吸收式热泵供热系统优化研究报告

.PAGE.....项目密级：二级吸收式热泵供热系统优化研究报告2015年6月长春..目录TOC\o"1-2"\h\z\u1引言41.1研究背景41.2研究目的41.3研究内容52吸收式热泵供热系统的优化52.1吸收式热泵的工作原理52.2吸收式热泵在热电厂中用于回收凝汽器乏汽余热的原理52.3影响热泵热力系统的参数62.4吸收式热泵供热系统参数优化92.5吸收式热泵设备选型优化113热泵热力系统热经济性指标计算123.1计算原则123.2计算工况热平衡的确定133.3热电厂的运行节煤量的比较方法133.4热泵热力系统的经济效益分析144热泵选型及经济指标计算过程154.1热泵选型过程154.2设热泵后的经济指标计算155结论16..1引言1.1研究背景目前,大型火力发电机组的效率一般为40%左右,剩余的热量几乎全部排放到环境中去。由此不但造成了能源的浪费且加重了"温室效应"。由于煤炭、石油、天然气等资源储量有限,全球范围内的能源危机也逐渐成为全球所面临的重要问题。所以近年来,能源的梯级利用和余热回收日益得到人们的重视。我国北方城市季节性特征明显,采暖季基本为4个月以上,有些严寒地区的采暖周期长达6个月,建设区域性的热电厂进行热电联产集中供热可节约能源、并减少环境污染,具有较高的热经济性,此方法也已成为我国采暖地区冬季的主要供热方式。以北方地区较为常见的300MW等级抽汽凝汽式供热机组为例,对外供热的形式为利用汽轮机五段抽汽至热网加热器加热一级热网的热网水。从能量梯级利用角度看,热网加热器的换热温差较大,其效率只有0.98左右,直接利用五段抽汽加热热网水有较大的不可逆损失,热能并未充分地利用。吸收式热泵具有能够利用低品质热能的性能,因此在北方的某些热电厂的采暖供热中得到了应用。这些电厂利用热泵方法是将电厂循环水作为低温热源,利用热泵吸收循环水中的低温余热,将余热提取后加热热网循环水回水,一方面回收了部分热量,另一方面由于热网水温度升高而减小了热网加热器中的不可逆损失。主机的运行背压、低压缸排汽量、供热介质参数、热泵驱动蒸汽等不同参数组合配置,对热泵机组的出力及全厂的热经济性有很大影响。目前,国内北方有多个供热电厂已经或者准备采用吸收式热泵技术,但是对于这些项目尤其是执行合同能源管理的项目如何进行热泵投产后的效益分配还没有具体的可参照执行的标准。1.2研究目的本报告的研究目的其一是针对采用吸收式热泵技术回收低压缸乏汽余热的热力系统中各个重要参数合理选择,优化系统配置,提高供热机组和吸收式热泵整体的经济效益；目的其二是研究热泵热力系统的热经济指标的计算方法,尤其是采用热泵技术前后经济评价的方法,即采用热泵前后节约标煤数值的计算方法。1.3研究内容本报告的研究内容是研究热泵热力系统中机组背压、热泵驱动蒸汽参数、热网循环水供回水温度等重要边界条件的变化对热泵热力系统产生的影响,通过研究的结果给出各边界条件的推荐值,同时给出系统的热经济指标计算方法,拟定出供热系统合理的节煤量计算方法。2吸收式热泵供热系统的优化2.1吸收式热泵的工作原理吸收式热泵循环的基本过程是：在吸收器中,溴化锂浓溶液吸收来自蒸发器的水蒸汽,被稀释成为稀溶液,放出吸收热；溶液泵将稀溶液从吸收器提升到发生器中,溶液的压力从蒸发压力相应地提高到冷凝压力；在发生器中,稀溶液被加热浓缩成为浓溶液,这时,释放出来的水蒸汽进入冷凝器,而浓溶液则流回吸收器；来自发生器的水蒸汽在冷凝器中放出凝结热,冷凝成水；冷剂水经过节流阀降压后,进入蒸发器蒸发,产生水蒸汽；水蒸汽进入吸收器,再被浓溶液吸收；完成了吸收式热泵循环。2.2吸收式热泵在热电厂中用于回收凝汽器乏汽余热的原理吸收式热泵在热电厂中用于回收凝汽器乏汽余热的原理与热泵的工作原理有关,共分三个循环：2.2.1汽轮机某段抽汽作为吸收式热泵的驱动汽源,驱动蒸汽凝结为凝结水后回到汽轮机的回热系统中。2.2.2湿冷机组吸收式热泵的低温热源为凝汽器循环冷却水,在全部回收机组的低压缸乏汽余热的情况下,凝汽器循环冷却水在凝汽器与热泵之间形成闭式循环,此时不需要冷却水上冷却塔或到江河中排热。空冷机组吸收式热泵的低温热源为排汽装置中的乏汽,乏汽被提取热量后凝结成凝结水进入凝结水系统。2.2.3热网循环水回水在热泵中被提取凝汽器或排气装置中的低压缸乏汽中的余热加热后,根据外界热负荷的需要再经过尖峰热网加热器加热后对外供热。2.3影响热泵热力系统的参数为衡量热泵系统是否合理,引入COP值即吸收式热泵的能效比的概念。吸收式热泵的能效比COP值-即获得的工艺或采暖用热媒热量与为了维持机组运行而需加入的高温驱动热源热量的比值,按工况的不同可达1.7~2.4。而常规直接加热方式的热效率一般按90%计算,即COP值为0.9。采用吸收式热泵替代常规直接加热方式节能效果显著。根据蒸汽型吸收式热泵的工作原理分析,在热电厂中利用吸收式热泵提取低压缸乏汽余热对外供热的热力系统中边界条件的设置即热泵三个循环的介质流量和参数为影响热泵出力的重要参数。2.3.1蒸汽型热泵驱动汽源压力为提高COP值的重要参数,根据下表可以看出,驱动蒸汽压力越高,热泵的COP值越高,意味着在提取相同余热的情况下,耗用的蒸汽越少,热泵的效率也就越高。图2.3-1热泵驱动蒸汽压力对出力影响曲线2.3.2驱动蒸汽疏水的压力与驱动蒸汽的压力基本一致,对于疏水温度,应要求热泵设备厂家增设疏冷段,以防止疏水在热泵到疏水箱的过程中由于阻力导致压力降低而出现汽化,致使疏水管道发生振动。2.3.3对于湿冷机组而言,低温热源的温度即凝汽器循环水出口温度,此参数对汽轮机的影响较大,直接影响机组的背压,进而影响机组发电出力。湿冷机组低温热源在热泵中的温降应与在凝汽器中的温升设定一致,以利于在热泵投运后低温热源介质形成闭式循环。图2.3-2热泵低温热源进口温度对出力影响曲线对于空冷机组而言,由于机组背压较高,低温热源即乏汽的热量较大,有利于热泵COP值的提高。2.3.4受限于吸收式热泵的吸收剂溴化锂的物理特性,被加热的热源即热网循环水回水的温度应低于60℃,随着回水温度的降低,热泵的COP值增大。热网循环水在热泵出口的温度应根据选定的热泵以及相应的边界条件进行确定,避免为了追求出口温度而导致热泵所需蒸汽量增加,即COP值降低。图2.3-3热泵热网水入口温度对出力影响曲线2.3.4热网循环水量的计算应根据热电厂所在区域热负荷情况或者提取乏汽余热的热量和热网供回水温差共同确定,根据当选定设备后热网循环水量变化对热泵出力的影响见下表。图1.3-4热泵热网循环水量对出力影响曲线2.4吸收式热泵供热系统参数优化2.4.1从2.3.1中得知热泵的驱动汽源压力越高,热泵的COP值越高。抽凝供热机组合适的热泵驱动汽源为机组的采暖抽汽,通常的300MW级供热机组采暖抽汽参数为0.294~0.4MPa〔a,这是由于许多城市的热电联产规划中将热网循环水的供水温度设定为130℃,因此要求汽轮机抽汽的压力要能够达到0.4MPa〔a,汽轮机采暖抽汽通常来自中压缸的末级抽汽,其压力调整是通过中压缸到低压缸的导汽管上的蝶阀〔LV阀来实现的。通过多个东北地区热电厂的调研,采暖抽汽压力往往达不到汽轮机设计的0.4MPa〔a,其原因是有两个方面,一方面是即使是采暖期以热定电的情况下机组的负荷也达不到额定负荷,另一方面是为了保证低压缸的最小通流,导汽管上蝶阀设定了最小开度。综上所述300MW级机组的热泵驱动汽源压力应根据电厂的实际运行数据确认,其实际运行能够实现的范围是0.2~通过调研XX热电厂采暖季抽汽压力基本在0.3MPa~0.32MPa间浮动,热泵COP值在1.64~1.69间浮动；XX电厂空冷机组热泵的驱动汽源为在导汽管上打孔抽汽,由于600MW机组中低压缸的分缸压力为0.8MPa〔a,热泵的COP值达到2.0。热泵驱动压力不宜高于0.8MPa〔a,其原因是如果压力过高,将导致设备的设计压力提高,从而提高设备的造价。2.4.2从2.3.1因此对于湿冷机组低温热源不宜选择过高。背压的选取原则应该为由电厂方面确认机组的夏季平均背压,然后计算夏季平均背压下的饱和温度再减去4℃的端差作为余热水热泵的入口温度,再根据区域平均热负荷下机组发电出力、区域平均热负荷计算出机组的热平衡,再根据热平衡计算出此工况下的汽轮机排汽热量。再由排汽热量、循环水量〔东北地区300MW等级机组采暖季基本为单台循环水泵低速运行,流量基本在16000t/h左右,及热泵的入口温度计算出循环在热泵出口出的温度。当机组真空度不断下降时余热水的温度也越高,随之热泵的效率也越高。而主机的效率则随着真空的不断下降而降低。经试算不同背压值可得出一个热泵效率向上的曲线,而机组效率不断下降的曲线。两个曲线的交点即为最佳的余热水选择温度。对于湿冷机组低温热源的温度通常选择在33~40℃之间。2.4.3从热泵的吸收剂溴化锂的物理特性可知,热网循环水回水温度应控制在60℃以下,热网循环水在热泵出口同样受制于溴化锂的物理特性,最高温度要小于95℃,而热网循环水在热泵出口的温度并不是越高越好,应根据驱动蒸汽压力、低压缸乏汽余热量、热网循环水量进行合理选择。如果单纯追求热泵出口热网循环水温度,将会造成热泵COP值降低,这意味着热泵热网循环水出口温度的提高是使用驱动蒸汽在热泵中进行加热,与热网循环水在热网尖峰加热器中被加热是一样的,同时还造成设备费用的无谓增加。热网水的回水温度取值要符合客观且合理,按照通常设计,热网水回水温度设计值为70℃,此值是严寒期时的设计回水温度,如按此值设计热泵,热泵机组的效率将急剧降低。应建议项目单位要合理调整热网水平衡,将热网循环水回水温度控制到60℃以内。如上所述,热网回水温度的高低决定着热泵的效率甚至热泵方案能否成立。因此应与电厂核实上一采暖季的热网平均回水温度。平均回水温度作为热泵的热网水的入口温度。2.5吸收式热泵设备选型优化吸收式热泵的选型应根据机组实际运行的情况和应用热泵技术的目的来考虑。吸收式热泵的应用通常有两种目的：增加热电机组的供热能力或提高机组采暖期的热经济指标。除上节提到的热泵热力系统的边界条件对设备选型的影响外,热泵机组的回收热量与热泵的出力息息相关,如要求低压缸乏汽以及给水泵汽轮机〔如有排汽的热量全部回收,则机组将严格执行"以热定电"的原则,如不全部回收低压缸乏汽热量,则要考虑冷却水塔或空冷岛的防冻。由于热泵设备投资较高,且热泵应该带基本负荷运行,所以热泵的选型应该既能满足机组的实际运行需要,又能以较小的设备投资达到原有设计热泵热力系统的目的。2.5.1由于热泵设备造价较高,在以增加机组供热能力为目的的项目中,热泵提取余热量可以考虑选择低压缸最小通流条件下,其乏汽热量与给水泵汽轮机排汽〔如有热量之和作为低温热源在热泵中被提取热量,结合设备选型的边界条件确定热泵设备的出力,以此原则进行选择的热泵容量为最小容量,在采暖期的严寒期运行时,湿冷机组可以形成凝汽器循环冷却水的闭式循环,在采暖期的非严寒期则会出现发电功率出力减少或者部分余热为冷源损失排掉的情况。2.5.2热泵机组对于低压缸乏汽额的回收利用并不是越多越好,如果这样做首先会造成产生大量的低温热水,在采暖初寒期使用不了,在采暖严寒期达不到需要的温度。热泵的选型按照汽轮机组额定主蒸汽进汽量工况考虑时,首先需要确定供热机组所承担的热负荷,并根据热泵选型的边界条件中热网循环水的供回水温度确定热网循环水量,根据热泵的COP值经过反复试算,确定汽轮机组的五段抽汽中用于驱动热泵的蒸汽量以及用于尖峰热网加热器将热泵出口的热网循环水加热到设定的热网循环水供水温度所需的蒸汽量。当在机组最大抽汽能力一下找到抽汽量与低压缸排汽量的平衡,如果热网循环水出口水温要求较高,可能需要外接汽源〔从其他机组上引接才能找到蒸汽与低压缸排汽的平衡点,此时低压缸乏汽余热与给水泵汽轮机排汽余热即为热泵需要提取的热量,再加上驱动汽源的热量,即为热泵的设备出力。按照此种方法进行的选择的热泵容量较大,热泵在采暖期的严寒期能够满负荷工作,而在其他气候条件下,可能会出现有热泵停运的情况。2.5.3虽然常规热电联产机组应遵循"以热定电"的原则,但是在东北地区由于电力消纳问题,往往需要热电联产机组在对外供热的同时,还要限制机组的发电功率。对于此类型机组的热泵设备选型同样需要结合汽轮机组的发电功率,找到采暖抽汽与低压缸乏汽余热和给水泵汽轮机排汽热量之和的平衡点,确定热泵机组的出力,进行热泵选型。此种设备选型热泵的出力介于2.5.1和2总之,热泵的选型应根据每个工程的实际需求制定边界条件和主汽轮机的运行情况进行设计。如以上所述,应让热泵尽量多带整个采暖区域的平均热负荷,一般情况下,如热泵带整个区域的平均热负荷,一般都会受到热网水量的制约。因此如前所述,应选取机组供区域平均热负荷时的排汽量条件下来进行热泵选型。3热泵热力系统热经济性指标计算3.1计算原则热电联产项目采用热泵回收冷源损失中的余热对外供热的目的有一下两个：其一是扩大机组对外供热能力,其二是不扩大机组对外供热能力而是为了提高机组的热效率。带热泵供热机组的热经济性应该遵循以下原则进行计算：a采用热泵前后的供热量和发电量相同。b采暖期热经济指标首先根据带热泵后机组的热负荷,确定平均热负荷工况热平衡图,在计算机组采暖期热耗率时将抽汽热量与低压缸乏汽热量以及给水泵汽轮机排汽的热量统计起来作为机组和热泵整体的对外供热进行计算。c非采暖期的计算与常规抽凝机组的热经济指标计算一致。3.2计算工况热平衡的确定通常衡量常规抽凝供热机组热经济性的方法是,以机组整个采暖期的对外供热量平均分配到整个采暖期的每一个小时上所对应的抽汽热平衡为基础进行计算的。对于带热泵的热力系统同样要找到一个平均工况下的热平衡,针对以提高机组热效率为目的的热泵项目,其过程与常规抽凝机组的方法一致,只是在计算机组热耗率时,将低压缸乏汽与给水泵汽轮机排汽的余热量考虑为对外供热量。针对以扩大机组供热能力为目的的项目,首先以原机组的最大供热能力为基准找到平均供热工况进行热经济指标计算,再考虑以扩大后的热负荷为基准找到平均供热工况的热负荷进行热经济指标计算。抽凝供热机组的热平衡需要的条件为a.主汽进汽量、b.采暖抽汽量、c.机组背压、d.发电功率满足四个条件中的任意三个就能够确定热平衡。3.2.1供给热泵余热水的机组背压应按夏季平均背压工况选取。3.2.2带热泵的抽凝供热机组的采暖抽汽量分为两部分,一部分是用来驱动热泵的蒸汽,一部分是用来加热热泵出口热网循环水到热网所需温度的蒸汽量。采暖抽汽量的不同会影响低压缸乏汽热量的变化,乏汽热量的变化又会影响热泵驱动蒸汽量的变化,从而影响热泵出口热网循环水的温度,最终影响采暖抽汽的蒸汽量。因此要通过试算找到低压缸乏汽量与采暖抽汽量的平衡点。采暖抽汽量的计算是整个热泵计算难点也是重点,是热泵容量选择的基础。3.2.3当供热机组在采暖期的发电功率不受限制时,可以采用TMCR工况的进汽量。此时计算出的发电功率较高。比较符合实际的做法是由电厂给出上一采暖季的平均发电出力,然后由背压、抽汽量计算出主蒸汽量。3.2.4某些抽凝供热机组在采暖期仍然要进行电力调峰,调度要限定机组的发电功率,在这种情况下,就要以发电功率来计算主汽进汽量,从而确定热平衡。3.3热电厂的运行节煤量的比较方法采用热泵技术回收低压缸乏汽余热的方案的经济效益应该与原有机组的经济效益进行比较,主要体现在节煤量上。节煤量应该在带热泵的抽凝机组于不带热泵的抽凝机组在相同的年供热量和相同的年发电量这同一标准上进行比较。3.3.1如原机组的供热能力仍未达到极限,则设置热泵的目的是以减小冷源损失,提高机组热效率为目的,即当机组采用热泵技术后的供热面积依旧在原机组的最大供热面积以内的项目,则按照平均热负荷所对应的热平衡进行热经济指标计算,以年耗标煤量做差,即为热泵来带的经济效益。其中为热泵节煤量如果热负荷有变化,比较节煤量时应将原机组的热负荷提高到与带热泵机组的热负荷一致的条件下,因为这是机组本身所具有的能力。3.3.2以扩大机组对外供热能力为目的的机组,当机组采用热泵后的供热能力超出原机组的最大供热能力时,其节煤量应为两部分年耗标煤量与带热泵机组的年耗标煤量之差,其中第一部分是以原机组最大供热能力为基准的平均工况热平衡计算出年耗标煤量,第二部分是考虑除原机组最大供热能力以外部分热负荷,并假设这部分热负荷由热电厂所在区域锅炉房提供而消耗的年燃标煤量。其供热标准煤耗率取44.7kg/GJ。3.4热泵热力系统的经济效益分析带热泵热力系统的经济效益分析同样要根据热泵改造的目的进行分析,当机组采用热泵技术后的供热面积依旧在原机组的最大供热面积以内的项目,其经济效益按照年节标煤量和标煤价格的乘积进行计算。当机组采用热泵后的供热能力超出原机组的最大供热能力时,其经济效益分析可以分为两部分,第一部分为在抽凝机组最大供热负荷时的年节煤量与标煤价格的乘积,第二部分为超出原机组最大供热能力部分,其计算方法为：其中F—额外供热面积的经济收益,元S—额外供热面积,m2qn—综合采暖热指标,W/m2f—热价,元/GJб—平均热负荷系数4热泵选型及经济指标计算过程4.1热泵选型过程1首先确定主机夏季平均背压,并通过夏季背压下的饱和水温度和凝汽器端差计算出余热水〔循环水热泵入口温度。2由电厂方面确定采暖季发电机的平均出力。3由采暖面积、室外计算温度等计算整个采暖区域〔并非机组的平均热负荷。4由背压、发电机平均出力、区域平均热负荷下的抽汽量计算热平衡。5由热平衡计算出给水泵汽轮机〔如有与主汽轮机的排汽热量。6为了余热水在整个采暖季大多数时间里能形成凝汽器—热泵间的闭式循环,由主机排汽热量、第1条计算出的余热水热泵入口温度、余热水量计算出余热水在热泵出口处的温度。也就是计算出能由热泵提取的热量。7由电厂处取得上一采暖季热网平均供回水温度。8由电厂取得采暖季驱动蒸汽压力波动范围,并取平均值。将驱动蒸汽平均压力、温度,余热水量、余热水进出热泵温度,热网回水温度〔热泵入口热网水温度提给热泵制造商,由热泵制造商计算热泵COP值及热网水在热泵的出口温度。9由以上可得热泵机组的总出力,再除以台数就是单台热泵的出力。但受到设备加工、维护、制造方面的制约,不推荐单台热泵出力大于50MW。以上为热泵选型的步骤为计算过程。4.2设热泵后的经济指标计算如上所述,经济指标的计算将分为两种情况。设热泵后全厂的实际供热出力在全厂最大供热能力之内1计算无热泵时,全厂采暖季的平均供热工况下的热平衡,并根据热平衡计算出标煤耗和燃煤量。2计算有热泵时,全厂采暖季的平均供热工况下的热平衡,并根据热平衡计算标煤耗和燃煤量。以上两个热平衡计算时,发电出力要相同。所不同的是两个热平衡的背压和抽汽量不一样。有热泵时的热平衡的抽汽量要小于无热泵时的抽汽量,但计算热耗时对外供出的热量要和无热泵时一致。通过两个热平衡计算出的燃煤量的差就是节煤量。设热泵后全厂的实际供热出力在全厂最大供热能力之外1计算无热泵时,全厂采暖季的平均供热工况下的热平衡,并根据热平衡计算出标煤耗和燃煤量。2计算有热泵时,全厂采暖季的平均供热工况下的热平衡,并根据热平衡计算标煤耗和燃煤量。以上两个热平衡计算时,发电出力要相同。所不同的是两