFSUPERHEAT；LATENTHEATOFVAPORIZATION0前言热电联产是将燃料的化学能转化为高品位的热能用来发电，同时将已在供热式汽轮机中做了部分功后的低品位热能，用来对外供热，提高了热利用率，使电厂经济性提高而节约能源。而从能量梯级利用的角度来看，热电厂仍有很大程度的能源浪费，例如烟气废热、循环水低温余热、空冷岛乏汽的热量等I4，而这部分热量具有“总量巨大、集中程度高、品位低下”的特点J，如果能部分利用，甚至是全部利用这部分低品位热量，将大大节约能源消耗。所以，在原供热系统中接人吸收式热泵，吸收这部分低品位热量，将提高品位后的这部分热量用于供热，从而实现了能量的梯级利用，节能效果明显。采用吸收式热泵技术回收电厂循环水余热用于城市集虫供热，近生珏始应且王2QQMW、300MW等级的大容量供收稿日期20131226热机组的余热利用工程中。吸收式热泵主要由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和溶液泵5部分组成，系统内部是由两个循环组成的，分别是制冷剂循环和溶液循环，这两个循环基本构成了吸收式热泵的整个工作过程。制冷剂循环是发生器中产生的制冷剂蒸汽在冷凝器中将热量Q释放给热网水，冷凝成溶液，而后经节流机构节流，在蒸发器中吸取循环水的低温热量Q，汽化成蒸汽，然后蒸汽进入吸收器被吸收；溶液循环是发生器的浓溶液制冷剂含量低的溶液经节流阀进入吸收器，在低压情况下，吸收来自蒸发器的低压蒸汽，在吸收过程中，将热量Q。释放给热网水，热网水进入蒸发器吸收热量，该过程所形成的制冷剂稀溶液制冷剂含量高的溶液再由溶液泵，通过溶液泵消耗功提高压力将稀溶液送回至发生器，在发生器中吸收高温蒸汽放出的热量Q，以产生高压制冷剂蒸汽。那么吸收式热泵的制热性能系数COP为作者简介高建强1966男，河北保定人，博士，教授，主要从事火电厂系统建模与仿真的研究。第5期高建强等驱动蒸汽参数对吸收式热泵性能的影响研究383COP本文以某电厂300MW机组的热网改造项目为背景，所采用的吸收式热泵是以五段抽汽作为驱动热源该五段抽汽由原采暖蒸汽母管引出，制冷剂为溴化锂水溶液，来吸收循环冷却水中的低温余热，连同蒸汽本身放热量一同用于加热热网回水，最终进入热用户。该项技术对吸收式热泵汽源的蒸汽参数有很高的要求，主要有3方面的原因当热泵机组工质溶液的温度超过165C时，溴化锂溶液对碳钢和紫铜的腐蚀性急剧增大；过热蒸汽与饱和蒸汽的传热系数有很大的不同，从而造成设备投资的不同；基建场地的限制。综合上述3方面因素需在驱动蒸汽管道上设置了一个重要的设备减温器，减温器的作用是将原蒸汽即五段抽汽，为过热蒸汽减温成同等压力下的饱和蒸汽，经减温后的饱和蒸汽再进入热泵的发生器进行工作。本文从传热系数的角度，建立了传热的数学模型，分别分析了设置减温器前后，不同的驱动蒸汽参数主要是过热参数和饱和参数对吸收式热泵的工作性能即制热性能系数COEFFICIENTOFPERFORMANCE，简称COP的影响，对同类工程的基建设计、调试有一定的参考价值。L数学模型的建立针对驱动蒸汽的两种状态过热蒸汽和饱和蒸汽，对这两种状态的蒸汽在发生器中的换热过程建立数学模型。过热蒸汽有很大的过热度过热度是蒸汽温度高于对应压力下饱和温度的程度。其次，过热蒸汽的换热系数与饱和蒸汽的换热系数不同，且在换热过程中发生相变，在设计工况下，饱和蒸汽释放汽化潜热变成饱和水，而过热蒸汽的相变过程是先变成饱和蒸汽再变成湿蒸汽，若换热条件允许最后变成饱和水。因此不能通过简单的比较放热量的多少，来确定驱动蒸汽的参数。由于对实际热力系统进行换热研究比较复杂，为便于分析，现对此系统做以下假设1管内蒸汽流动均匀；2忽略入口损失及沿程损失；3管外的表面换热系数不变；4吸收器和冷凝器中的换热量不变，即Q。、Q为常数；5忽略溶液泵耗功；6换热系数只受温度的影响，即K厂，则饱和蒸汽与湿蒸汽的换热系数相同；7热泵在设计工况下运行。从传热的角度分析，建立数学模型QGKAAT2丁3式中，Q为换热量，W；K为换热系数，WMK；H为管内对流换热系数，WMK；8为管壁厚度，NL；A为导热系数，W11K；为管外对流换热系数，WNLK。其中等NU，4OO3R式中，。为相邻圆管横向间距，M；。为相邻圆管总想间距，M；RE，为流体的雷诺数，RES；PRS为流体的普朗特数，P；PR为边界层流体普朗特数，PT。将式2与式3代入式1推导得出COPH。，H，A的计算式COP16式中，为系数，。定义制热效能比K，物理意义是吸收式热泵分别以过热蒸汽和饱和蒸汽作为驱动热源的制热性能系数COP之比，是一个无量纲量。，C式中，COP为以过热蒸汽为驱动力时COP值；COP为以饱和蒸汽为驱动力时COP值。当，C1时，表示以过热蒸汽与饱和蒸汽作为驱动力的能力相同；当，C1时，表示采取过热蒸汽作为驱动力，有利于热泵的经济运行。2实例分析以该热电厂300MW汽轮机循环冷却水余热利用工程为例，汽轮机型号为C3002201667537537的亚临界中间再热双缸双排汽。吸收式热泵的发生器采用管壳换热器，内部管道为叉排布置，管排数为45排，管径为30MM，其中SS4。管壁温度75C，经计算得PR255。其余相关计算参数及结果如表1所示。表1相关参数及结果热网水入口温度，出口温度，OC流量，MS减数COPG,KINKWMW55735172O86384汽轮机技术第56卷由表1可以得到，在不考虑吸收式热泵本身性能变化的情况下，直接把五抽，也就是过热蒸汽，作为驱动热源，其传热系数为35910；经减温后的蒸汽，也就是同压力下的饱和蒸汽，作为驱动热源，其传热系数为75310，导致若采用过热蒸汽为驱动热源，换热所需的设备面积更大，设备投资也就更大。换言之，蒸汽过热度越大，那么显然换热面积越大，整体换热效果越差，从而使制热量降低。由上表得出制热效能比为086。3结论本文给出了在驱动蒸汽管道设置减温器的原因，并通过实例计算得到设置减温器与未设置减温器时，两种状态的蒸汽的换热系数相差较大，同时造成制热性能，即COP的值相差明显。以原蒸汽即为五段抽汽为驱动热源时，传热系数为35910，经计算得COP为148。而将原蒸汽减温后，驱动热源变成与原蒸汽同等压力下的饱和蒸汽时，其传热系数为75310，COP为172，制热性能明显提高。参考文献1郑体宽热力发电厂第二版M中国电力出版社，20082魏瑶，张士杰，肖云汉开式循环吸收式热泵系统变工况性能研究J工程热物理学报，2009，307108110853SHUPINGCHANG，KESUN，SHUNGZHANG，JIANGLONGGUOENEFGYSAVINGANALYSISINTHECOLDENDSYSTEMOFEXISTING300MWTURBINEWITHHEATPUMPFORHEATINGAI2012SPRINGWORLDCONGRESSONENGINEERINGANDTECHNOLOGYSCET2012C，20123103124郭江龙，常澍平，郗盂杰，等采用吸收式热泵回收循环水余热收益估算J热力发电，2012，31111685舒斌，何晓红，戚永义，利用吸收式热泵替代低压加热技术研究J发电与空调，2013，34128306郭江龙，王彦海，李琼，等吸收式热泵制冷量影响因素试验研究J热力发电，2013，421284877魏瑶，肖云汉，张士杰第二类开式吸收式热泵系统设计与性能功能分析J太阳能学报2013，3434274318赵虎，阎维平，郭江龙，等利用吸收式热泵回收电厂循环水余热的方案研究J电力科学与工程2012，28864699李铁军循环水余热利用系统存在的问题及改造J华电技术，2012，34868721O河北省电力公司电力科学研究院河北建投国融国泰循环水利用工程热泵性能测试报告R2012，1211郭江龙，王彦海，李琼，等吸收式热泵驱动蒸汽接入方案存在问题及分析J汽轮机技术，2014，5417274上接第381页5结语本文在多元扰动下的热力系统能效分析模型基础上，通过计算660MW超临界机组加热器上端差扰动对机组能效影响的强度系数，绘制了该机组典型工况下各级加热器上端差强度系数比较图，以及强度系数随负荷变化的趋势图，发现各种工况下该扰动与强度系数的变化规律，可为电厂中同类能效分析和经济运行提供参考。在此基础上，提出该扰动下的强度系数简捷计算模型，为工程计算提供帮助。参考文献1刘志真，赵世民加热器热经济性分析J山东电力技术，2004，433362严俊杰，李勤道，刘继平，等热网加热器运行经济性的定量诊断方法J汽轮机技术，2000，426327330，364闫顺林多元扰动下的热力系统能效分析模型及应用研究D华北电力大学，2011闫顺林，胡三高，徐鸿，等火电机组热经济性分析的统一物理模型和数学模型J中国电机工程学报，2008，28233741闫顺林，张春发，李永华，等火电机组热力系统汽水分布通用矩阵方程J中国电机工程学报，20