热电联产机组耦合吸收式热泵运行特性的研究_李蔚.pdf

第 卷 第期 年月动力工程学报 收稿日期：作者简介：李蔚（），女，浙江金华人，博士，副研究员，研究方向为热力系统建模与仿真。杨存辉（通信作者），男，硕士研究生，电话（）：；：。文章编号：（）：热电联产机组耦合吸收式热泵运行特性的研究李蔚，杨存辉，吴国林，王海鸿，梅传颂，赵永良，盛德仁（浙江大学 能源工程学院，杭州 ；北京热力集团有限责任公司，北京 ；北京京能能源技术研究有限责任公司，北京 ）摘要：为提升耦合吸收式热泵热电联产机组的经济性，基于 搭建机组热力模型，采用控制变量法，分析热泵内外部参数对热泵效率和机组热经济性的影响，结合某 热电联产机组实际运行数据进行研究。结果表明：在额定采暖工况下，耦合吸收式热泵比只采用热网加热器可节省约 的抽汽量，机组热效率提高；热网回水温度升高，热泵性能系数 下降约，机组的热经济性下降约，可通过提高热泵供热负荷，减小机组热经济性下降的幅度；提高低温循环水温度，热泵 和机组热经济性均增大，当热网回水温度与其差异小于 时，供热性能提高效果不明显；热泵发生器出口蒸汽温度升高，热泵 增大 ，机组供热耗汽量增加约；通过调整热泵运行参数，可提取更多循环冷却水余热，降低热网加热器出力，减少机组的冷端损失。关键词：热电联产；吸收式热泵；余热利用；热经济性中图分类号：文献标志码：学科分类号：，（，；，；，）：，；，；，（）；，；，：；随着“碳达峰、碳中和”战略目标的推进，新型电力系统下，火电机组有效利用小时数逐年降低，并要求参与深度调峰。结合北方地区的采暖需求，火电机组进行供暖改造。燃煤热电联产机组“以热定电”的特性限制了机组参与热电负荷调峰的灵活性，目前实现一定程度的热电解耦有常见几种措施：高中压缸连通管打孔抽汽供热、高背压供热、低压缸光轴供热、切除低压缸供热、低温热源提取供热、电锅炉和储热罐等。其中，低温热源提取供热包含利用循环水余热、地热和空气能等方面。溴化锂吸收式热泵可以采用汽轮机中压缸抽取蒸汽、高温热水等热源作为驱动热源，提取低温循环水中的余热，满足热用户的热负荷需求。对于吸收式热泵，国内学者进行了一些研究。张学镭等建立了基于吸收式热泵回收余热的供热系统流程和吸收式热泵的数学模型，研究表明热泵能够提高机组的效率和机组功率。张抖等建立了加装吸收式热泵前后的运行安全区模型，分析热泵制热系数对机组供热能力和运行安全区的影响，研究机组调峰能力随抽汽量和热泵制热系数的变化。刘媛媛等采用品位分析法研究热泵供热系统的节能潜力，发现热网加热器的损失占比较大，为了提升热泵在供热系统中的节能性，提出两级热泵串并联耦合而成的新系统。李岩等针对回收多台机组乏汽余热的梯级供热系统开展研究，引入“供热等效电”的能效评价指标，提出机组背压调整的优化运行方法。为了模拟热力机组的实际运行状态，采用热力仿真软件进行结构机理建模是种有效途径，目前 和 热力仿真软件应用广泛。软件是德国 公司开发的电站工程一站式解决方案，被广泛用于电站设计、评估和优化以及其他热力循环过程，如燃气联合电站、热电联产电站、整体煤气化联合循环电站和核电站等，可实现电站建模、热平衡计算、机组模拟仿真、能耗及效率分析等。华电电力科学研究院的朱良君等运用 软件分别搭建余热锅炉蒸汽轮机组、溴化锂吸收式制冷机组等模型，比较耦合系统在不同工况下，机组的发电效率以及能源利用率等指标的变化情况。东南大学的马泉基于 软件建立了燃气蒸汽联合循环机组模型，开展联合循环系统太阳能热互补发电技术的优化分析。浙江大学的许可等采用 软件对全厂多台汽轮机和锅炉进行建模，对机组间的低压供热负荷分配进行研究。刘春巍采用 软件对吸收式热泵进行建模，研究热泵对热电联产机组电力调峰的影响。国内外学者对热电联产机组和吸收式热泵的经济性开展了一系列研究，但是较少整体探讨热泵运行参数对整个热力系统经济性的影响。笔者依据溴化锂吸收式热泵数学模型，采用 软件搭建耦合吸收式热泵的热电联产机组热力模型，通过对热泵额定运行工况的仿真计算，验证热力模型的准确性。对热网加热器和热泵协同运行的控制逻辑进行梳理，分析热泵的投运、低温循环水热泵入口温度和热泵发生器出口蒸汽温度对热泵性能系数、机组经济性、当量耗汽系数和供热耗汽量的影响，并结合某 热电厂实际运行数据进行分析，为后续耦合热泵机组的优化运行提供理论指导。耦合热泵机组模型 机组概况某超临界、一次再热 热电联产机组的热力系统原理如图所示。汽轮机第四级段抽汽用于加热热网加热器并作为吸收式热泵驱动热源，采用热泵和热网加热器耦合的方式提取循环水余热，减少冷端热量损失。溴化锂吸收式热泵模型热泵工作原理 如图所示。制冷剂水在蒸发动力工程学报第 卷器中蒸发，回收废水中的余热，形成制冷剂蒸汽进入吸收器与浓溶液混合，并释放热量，加热热网回水。吸收器中的溶液浓度降低，通过溶液循环泵加压，与热交换器换热后进入发生器。发生器由驱动热源提供热量，将溴化锂溶液加热，产生制冷剂蒸汽，进入冷凝器进一步加热冷凝器中的热网水，形成制冷剂冷凝液，提升热网水的温度，制冷剂节流后进入蒸发器；发生器中的溴化锂溶液浓度下降，变为稀溶液，通过热交换器降温后，经节流进入吸收器，完成循环。图 耦合热泵供热机组原理图 图 吸收式热泵工作原理图 为了便于分析吸收式热泵系统的性能，对该系统进行建模，作以下假设 ：系统处于热平衡和稳定运行状态；工质通过节流阀前、后焓值不变；热泵组件与环境的换热损失以及管路压力损失忽略不计；发生器和蒸发器出口工质蒸汽处于饱和状态；吸收器和冷凝器出口工质液体处于饱和状态。热泵系统的能量守恒方程为：（）式中：为吸收器释放用于预热热网循环水的热量，；为冷凝器释放加热热网循环水的热量，；为发生器吸收高温蒸汽的驱动功率，；为蒸发器吸收凝汽器出口循环水的热量，。热泵性能系数 为：（）吸收式热泵从外部获取的能量公式如下：，（）（）式中：，为发生器的驱动蒸汽质量流量，；为驱动蒸汽焓，；为疏水焓，。，（）（）式中：，为进入蒸发器的凝汽器出口循环水质量流量，；为低温循环水进口焓，；为低温循环水出口焓，。，（）（）式中：，为热网回水质量流量，即进入吸收器的热网循环水质量流量，；为热网回水焓，；为吸收器出口的热网水焓，。，（）（）式中：为冷凝器出口（即热泵出口）的热网水焓，。吸收式热泵内部工质能量守恒公式如下：，（）（）式中：，为进入蒸发器的工质冷凝水质量流量，；为蒸发器出口饱和工质蒸汽焓，；为进入蒸发器的凝结工质的焓，。，（）（）式中：为冷凝器入口饱和工质蒸汽焓，；为冷凝器出口低温凝结循环工质焓，。.模型耦合汽轮机低压缸末级排汽进入凝汽器，凝汽器出口的循环水一部分进入吸收式热泵，被蒸发器中的循环制冷工质吸收热量，之后进入冷却塔的水池，参与下一步循环。机组可通过调节驱动蒸汽量和进入热泵的循环水量等参数，在满足安全运行的基础上，灵活调节热泵供热负荷，满足用户对供热量的需求。采暖负荷高峰期，用户对热网循环水量和温度要求较高，此时需将部分中压缸排汽抽至热网加热器，进一步提升热网循环水温度。为了衡量吸收式热泵与热网加热器在采暖供热中的贡献度，提出个无量纲量当量耗汽系数：，（）式中：，为热网加热器进入的蒸汽质量流量，。蒸汽型单效吸收式热泵设计参数和热网侧的边界参数见表。第期李蔚，等：热电联产机组耦合吸收式热泵运行特性的研究表 热泵和热网的设计参数 参数数值驱动热源热泵供热量 驱动蒸汽压力 驱动蒸汽质量流量（）热网水热网水热泵进口温度 热网水热泵出口温度 热网水供水温度 热网水单台热泵进口质量流量（）循环冷却水蒸发器低温循环水进口温度 蒸发器低温循环水出口温度 蒸发器循环水质量流量（）热网加热器额定采暖抽汽质量流量（）采暖抽汽疏水温度 耦合热泵机组 模型搭建 模型搭建基于上述数学模型，采用 软件分模块搭建耦合吸收式热泵的供热机组热力模型，如图所示。模型主体是包含高压缸、中压缸和低压缸的热力循环，热网加热器和吸收式热泵组件通过管路和控制逻辑线与模型主体连接。模型中的热网侧数据可以通过软件中的数值输入组件导入。热泵控制逻辑溴化锂吸收式热泵内部热力参数由对应组件确定。各组件的功能和具体控制逻辑如图所示。（）发生器消耗驱动蒸汽热量。发生器驱动功率由汽轮机抽汽提供，通过调节凝结水温度和抽汽质量流量来实现。随着热泵所需驱动功率的变化，为确保高温蒸汽凝结水顺利汇入凝汽器，通过调整高温蒸汽质量流量来维持驱动蒸汽凝结水温度在合理范围内。发生器新蒸汽出口温度通过发生器组件设定的出口温度进行调节；发生器出口蒸汽质量流量，由 号流量输入组件确定。（）蒸发器提取低温循环水余热。凝汽器出口的低温循环水进口温度受机组功率和低温循环水质量流量的影响，可以通过调节进入热泵的低温循环水质量流量达到提取低温余热的功率。蒸发器循环工质侧温度低于低温循环水温度，蒸发器入口液态凝结工质的温度通过吸收器入口浓溶液压力进行调节，而由 号压力组件给定。（）吸收器对热网回水的预热。经过溶液热交换器冷却的浓溶液，节流后的压力为。吸收器溶液出口温度通过吸收器组件设定的出口温度进行调节。吸收器释放的热量通过热量注入组件实现对热网回水的预热。（）冷凝器对热网回水进行二次加热。发生器产 生的蒸汽工质凝结放热，通过调整冷凝器的换热图 机组耦合吸收式热泵模型 动力工程学报第 卷图 热泵和热网加热器控制逻辑图 端差，结合吸收器热网出口水的温度，可以实现对热网水热泵出口温度的调节。通过调整发生器出口新蒸汽质量流量、吸收器压力和低温循环水质量流量等参数来实现热泵功率的调节。模型校验针对额定采暖抽汽工况，将相关数据导入搭建的耦合热泵模型进行计算，分析汽轮机主要热力参数仿真值与设计值之间的偏差，部分参数见表，与设计参数对比发现，相对误差控制在内，模型仿真计算结果基本准确，可运用于实际工程仿真计算。表额定采暖抽汽工况仿真计算结果 参数设计数值仿真数值相对误差汽轮机发电功率 给水焓（）给水温度 再热蒸汽质量流量（）除氧器进汽压力 除氧器进汽温度 供暖抽汽压力 供暖抽汽温度 低压缸排汽压力 低压缸排汽质量流量（）计算内容以单台 热电联产机组，配置台 热泵的热力系统作为研究对象，机组的主要参数固定不变，对比有无热泵供暖对机组的影响，并分析热网回水温度、低温循环水热泵入口温度和热泵发生器出口蒸汽温度对热泵性能系数、机组经济性、当量耗汽系数和供热耗汽量的影响规律。机组的计算边界条件见表。表机组主要参数 参数数值主蒸汽质量流量（）主蒸汽压力 主蒸汽温度 再热蒸汽温度 有无热泵对机组性能的影响采用控制变量法，保持热网循环水量、热网回水温度、热网加热蒸汽温度和压力不变，将热网供水温度从 逐步提升至 。由图可知，吸收式热泵投运时，相对于只采用热网加热器，热网耗汽量减少约 ，减少幅度约，机组热效率提升约；随着热网供水温度的提高，机组热效率也升高。因此，采用吸收式热泵提取低温循环水余热，可以减少热网加热器抽汽量，提升机组经济性。图有无热泵对耗汽量和机组热效率的影响 热网回水温度对机组性能的影响采暖期内，室外环境温度不断变化，热网回水温度也随之波动。将热网加热器的热网供水温度设定为，热网回水温度变化范围为 。由图和图可知，随着热网回水温度升高，热泵性能系数 减小和机组热经济性降低，机组供热耗汽量和热泵驱动蒸汽所占比重也均降低。由于热负荷降低，若保持热泵供热负荷不变，热泵热网水出口温度会随之升高，热网加热器耗汽量降低，可减少不可逆热损失。因此，供热负荷较低时，通过提高热泵供热量，可缓解机组热效率的下降幅度。低温循环水热泵入口温度对机组性能的影响凝汽器出口循环水温度随着机组负荷的变化而第期李蔚，等：热电联产机组耦合吸收式热泵运行特性的研究图热网回水温度对 和热经济性的影响 图热网回水温度对当量耗汽系数和供热耗汽量的影响 变化。保证热网侧进出口参数不变，热网回水温度设定为。如图和图所示，随着低温循环水进入蒸发器温度的升高，蒸发器提取余热量变大，热泵的 和机组的热经济性逐渐升高，当量耗汽系数增大，显示热泵驱动蒸汽耗量增加，同时热网加热器的供热抽汽量有所减少。但是，当循环水温度高于 时，和机组热经济性增幅减缓，机组热泵和热网加热