利用熱泵技術從循環水中提取熱量進行供熱是火力發電廠節能降耗的一項重要手段。目前該技術的應用有成功的例子，也有不少存在問題的項目。經過對熱泵項目實施前期調研和方案論證、準備，總結了一些實施熱泵循環水供熱方案設計方面的經驗。本文結合某熱電廠熱泵項目實例，分析和介紹了熱泵設計邊界參數的優化設定方法，總結了熱泵項目實際運行效果和節能減排效益。

主題詞：熱泵；循環水供熱；邊界參數；節能減排；

1.引言

滄州華潤熱電有限公司（以后簡稱該公司）位于河北省滄州市郊，一期2×330MW工程兩臺機組設計供熱面積為1045萬㎡。目前已經入網的供熱面積達到了1200多萬平方米，且急待入網的熱用戶呈逐年增加的趨勢。面對熱網增容的，機組供熱負荷和供熱系統配置不足的問題，該公司采用熱泵技術從循環水中提取熱量，預期達到熱網增容和供熱首站節能減排的目的。而根據熱網和機組的實際情況，選取合適的邊界設計參數，是實施熱泵循環水供熱首先要考慮的課題。

2.熱網首站技術規范簡介

該公司熱網首站為單元制，每臺機設置2臺熱網加熱器，4臺熱網循環泵，3臺熱網疏水泵，兩臺熱網補水泵和一臺低壓除氧器。每臺機進回水母管直徑為1020mm，首站出口供回水母管為1200mm，為配合熱泵建設和熱網遠期發展需要，與熱泵工程同步建設了兩條1200mm供熱母管。首站設計相關參數見表1。


3.吸收式熱泵原理簡介

圖1是蒸汽吸收式熱泵的原理圖，設備包括蒸發器、吸收器、冷凝器、發生器、熱交換器、屏蔽泵和其他附件等。它以蒸汽為驅動熱源，在發生器內釋放熱量Qg，加熱溴化鋰稀溶液并產生冷劑蒸汽。冷劑蒸汽進入冷凝器，釋放冷凝熱Qc加熱流經冷凝器傳熱管內的熱水，自身冷凝成液體后節流進入蒸發器。冷劑水經冷劑泵噴淋到蒸發器傳熱管表面，吸收流經傳熱管內低溫熱源水的熱量Qe，使熱源水溫度降低后流出機組，冷劑水吸收熱量后汽化成冷劑蒸汽，進入吸收器。被發生器濃縮后的溴化鋰溶液返回吸收器后噴淋，吸收從蒸發器過來的冷劑蒸汽，并放出吸收熱Qa，加熱流經吸收器傳熱管的熱水。熱水流經吸收器、冷凝器升溫后，輸送給熱用戶。


屏蔽泵的做功與以上幾種熱量相比，基本上可以不用考慮，因此可以列出以下平衡式：
吸收式熱泵的輸出熱量為Qa+Qc，則其性能系數COP：
Qg----蒸汽的放熱量；

Qe----余熱水的放熱量；

Qc----溴化鋰稀溶液在冷凝器中的放熱量；

Qc----溴化鋰濃溶液在吸收器中的吸熱量；

由以上兩式可知：吸收式熱泵的供熱量等于從低溫熱源吸收的熱量和驅動熱源的輸入熱量之和，即：供熱量始終大于消耗的高品位熱源的熱量（COP>1），故稱為增熱型熱泵。根據不同的工況條件，COP一般在1.65～1.85左右。由此可見，溴化鋰吸收式熱泵具有較大的節能優勢。

4.熱泵效率影響因素

4.1驅動蒸汽壓力的影響


圖2為熱泵調研階段由熱泵某廠家提供的驅動蒸汽壓力與熱泵COP值的關系圖。從圖2中可以看出，驅動蒸汽壓力越高，熱泵的效率越高。主要原因是熱泵設計使用的驅動蒸汽熱量主要來自于蒸汽的汽化潛熱，而壓力越高，在同樣蒸汽耗量的情況下，蒸汽提供的汽化潛熱越高，因此，最終熱泵的COP值也會升高。

4.2熱網回水溫度的影響


圖3為熱泵某廠家提供的熱網回水溫度與熱泵COP值的關系圖。從圖3中可以看出，熱網回水溫度越低，熱泵的效率越高。主要原因是熱網回水溫度越低在吸收器中與高溫溴化鋰溶液的傳熱溫差越大，在熱泵溴化鋰溶液降溫梯相同和同樣熱網水流量的熱網水能夠吸收更多的熱量，最終提升了熱泵機組的有效吸熱量。

4.3循環水進口溫度的影響


圖4為熱泵某廠家提供的熱源水(循環水)溫度與熱泵COP值的關系圖。從圖4中可以看出，熱源水溫度越高，熱泵的效率越高。主要原因是熱源水在蒸發器中溫度越高，與發生器中冷凝水換熱梯度會增加，熱源水放出的熱量會增加，熱源水的溫降增大，使得熱泵從熱源水的吸熱量增加而提升了熱泵的COP值。

4.4熱源水和熱網水流量對制熱量的影響


圖5-1和圖5-2是某熱泵廠家提供的熱源水流量與制熱量的關系曲線和熱網水流量與制熱量的關系曲線。從圖中可看出，熱源水和熱網水流量的增加都是與熱泵的制熱量是正相關關系。因此，增加項目設計的熱源水和熱網水流量可以使熱泵提取更多的余熱，實現更多的制熱量的。但在實際工程應用中，這兩個水流量是由汽輪機組的循環水系統冬季運行方式和熱網供熱需求決定的。同時，這兩個流量的選取也受熱泵建設場地、單臺熱泵最大容量等條件的限制。

5熱泵設計情況介紹

5.1熱泵項目的邊界參數設計調研及分析


表2為該熱泵項目方案論證階段調研過的幾家熱泵邊界參數設計情況。表中的數理關系和項目的實際實施效果也驗證了驅動蒸汽壓力、熱網水回水溫度、熱源水入口溫度三個重壓參數對熱泵設計和熱泵實際運行效果的重要性。即：驅動蒸汽壓力高些，熱源水溫度可低些，熱網水溫度可高些；反之，驅動蒸汽壓力較低，如赤峰電廠，選擇的熱網水入口溫度必須低些，熱源水溫度必須高些，熱泵才能保證實施效果。

5.2邊界參數選擇及流程設計

5.2.1機組運行工況的選取

基于以上分析和調研，并結合歷年機組供熱情況，該工程選取一臺300MW汽輪機組抽汽量為500t/h的供熱工況為設計工況，熱泵整體設計為：一臺300MW抽汽供熱機組在冬季供熱時循環水泵一臺低速泵運行，流量12000m3/h，在機組抽汽供熱流量（包括去熱泵的驅動蒸汽）500t/h時，計算凝汽器排熱量為102MW；

5.2.2循環水入口溫度的確定

該項目循環水入口溫度的選取是由汽輪機組模擬試驗確定的，在機組供熱期調整機組的抽汽量到500t/h，通過系統方法提升機組凝汽器的真空，使凝汽器的出口溫度達到熱泵預設計的34℃，通過開啟水塔旁路門的方式，使進入凝汽器的循環水溫度維持在27℃。經試驗驗證，此時的機組真空值為-96kPa，基本是機組的最佳運行真空，由真空降低造成的熱泵項目節能效果抵消可以戶忽略不計。這樣由試驗確定選取凝汽器出口循環水溫度34℃作為熱泵的熱源水，熱泵降溫設計為7℃，27℃的水回凝汽器，在凝汽器中換熱后溫升到34℃，形成一個循環。

5.2.3熱泵熱網水出入口溫度的確定

熱網水邊界參數是按照實際歷年熱網運行的平均回水溫度選取的55℃，熱泵機組的溫升選取55-75℃。熱網水加熱不足的部分繼續進入熱網加熱器加熱到熱網需要的溫度。在汽輪機組變工況運行或熱網溫度變化時，達不到此熱平衡時，系統設計有部分水去冷水塔的旁路管和升壓泵，可以保證系統正常循環。

5.2.4熱泵驅動蒸汽壓力的確定

熱泵設計的驅動蒸汽取汽點在機組設計的供熱抽汽口上，即中壓缸的排汽口。但此熱泵驅動蒸汽壓力實際運行時受機組的運行工況、熱泵汽源的接口地點、管路流動損失等因素影響。由于這些因素的制約，驅動蒸汽的壓力在實際運行時小于設計壓力，是造成熱泵項目實際實施效果不好的重要因素之一。此項目熱力試驗時，在擬定的接口位置——熱網加熱器進口蒸汽閥門前測量壓力，抽汽口壓力為0.35MPa(a)時，試驗測試點的壓力只有0.08MPa(a)。鑒于此試驗結果，項目實施時優化了驅動蒸汽接口位置，并采用熱網加熱器加熱蒸汽和熱泵驅動蒸汽分離的方式，避免了熱網加熱器凝結作用對驅動蒸汽壓力的影響。項目實際運行效果，在選定工況下熱泵前可達到0.32MPa(a)。


5.3系統設計工藝流程介紹

冷卻循環水系統：本工程只對#2冷卻塔的循環水進行余熱回收利用，熱網循環水從凝汽器出來后，由原來的進入冷卻塔改為先經過吸收式熱泵機組，熱泵機組吸收循環水的熱量，然后直接進入冷卻塔底部，然后經過循環水泵再進入凝汽器。

熱網循環水系統：熱網循環水由原來的回水直接回熱網加熱器改為首先進入吸收式熱泵機組，溫度提升后，再進入熱網加熱器進行二次加熱后送入供熱管網。熱網循環水的供水溫度根據熱用戶負荷的變化調整出水的溫度，首先保證熱泵機組的滿負荷運行，以達到最大的節能效果。

蒸汽系統：熱泵機組的驅動蒸汽源為汽輪機供熱抽汽，抽汽口為中壓缸排汽，蒸汽參數和熱網加熱器的蒸汽壓力相同，經過減溫至飽和蒸汽溫度后加以利用，蒸汽接自#2熱網加熱器采暖抽汽。值得關注的問題是驅動蒸汽從熱網加熱器進汽管道附近接口時往往因為熱網加熱器工作時的凝結作用，造成熱泵驅動蒸汽的汽壓不能保證，影響熱泵效率和正常工作。本項目充分考慮了這一問題，采取機組兩根抽汽管專供熱泵的方式運行，很好的解決了蒸汽壓力不足的問題。

凝結水回收系統：蒸汽經過熱泵機組后變成低溫的凝結水，熱泵站設計凝結水回收裝置，將凝結水送至熱網加熱器疏水箱，并入熱網加熱器的原來的疏水系統，返回到汽輪機的除氧器回收疏水。

整個項目的工藝流程圖如圖7。


5.4項目設計節能減排情況

本工程利用熱泵可回收循環水熱量102.7MW，折合標準煤為10.62t/h。按采暖期2880h，每年可節約標煤30581t。在考慮90%脫硫效率和99.5%除塵效率的情況下，每年可減排煙塵20t、SO271t、NOx175t，每年可減少溫室氣體CO2排放7.41萬噸。由于本工程設計循環水不再進水塔冷卻，由此供熱期內可實現節水23萬噸。

5.5工程實際實施情況及效果

該工程共建設8臺35MW熱泵機組，2011下半年方案設計和可研，2012年5月設備招標，2014年1月投產，實際節能效果還未進行熱力試驗評估，實際投產的運行參數見表3。


圖8和圖9為該工程廠房內貌和選取的一臺熱泵運行參數界面


6結論

6.1熱泵吸收凝汽電廠的循環水余熱用于供熱工程試用范圍是很寬的。

6.2蒸汽壓力、余熱水入口溫度和熱網水入口溫度是對熱泵效率影響最大的三個參數，在熱泵設計初期必須根據機組和熱網情況選擇好邊界參數。

6.3選擇余熱水入口溫度參數時必須設定機組的供熱運行工況，并考慮機組真空對經濟性的影響，必要時可進行模擬試驗。

6.4選取蒸汽壓力時，必須考慮接口位置對蒸汽壓力的影響，避免熱網加熱器凝結造成驅動蒸汽壓力不足。

6.5熱泵項目的節能減排效果是很顯著的。