水源热泵在火电厂循环水余热利用中的应用

第56卷第3期2014年6月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV0156NO3JUN2014水源热泵在火电厂循环水余热利用中的应用孙天宇，任建兴，张健，王庆阳上海电力学院能源与机械工程学院，上海，200090摘要利用水源热泵回收火力发电厂循环水的余热，挖掘低品位热能，既能提高电厂的综合能源利用效率，同时还可以降低冷却水的蒸发量，减少向环境排放的热量和水汽，具有非常显著的经济、社会与环境效益。通过水源热泵与低真空供热技术的计算对比分析，得出水源热泵技术在回收火电厂循环水余热的可行性。关键词水源热泵；火电厂循环水；余热利用分类号TKI15文献标识码A文章编号10015884201403020603APPLICATIONOFWATERSOURCEHEATPUMPUTILIZINGTHEWASTEHEATFROMTHEPOWERPLANTCIRCULATINGWATERSUNTIANYU，RENJIANXING，ZHANGJIAN，WANGQINGYANGCOLLEGEOFENERGYANDMECHANICALENGINEERING，SHANGHUNIVERSITYOFELECTRICPOWER，SHANGHAI200090，CHINAABSTRACTUSINGWATERSOURCEHEATPUMPFORRECOVERINGWASTEHEATOFTHERMALPOWERPLANTCIRCULATINGWATER，MININGOFLOWGRADEHEATENERGYITCANIMPROVETHEPOWEREFFICIENCYOFCOMPREHENSIVEENERGY，BUTALSOCANREDUCETHEEVAPORATIONCOOLINGWATER，THEHEATANDMOISTUREDISCHARGETOTHEENVIRONMENTITHASTHEECONOMIC，SOCIALANDENVIRONMENTALBENEFITSAREVERYREMARKABLETHROUGHCALCULATIONANDANALYSISOFWATERSOURCEHEATPUMPANDLOWVACUUMHEATINGTECHNOLOGY，THEFEASIBILITYOFTHEWATERSOURCEHEATPUMPTECHNOLOGYINTHERECOVERYOFPOWERPLANTCIRCULATINGWATERWASTEHEATCANBEOBTAINEDKEYWORDSWATERSOURCEHEATPUMP；THERMALPOWERPLANTCIRCULATINGWATER；UTILIZATIONOFWASTEHEAT0前言最近，世界经济论坛与埃森哲咨询管理公司共同推出了2013一全球能源工业效率研究报告，我国作为世界能源的生产和需求大国，在此次世界能源使用率国家评估排名中仅居第74位。这足以说明我国在提高能源使用率上还有很长的路要走。中共十八大报告已经指出要“推动能源生产和消费革命，控制能源消费总量，加强节能降耗，支持节能低碳产业和新能源、可再生能源的发展，确保国家能源安全”，以及要“大力推进生态文明建设”等，这些都会对提高我国整体能源使用效率起到重要作用。同时，在“十二五”节能减排综合性工作方案中，也提出了具体的目标在煤耗方面，到2015年，全国万元国内生产总值能耗下降到0869T标准煤，比2010年的1034T标准煤下降16；在污染物控制方面，到2015年，全国二氧化硫排放总量控制在20864万T，比2010年的22678万T下降8。这充分展示了我国在应对气候变化、履行大国责任方面的积极态度，也充分表明我国不再单纯追求经济的快速增长，而是要走加强资源有效利用的可持续发展之路。煤炭是我国消耗最大的一次能源，其80左右用于发电厂，而且在发电厂煤炭热能的利用中，利用率仅为45左右，量垫篮圭蔓适煎董环境。如何减少循环水余热收稿日期20131114基金项目上海发电环保工程技术研究中心11DZ2281700。损失，增加机组发电量，提高机组的发电热效率，成为目前急需解决的问题J。以某300MW供热机组为例，采暖期循环水泵采用单泵运行，流量约12000TH，温差约14，如果使这部分循环水余热量得以利用，可增加供热面积近400万M，将节省大量的燃煤消耗。因此，加强电厂循环水余热回收利用是节约能源、降低碳排放、保护环境的有效措施，是提高综合发电效率的有效途径。1火电厂循环水余热利用与系统11水源热泵系统供热原理与系统作为水源热泵低温热源的循环水在凝汽器中吸收汽轮机排汽凝结放出的热量后温度升高，然后从凝汽器出口经输水管道到达蒸发器，在蒸发器中放出热量后回到循环水泵。水源热泵制冷剂在蒸发器中吸收循环水的热量后，经压缩机升温升压，再在冷凝器中将热量放给供暖热水，然后经膨胀阀降温降压，回到蒸发器中继续吸热，完成下一次循环。供暖热水在冷凝器中吸收制冷剂放出的热量，温度升高后进入用户端的散热器散热，然后回到冷凝器中继续循环。具体供热运行原理如图1所示。12火电厂低真空供热技术与系统低真空供热，即人为将汽轮机凝汽器的真空降低，提高汽轮机的排汽温度，利用汽轮机排汽的汽化潜热加热循环作者简介孙天宇1989，男，在读硕士研究生，主要从事火电厂低温余热利用工作。第3期孙天宇等水源热泵在火电厂循环水余热利用中的应用207锅炉循环水侧水源热泵F用户侧散热器图1水源热泵系统冬季供热运行原理水，提高凝汽器出口温度，然后对外进行供热的运行方式。循环水在凝汽器中吸收热量送至热用户散热后，再回到凝汽器重新吸热循环。其供热运行原理如图2所示。锅炉循环水侧。用户侧图2火电厂低真空供热运行原理2水源热泵在火电厂循环水余热利用中的优势国务院于2012年6月16日以国发2012L9号印发了“十二五”节能环保产业发展规划的通知，余热余压利用设备是今后大力发展的重点领域，并将完善推广余热发电关键技术和设备。“基于吸收式换热的集中供热技术，用于凝汽式火力发电厂、热电厂余热利用，循环水余热充分回收，提高热电厂供热能力30以上，降低热电联产综合供热能耗40，并可提高既有管网输送能力。就我国而言，电厂循环水的余热资源不仅非常丰富，而且具有温度适中、流量稳定、水质较好的特点，有较好的利用条件，是一种优质的热泵热源J。因此，电厂循环水作为水源热泵技术的低温热源是十分必要的。通过水源热泵回收凝汽器循环水，可以降低其进水温度，提高汽轮机凝汽器的真空度，增加机组的通流量和发电效率。水源热泵的运行效率较高、费用较低，且由于工况稳定而且设计系统简单、维护费用低，与传统的空调制冷供暖方式相比，经济效益显著。水源热泵不需要设置锅炉房与烟囱，没有燃烧过程，避免了排烟污染。另外，水源热泵的采用还减少了循环水的蒸发损失，降低了冷却塔的热负荷；对机组而言，它还降低了循环水的进水温度，提高了机组的真空度，增加了机组发电能力，降低了热耗率，这一点对于受真空度制约的机组而言显得尤为重要。经水源热泵提升温度后的循环水热量，不仅可用于采暖、生活热水等，更可以返回电厂回热系统，加热给水，提高电厂热效率。如果在电厂利用循环水余热，电厂有充沛、廉价的电力，可以从电厂近距离发出，减少了输电损失。而且其耗电损失也比较小，与空气源热泵相比，电力消耗相当于减少30以上，并且不存在空气源热泵的冬季除霜等难题，与电供暖相比，相当于减少70以上。某热电厂装机容量为2300MW，电厂运行数据显示，全厂通过凉水塔排人大气的热量约为1600GJH，相当7546T标煤的发热量”。若利用水源热泵回收余热，每年可节煤40055T，以750TT煤计算，每年可节约3000万人民币。利用热泵技术回收电厂循环水余热不仅可以节约资金，而且还能减少因循环水余热造成的热污染。若能利用水源热泵对城市供热，可产生巨大的经济效益、环境效益和社会效益。3经济性分析为了进一步说明利用水源热泵进行供热的优势，现以型号为CC5088309810118的机组为例，假设供热时间为当年10月1日至第二年5月1日，所以机组工作时间为T730245040H。机组参数见表1。表1机组参数31水源热泵供热计算分析进入水源热泵的循环水温为T33，查水的焓值表，得此温度下对应的焓值为H13881KJKG；水源热泵的常规供热温度为40C一45CL13，运用高温水源热泵技术可使水温达到7O一85C”，现取水源热泵的供热温度为T45，其对应焓值为H18895KJKG；离开水源热泵的水温为T，20C，对应焓值为H384476KJKG。水源热泵的具体参数见表2。水源热泵系统的供热量是水源热泵系统消耗的驱动能源即电能与从循环水中提取的余热热量之和，该供热量全部由凝结水吸收，凝结水吸热量为4000F】88958447611000一一一丽一一11610KJ将吸取的热量转换成相当的燃煤量，即这部分节省的燃煤量是由机组乏汽余热的回收所得，则节省的燃煤量为Q42611610550403600表2水源热泵参数丽页18910KG18900T208汽轮机技术第56卷水源热泵外加电能所消耗的能量为4000X18895一L3881X1000360O557X10KJ取水源热泵系统供热系数COP45，则所需电量为E盟12410KJCOP45一这些电能转换成所需的燃煤量为鲁QRL42，124105040360029260039X42469X10KG4690T则采用水源热泵回收余热后，在一个供热季可节煤MM1一M218900T一4690T14210T32低真空供热系统供热计算分析运用低真空供热运行，50WM机组的真空将由94KPA降至80KPA，真空度每降低LKPA，则少发电大约500KW。那么，冷凝器供热循环水回水温度T35，对应焓值为H14717KJKG；冷凝器供热循环水出口温度T60，其对应焓值为H251671DKG。低真空供热系统的具体参数见表3。表3低真空供热系统参数则循环水放热量为Q1MH5一H4X1000418X10KJH则减少的标准煤耗量为M1Q1XT418X10X5040Q叼64229260X09142189X10KG18900T因真空度下降减少的发电量EPLP2X500504035X10KJH转换成热量损失Q2E360035X10X3600126X10KJ折成标准煤耗量QXRIB292611X0913977U12110KG12100T则运用低真空供热在供热季度可节省煤量MGL一M218900T一12100T6800T通过计算比较，利用水源热泵供热系统比运用低真空供热系统多节省标准煤量大约为MMM14210T一6800T7410T4水源热泵利用电厂循环水供热的效益分析41节能分析在上文中以50MW的供热发电机组为例，采暖期运行时间按5040H计算，得出如果利用低真空供热，可在供热季度节省6800T标准煤；而利用热泵技术回收循环水余热，则可以节省标准煤约14210T，比运用低真空供热还要节省标准煤大约7410T。而且，利用循环水余热的水源热泵进行供热相当于在不增加火电厂容量、不增加当地排放的情况下，有效增加了电厂的供热能力”。42环境效益分析每减少1T标准煤的燃烧，就可减少排放CO440KG；SO220KG；烟尘15KG；灰渣260KG16。则根据50MW机组在供暖期的节煤情况，可减少污染物的排放量如下1CO21421004462524T；2SO2142100022842T；3烟尘14210X001521315T；4灰渣1421002636946T。因此，利用水源热泵技术回收电厂循环水余热不仅能充分利用低品位热能，还能节约煤炭资源，减少燃煤燃烧造成的环境污染，起到显著的环境效益。5结论随着建设节约型环保型社会的深入，火电厂节能减排势在必行。国家“十二五”能源规划除了加快推进新能源的研发外，还在节能增效等“减量”上给予更多关注，节能增效包括节约能源和提高能源利用率两大方面。当前，火力发电厂是主要的能源消耗者和环境污染源，其输入燃料总热量的60以上能量通过锅炉排烟和凝汽器循环水散失到环境中，不仅造成了能源的损失，同时也带来环境污染。当前，火电厂有大量循环水余热白白浪费掉，而其现有供热能力又不能满足城市飞速发展的供热需要，通过与低真空供热分析比较，热泵技术应用在火电厂循环水余热回收，更有利于节约能源、保护环境以及创造更好的经济效益，具有广阔的发展前景。参考文献1孙永祥世界能源使用效率排名中国仅居第74位J广西电业，2013，Z136372“十二五”节能减排综合性工作方案J上海节能，2011，10283崔可，吴凯槟，丁常富，等热泵回收电厂循环水余热模型的热经济性分析J汽轮机技术，2012，5464754774郭江龙，常澍平，冯爱华，等压缩式和吸收式热泵回收电厂循环水冷凝热经济性分析J汽轮机技术，2012，5453793805“十二五”节能环保产业发展规划中国环保产业J能源技术，2012，8410下转第212页212汽轮机技术第56卷凝汽器上的进汽量。这样就确定下来了。供热方式改变前机组的平均运行背压下的排汽焓也可取定值。由六段抽汽压力推算得到排汽量后，一也确定下来了。所以在运行背压不变的情况下，、一的大小只与、G、P有关。邻机做功量的变化同邻机六抽的压力P和邻机的运行背压P有关，P的控制由用户的供热温度需求决定，当温度高于7L背压控制在34KPA；当温度低于71时，则由此温度作为饱和温度对应下的压力确定运行背压。AW可由下式确定ZAW，G，P6，P62，P11当某一相对稳定的供热期，如采暖高峰期，循环水流量较为稳定，背压控制在最高背压34KPA。同时环境温度较低，邻机较供热方式改变前，背压变化的不大，所以可以不计因背压变化对邻机做功造成的损失，则式11可以进一步简化为W，P12结合上面的实例，由式12可以分析知道，在P250KPA，62时，可以计算得为17417KW，W一为17560KW，这时AW一152KW。所以这时采用高背压运行的方式就不如原中排供热的方式。所以在循环水流量相对稳定和环境温度较低的情况下，某一背压下经济性可根据回水温度和六抽压力来进行判断。在背压不变的情况下，可以由图3来判断供热方式的经济性在低压缸排汽量相同情况下，当回水温度高于一定值后，高背压下的供热方式经济性就不如原供热方式了。所以在运行中，通过热负荷的调整，一方面要保证热网凝汽器的P、憾赠回匿；六段抽汽的压力KPA图3经济运行原则的判断进汽量，另一方面要减少空冷塔的进汽量，做好热负荷和电负荷间的匹配，使供热方式最佳，经济性最好。4结论本文对直接空冷机组高背压供热系统进行了介绍，对高背压供热方式下的经济性进行了分析。通过分析得出，由于供热方式的改变，供热参数和背压变化引起蒸汽做功量的变化对机组供热期的经济性影响最大。通过具体推导和相关条件的简化，得到了经济性计算与判定的公式和准则。外部供热条件循环水流量和回水温度对供热经济性有直接影响，机组排汽流量的变化也会对机组经济性构成影响。在循环水流量和环境条件相对稳定情况下，可以以六段抽汽压力和回水温度来判断供热方式的经济性。一方面可以用来指导项目的可行性研究，另一方面为运行过程中供热方式选择提供依据。在外部供热条件具备的情况下，此种供热方式的推广应用，将会带来很大的经济效益。参考文献李岩，付林，张世钢，等电厂循环水余热利用技术综述J建筑科学，2010，261010一L4杨俊电厂循环水余热回收供暖节能分析与改造技术J节能，201LO13336张秀琨，郑刚，刘传威，等抽凝机组低真空循环水供热技术分析与应用J上海电力学院学报，2009，2506543546郑杰汽轮机低真空运行循环水供热技术应用J节能技术，2006，24148380382闫顺林，王俊有，李太兴，等汽轮机低压缸排汽焓在线计算新模型的研究及应用J华东电力2007，3504358360初立森，李敏，李海峰供热机组的热力与运行特性探讨J吉林电力，2009，37O315李建垄。丁伟霞浅谈300MW供热机组凝结水泵的优化配置J应用能源技术，2013012629王源供热机组负荷优化分配的研究D南京东南大学，2005张营帅热电厂负荷优化分配方法研究D郑州郑州大学，2