某发电厂热泵技术利用火电厂循环水余热供热技术研究与实践总结报告

某发电厂热泵技术利用火电厂循环水余热供热技术研究与实践总结报告内容摘要：

后返回凝汽器冷却汽轮机排汽；汽轮机抽出的蒸汽分为两路，一路进入吸收式热泵机组，作为驱动热源，在发生器内加热浓缩溴化锂溶液，另一路进入汽－水换热器中，加热大热网 ；在电厂内，大热网45℃ 回水 首先进入蒸汽吸收式热泵机组（多台串联方式），加热到 80℃ 后流出，再进入汽－水换热器中 二次加热，加热到 130℃ 后送入大热网。 该种 供热 方式 一方面 可以产 生大温差的高温热水，作为 城市集中供热 的热源 ；另一方面 由于有效 回收 了 电厂 循环水余热，增加了电厂的供热能力，降低了集中供热成本。 汽轮机 凝汽器 蒸汽吸收式热泵 蒸汽 凝水 30℃ 20℃ 55℃ 40℃ 用户散热器 图 211 集中式热泵 ＋换热器供热方式流程图 如图 212 所示，是一种大温差集中式热泵供热方式， 其特点是在电厂内部采用蒸汽吸收式热泵和汽－水换热器相组合的加热方式，产生超大温差高温热水；在末端采用热水吸收式热泵和水－水换热器相组合的换热方式，实现大温差换热。 实际运行过程， 凝汽器出口 30℃ 的循环水进入热泵蒸发器，作为低位热源，将 热量放给热泵，降温到 20℃ 后返回凝汽器冷却汽轮机排汽；汽轮机抽出的蒸汽分为两路，一路进入吸收式热泵机组，作为驱动热源，在发生器内加热浓缩溴化锂溶液，另一路进入汽－水换热器中，加热大热网 ； 在电厂内， 10℃ 的热网回水 首 先进入凝汽器预热 到 30℃ 后流出 ， 进入蒸汽吸收式热泵机组（可采用多级串联形式）二次加热，加热到 80℃ 后流出，再进入汽－水换热器中被三次加热，加热到 130℃ 后送出电厂，进入末端热力站的热泵型换热器进行换热，降温到10℃ 后返回电厂，如此循环。 由上面的叙述可以看出，该种供热方式可以使高温热水产生 110℃ 的温差，较常规集中供热热网运行增大约一倍，这样会大幅增加热网的输送能力和输送距离，同时由于回水温度低 ，无保温和热力补偿问题 ； 利用汽轮机排汽预热热网回水，并利用循环水作为吸收式热泵的低位热源，尽可能大限度地回收了电厂发电过程中产生地余热，增大了电厂的供热能力，降低了供热成本。 但该方式的系统流程以及各类热泵机组的组合比较复杂，设备初投资较常规集中供热方式会有所提高，调节控制 的难度 也将 增加。 汽轮机 凝汽器 蒸汽 吸收式热泵 汽 水 换热器 蒸汽 凝水 30℃ 20℃ 80℃ 130℃ 45℃ 水 水 换热器 大热网 图 212 大温差集中式热泵供热方式流程图 综上所述的几种 循环水热泵供热方式差别很大，系统形式和热泵机组都不尽相同，需要根据实际应用的对象合理选择。 用户连接方式 如果热泵集中设置在电厂内，则管网输送的是温度相对较高的热水，用户直接利用管网中的热水采暖，因此这种情况下用户与管网的连接方式与通常的城市热水管网集中供热方式基本相同，此处不再赘述。 下面仅对分布式热泵供热方式用户端的用户与管网可能连接方式作一简单介绍。 对采用中央空调的建筑或建筑群，可采用如图 213（ a）所示的连接方式，循环水直接进入中央热泵的蒸发器，中央热泵输出要求温度的热水，由热用户内部 供热系统中的循环水泵输送，进入各室内散热末端装置。 为了提高热泵性能，应尽量采用高效散热末端以降低热水温度，如风机盘管、低温辐射采暖等。 图214 所示为一种压缩式水 水热泵外部管路的连接方式示意图。 对采用分户空调的建筑，可采用如图 213（ b）所示的连接方式，循环水分别送入各户的户式水源热泵系统，便于各户分别控制。 用户所采用的户式水源热泵系统可以是水 水热泵 +高效散热末端（如风机盘管、低温辐射采暖等）形式，也可以是水 空气热泵直接加热室内空气的形式。 为了降低输送能耗，循环水的利用温差要求尽可能大，负荷调节 方式最好采汽轮机 凝汽器 凝水 蒸汽 蒸汽 吸收式热泵 汽 水 换热器 热泵型 换热器 热泵型 换热器 130℃ 10℃ 30℃ 30℃ 20℃ 80℃ 用量调节；而热泵装置一般设计的进出口温差为 5℃，而且一般不允许较大范围的流量变动，因此为了使管网与热泵的流量相匹配，可在系统中装混合水泵。 图213（ c）就是对采用中央空调的建筑配置混合水泵的连接方式示意图，图 213（ d）是对采用分户空调的建筑配置总混合水泵的连接方式示意图（也可以分户设混水泵，图中未标）。 来自供水管的循环水与混合泵送来的回水混合后进入热泵蒸发器，以增大进入蒸发器的水流量，此时送入蒸发器的水温将低于管网供水温度。 为了防止混合水泵的扬程高于管网供、回水管的压差，而将管网回水抽入供水 管中，在供水管入口处应装设止回阀。 当供水温度或用户热负荷改变时，通过调节混合水泵的流量和供、回水管进出口处的阀门开启度，可以保证进入热泵蒸发器的水流量基本不变，并且热泵蒸发器出口水温（即系统回水温度）维持在设定值。 当用户热泵停止运行时，可切断供、回水管进出口处的阀门，以减小系统流量。 上述功能一般应通过设置自控装置实现。 上述控制可将系统回水温度控制在足够低的水平，这样可以增大供回水温差，减小循环水流量，以尽量降低管网初投资和输送能耗。 当然，系统回水温度降低将降低热泵的性能，增加热泵的电耗，因此回水温度应有一 最佳值，可通过技术经济分析确定。 如果进入凝汽器的循环水温度太低会对发电机组运行产生不利影响，可通过调节设置在电厂内的旁通阀 2，将进入凝汽器的循环水温度控制在要求的温度范围之内。 图 213（ e）是采用热泵型热水器生产生活热水的用户与管网的连接方式示意图，根据不同热泵的要求，也可在循环水和（或）热水侧设置混合水泵（图中未标）。 对用于提供生活热水的热泵系统，非采暖季可继续运行，此时由于气温的升高使循环水温度高于冬季，用户节能效果更明显，另外还有利于电厂 循环水的冷却（特别是在夏季），并减少循环水蒸发损失。 非采暖季热负荷较小，应通过循环水泵变频或改变运行台数以减少循环水的流量，降低泵耗。 传统的集中供热系统，因非采暖季热负荷较小，管网散热损失相对增大，系统能效降低，而循环水源热泵系统，管网温度较低（接近常温），不存在散热损失问题，因此利用循环水源热泵提供生活热水的供热形式应引起重视。 图 213 热泵 在用户端的循环水管网输配系统示意图 1－循环水泵； 2－旁通阀； 3－供水管； 4— 回水管； 5— 中央热泵； 6— 室内末端（暖气片、风机盘管、低温辐射采暖等）； 7— 用户系统循环水泵； 8— 膨胀水箱； 9－户式热泵； 10－混合水泵； 11－热泵型热水器； 12－冷自来水管； 13－热水供应系统。 （ a） （ b） （ c） （ d） 1 2 3 4 5 6 6 7 8 7 9 10 8 9 10 11 13 （ e） 12 第三章 技术研究 第一节 研究的关键点和难点 关键点 将 循环水热泵供热技术在 在实际 中应用时 ，其关键在于： 1）负荷要求 负荷要求主要 包括系统的 供热负荷 、 供热参数 、运行模式（间歇或连续）等，这 是 热泵机组形式和容量配置选择的关键。 2）系统形式确定 综合考察系统供热规模、 输送距离、 可资利用的资源（蒸汽、 电力 ）等 因素 ，选择合理的 热泵连接 形式， 这是保证系统能够合理、安全、高效运行的关键。 3）设备选择及 匹 配 系统负荷和形式确定之后，根据系统的要求选择能够满足要求的热泵形式，对于多种形式热泵组合的系统，还确定各种热泵的匹配方案，需要研究各种形式热泵在不同工况下的性能，这是系统能否满足运行要求的关键。 4） 系统 控制 根据 不同的系统以及负荷情况制定相应 的控制策略，对热泵以及水泵等辅助设备进行实施调节，首先保证系统能够安全、稳定运行满足末端负荷的需求，并使热泵机组处于高效运行状态。 难点 1） 专用热泵设备 对于电厂循环水热泵供热系统，一方面作为低位热源的循环水温度较高，凝汽器出水温度一般为 20～ 30℃ ，同时 需要产生满足使用要求的（采暖或生活热水）热水，温度相对较高，一般为 50～ 60℃，如此工况下，目前常规的水源热泵机组无法满足使用要求 ；另一方面，为减小循环水热泵供热系统的输送能耗，需要增大循环水和供热热水温差，常规水源热泵机组冷冻水和冷却水的 供、回水温差较小，无法满足大温差运行的这一要求。 因此，需要根据电厂循环水热泵供热系统的运行工况设计开发出专用的热泵机组。 2）运行优化 如何根据不断变化的外界条件（循环水温度、环境温度、用户用热规律等）来设计与调控系统，使系统安全稳定运行并实现综合性能的最优化，这方面的工作需要经历详细数据采集，模型优化分析、实际调试三个阶段。 首先需要采集机组设备运行及性能参数、循环水温度变化等资料，搭建系统模型进行理论优化分析，指导系统的实际运行调试，并根据测试结果对理论模型进行改进完善，进一步对实际运行参数进行调整，这样 不断完善优化模型和改进运行参数，最终实现运行最优的目的。 第二节 设备及系统 研究 设备开发 1）多级串联的热泵机组 多级 串联的热泵机组，其特征是至少由两台热泵单元组成，如图 31 所示 三级串联热泵机组 ，每台热泵单元均是由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成，分别通过管路连接成三个相互独立的制冷工质循环回路。 三台热泵的冷凝器相互串联成为一个 三级的 管壳式换热器，热水回水依次流经 第三级冷凝器、第二级冷凝器和第一级冷凝器逐级加热后流出；三台热泵的蒸发器串联成为 一个管壳式换热器， 循环水进水依次经过各级冷凝器 逐级 降温后送出。 本设备的 优点就是能够将较低的热水回水梯级加热到较高的温度，能够实现大温差、小流量的运行方式，系统的综合能源利用效率大大提高，主要体现在：第一，冷却水升温方向与冷冻水的降温方向相反，降低了蒸发器和冷凝器的温差，减少了不可逆传热损失，机组整体的性能系数得到提高；第二，采用热泵设备串联的方式，可以根据不同温升梯度段的工况选取不同的热泵单元，保证每台热泵能够在其高效工况运行；第三，采用温度梯级升降的方式，可以生产出较高温度(55℃ ) 的热水，同时还可以根据用户的用热要求，通过控制热泵运行台数来调节 热水出水温度；第四，冷冻水和冷却水的供、回水温差增大，降低了系统的输配能耗以及管网统投资。 图 31 三 级串联热泵机组流程示意图 2） 多级工质串混联 型热泵机组 多级 工质 串 混联 型热泵机组 其特征在于：该机组由两级或两级以上的冷凝器、蒸发器、压缩机及相应的节流装置和连接管路组成；各级冷凝器热水管路相互串联，构成一个连通的进出回路，共用一个水系统；各级蒸发器冷水管路相互串联，构成一个连通的进出回路，共用一个水系统；相邻冷凝器制冷剂管路之间通过节流装置串联 连接，最末级冷凝器与第一级蒸发器通 过节流装置连接；相邻蒸发器制冷剂管路之间也通过节流装置串联连接。 如图 32 所示 的三级 工质串混联 型热泵机组， 第一级冷凝器压力大于第二级冷凝器压力，第二级冷凝器压力大于第三级蒸发器压力，第三级冷凝器压力大于第一级蒸发器压力，第一级蒸发器压力大于第二级蒸发器压力，第二级蒸发器压力大于第三级蒸发器压力。 来自第一级蒸发器的过热或饱和制冷剂蒸汽被 一级 压缩机压缩后进入第一级冷凝器冷凝成制冷剂液体，所放出的冷凝潜热加热热水高温段；来自第二级蒸发器的过热或饱和制冷剂蒸汽被 二级 压缩机压缩后进 入第二级冷凝器冷凝成制冷剂液体，所放出的冷凝潜热加热热水中温段；来自第三级蒸发器的过热或饱和制冷剂蒸汽被三级压缩机压缩后进入第三级冷凝器冷凝成制冷剂液体，所放出的冷凝潜热加热热水低温段；第一级冷凝器流出的制冷剂液体通过第一级冷凝器出口冷剂节流 阀 节流降压后进入第二级冷凝器，所放出的热量亦用于加热热水中温段，并与第二级冷凝器中 冷凝的制冷剂液体汇合后流出，一起通过第二级冷凝器出口冷剂节流阀 节流降压后进入第三级冷凝器，所放出的热一级冷凝器 二级冷凝器 三级冷凝器 一级蒸发器 二级蒸发器 三级蒸发器 节流阀 节流阀 压缩机 压缩机 压缩机 热水供水 热水回水 循环水进水 循环水出水 量亦用于加热热水低温段，并与第三级冷凝器中冷凝的制冷剂液体汇合后流出，一起通过第三 级冷凝 器出口冷剂节流阀 节流降压后进入第一级蒸发器，部分制冷剂液体从冷水高温段吸热蒸发变为过热气或饱和气，再被一级压缩机压缩进入第一级冷凝器，另一部分制冷剂液体流出第一级蒸发器，通过第一级蒸发器出口冷剂节流 阀 进一步节流降压后进入第二级蒸发器，部分制冷剂液体从冷水中温段吸热蒸发变为过热气或饱和气，再被二级压缩机压缩进入第二级冷凝器；剩余的制冷剂液体再流出第二级蒸发器，通过第二级蒸发器出口冷剂节流 阀 进一步节流降压后进入第三级蒸发器，从冷水低温段吸热蒸发变为过热气或饱和气，再被三级压缩机压缩进入第三级冷凝器；如此循环往复 ，完成从冷水吸热，加热热水的目的。 可以看出，本机组将热水和冷水分别分成了三段，热水在三段冷凝器中梯级升温，冷水在三段蒸发器中梯。