使用热泵技术 利用汽轮机排汽余热增加供热能力 科技信息部 2014年7月

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1 使用热泵技术 利用汽轮机排汽余热增加供热能力 科技信息部 2014年7月
使用热泵技术 利用汽轮机排汽余热增加供热能力 科技信息部 年7月

2 目录 一、集团先期使用情况 二、效益测算 三、关键设备或技术 四、技术原理 五、推广方案 六、其它注意事项 七、适用标准

3 工作 一、集团先期使用情况 集团公司从2011年开始，“使用热泵技术利用汽轮机排汽余热增加供热能力”技术已有使用。山西大同云冈热电公司2×200MW和2×300MW直接空冷供热机组的乏汽余热利用成果，属于大温差热电联产的首创，为热电联产集中供热技术的发展起到了重要的示范和推广作用；根据兄弟电厂采用溴化锂吸收式热泵进行汽轮机乏汽余热回收供热改造的成功经验，太原第二热电厂在其六期项目上，对两台300MW机组进行乏汽余热回收供热改造，取得了非常好的效果。具体情况如下：

4 工作 （一） 工艺分类 火力发电厂的冷端损失是电厂热力系统的最大损失。而热泵是回收利用汽轮机乏汽、减少冷端损失的一种装置，它提取的热量用来加热热网回水，从而实现热量从低温向高温的传递过程。目前电厂进行乏汽余热利用改造，采用的热泵技术主要有两种技术，一种是大温差供热技术，另一种是常规温差供热技术。 大温差供热技术，利用吸收式换热环节实现了一次热网的低温回水，使一次网的输送温差增加，可以在不改造现有输送管线的条件下，提高输热能力，为更多的需热用户服务。 对于供热管网已经形成规模，不具备同时改造条件的，宜采用常规温差热泵技术。此项技术只需在电厂内部改造，与供热公司的外网没有关系，改造系统较为简单。 4

5 工作 其具体参数详见附表1。 附表1 吸收式热泵应用汇总表 5

6 工作 （二） 投资成本分析 两个电厂6台机组，投资成本分析综合考虑两种工艺形式，电厂投资情况进行综合比较后，得出具体情况（建议值）。见附表2
（二） 投资成本分析 两个电厂6台机组，投资成本分析综合考虑两种工艺形式，电厂投资情况进行综合比较后，得出具体情况（建议值）。见附表2 附表2：投资成本分析表 6

7 工作 二、效益测算 云冈热电在改造后，供热区域严寒期一次网供水温度115℃，回水温度39℃，从而增加输送能力38%，达到不增加热源点和主管网建设而增加供热能力目的。共增加供热面积889万m2，相当于少建设两台300MW集中供热机组或10台80t/h采暖锅炉。回收这部分余热低位热值相当于每年节约标准煤25.4万吨，减排二氧化碳65.61万吨，减排二氧化硫0.89万吨，减排烟尘3.8万吨，减排灰渣1.5万吨。 7

8 工作 太原二热在#10、11机组热泵同时试运时，可以将 T/H的热网循环水从52℃左右加热到90℃，利用的乏汽量约为95吨左右。在10、11号机组热泵同时运行，并将热网循环水流量提高到7000T/H左右时，能将热网7000T/H左右的循环水从52℃左右加热到88℃，有效利用的乏汽达150吨左右。此项改造可增加供热面积180万平米或者替代原供热180万平米时所消耗的抽气量，为太原市冬季取暖减少SO2排放量约为0.17万吨，减少CO2排放量约为16.55万吨，减少NOx排放量约为162.47吨，减少烟尘排放量约为0.14万吨，减排灰渣约为2.68万吨。 8

9 工作 三、关健设备或技术 关键设备：热泵 在电厂中使用的吸收式热泵，一般采用溴化锂作为中间介质。它是以电厂的采暖抽汽为驱动热源，溴化锂溶液为吸收剂，水为制冷剂，回收利用汽轮机乏汽的装置，提取的热量用来加热热网回水，从而实现热量从低温向高温的传递过程。溴化锂吸收式热泵由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器等主要部件及抽气装置、溶液泵等辅助部分组成，抽气装置除了抽取热泵内的不凝结气体，还保持热泵内一直处于高真空状态。 9

10 工作 关键技术：一种是常规温差热泵供热技术，另一种是大温差供热技术。
采用常规温差热泵技术只需在电厂内部改造，与供热公司的外网没有关系。大温差供热技术,在电厂内布置吸收式热泵,在用户热力站安装吸收式换热机组,实现了一次热网回水与电厂低温乏汽余热的能级匹配，使热网水温升幅度大大增加，极大地提高了乏汽回收利用量。是典型的工业余热回收利用技术、设备及控制先进，运行可靠性高。 由于电厂热源充足，余热回收量巨大，所以回收进行城市集中供热规模效果明显，节能量和减排量都很显著，对环保贡献极高。 10

11 工作 四、技术原理 （一）基本原理 1 热泵的定义
热泵技术是近年来在全世界倍受关注的新能源技术。人们所熟悉的“泵”是一种可以提高位能的机械设备，比如水泵主要是将水从低位抽到高位。而“热泵”是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力或者其他形式的高品位能量做功，提供可被人们所用的高品位热能的装置。 11

12 工作 2 热泵的分类 热泵按制冷剂的循环动力，可以分为压缩式及吸收式。压缩式热泵就是压缩式制冷的逆过程，其关键设备是循环压缩机，压缩机在电厂内可以采用电动或汽动两种方式。 吸收式热泵可以分为两类。第一类吸收式热泵，也称增热型热泵,是利用少量的高温热源（如蒸汽、高温热水、可燃性气体燃烧热等）为驱动热源，产生大量的中温有用热能。即利用高温热能驱动,把低温热源的热能提高到中温，从而提高了热能的利用效率。第一类吸收式热泵的性能系数大于1，一般为1.5～2.5。第二类吸收式热泵，也称升温型热泵,是利用大量的中温热源产生少量的高温有用热能。即利用中低温热能驱动,用大量中温热源和低温热源的热势差，制取热量少于但温度高于中温热源的热量，将部分中低热能转移到更高温位，从而提高了热源的利用品位。第二类吸收式热泵性能系数总是小于1，一般为0.4～0.5。 12

13 工作 两类热泵应用目的不同,工作方式亦不同。但都是工作于三热源之间，三个热源温度的变化对热泵循环会产生直接影响，升温能力增大，性能系数下降。
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14 工作 3 吸收式热泵工作原理 （1）溴化锂吸收式制冷原理
溴化锂水溶液是由固体的溴化锂溶质溶解在水溶剂中而成。20℃时溴化锂溶解至饱和时量为111.2克，即溴化锂的溶解度为111.2克。溶解度的大小与溶质和溶剂的特性的关，还与温度有关，一般随温度升高而增大，当温度降低时，溶解度减小。 一定浓度的溴化锂水溶液，在某一温度下会处于饱和溶液状态—溶解度达到最大值；当低于该温度时，溴化锂会结晶析出。 水蒸气分压力很低，它比同温度下纯水的饱和蒸气压力低得多，因而有强烈的吸湿性。 14

15 工作 溴化锂水溶液具有吸收温度比它低的多的水蒸汽的能力。当溴化锂水溶液浓度为54％、温度为25℃时，饱和蒸气压力为0.85kPa，而水在同样温度下的饱和蒸气压力为3.167kPa。如果水的饱和蒸气压力大于0.85kPa，例如压力为1kPa（相当于饱和温度为7℃）时，上述溴化锂溶液就具有吸收它的能力。 15

16 工作 （2）吸收式热泵工作过程 16

17 工作 （1）发生器中产生的冷剂蒸气在冷凝器中冷凝成冷剂水，经U形管进入蒸发器，在低压下蒸发，产生制冷效应。这些过程与蒸气压缩式制冷循环在冷凝器、节流阀和蒸发器中所产生过程完全相同。 （2）发生器中流出的浓溶液降压、降温后进入吸收器，吸收由蒸发器产生的冷剂蒸气，形成稀溶液，用泵将稀溶液输送至发生器，重新加热， 形成浓溶液。这些过程的作用相当于蒸气压缩式制冷循环中压缩机所起的作用。 17

18 工作 五、推广方案 1 压缩式热泵回收余热技术 利用压缩式热泵回收乏汽余热主要有两种方式：一种方式是铺设单独的管道，将电厂凝汽余热引至用户，在用户热力站等处设置分布式电动压缩式热泵。这种方式能够收到一定的节能效果，但是管道投资巨大，输送泵能耗高，因此无法远距离输送，供热半径仅限制在电厂周边3-5公里范围以内；另一种方式是，在电厂内集中设置压缩式热泵。这种供热形式造成厂用电耗量大，在能源转换效率上显然不是最好的方式。目前，也有在电厂内采用汽动压缩机的压缩式热泵技术，可以取得较好的经济效益。 18

19 工作 2 吸收式热泵回收余热技术 吸收式热泵常以溴化锂溶液作为工质，对环境没有污染，不破坏大气臭氧层，而且具有高效节能的特点。通过配备溴化锂的吸收式热泵，可以回收利用各种低品位的余热或废热，达到节能、减排、降耗的目的。 吸收式热泵以汽轮机抽汽为驱动能源Q1，产生制冷效应，回收循环水余热Q2，加热热网回水。得到的有用热量（热网供热量）为消耗的蒸汽热量与回收的循环水余热量之和，即Q1+Q2。见图： 19

20 工作 吸收式热泵（即增热型热泵）又称为溴化锂吸收式热泵，它是在高温热源（如蒸汽）作为驱动的条件下，提取低温热源（如汽机冷端的冷却水或乏汽）中的热能，进而输出中温热媒的一种工艺技术，从而提高了能源的品质和利用效率。它具有安全、节能、环保等经济与社会效益，符合国家有关能源高效利用方面的产业政策，是国家重点推广的高新技术之一。 吸收式热泵原理图 20

21 工作 蒸汽型溴化锂吸收式热泵是以高温蒸汽为驱动热源，溴化锂浓溶液为吸收剂，水为蒸发剂，利用水在真空状态下沸点降低进而发生沸腾蒸发的特性，提取低温热源的热量。通过溴化锂吸收剂浓溶液的稀释放热和加热蒸发的特性，回收热量并转换为采暖用的热媒。 吸收式热泵机组从工艺流程上来说是由取热器、浓缩器、一次加热器及二次加热器，高低温热交换器所组成的热交换器的组合体。另外包括蒸汽调节系统以及先进的自动控制系统。 吸收式热泵的能效比COP值即通过工艺获得的热量或采暖用热媒热量与为了维持热泵机组运行而需加入的高温驱动热源热量的比值，按不同工况条件这一比值范围可达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在获得热量或采暖用热媒热量相同的条件下，可节省总燃料消耗量的40%以上，节能效果显著。 21

22 工作 22

23 工作 溴化锂吸收式热泵包括蒸发器、吸收器、冷凝器、发生器、热交换器、屏蔽泵和其他附件等。它以蒸汽为驱动热源，在发生器内释放热量Qg，加热溴化锂稀溶液并产生冷剂蒸汽。 冷剂蒸汽进入冷凝器，释放冷凝热Qc加热流经冷凝器传热管内的热水，自身冷凝成液体后节流进入蒸发器。 冷剂水经冷剂泵喷淋到蒸发器传热管表面，吸收流经传热管内低温热源水的热量Qe，使热源水温度降低后流出机组，冷剂水吸收热量后汽化成冷剂蒸汽，进入吸收器。被发生器浓缩后的溴化锂溶液返回吸收器后喷淋，吸收从蒸发器过来的冷剂蒸汽，并放出吸收热Qa，加热流经吸收器传热管的热水。 热水流经吸收器、冷凝器升温后，输送给热用户。 23

24 工作 屏蔽泵的做功与以上几种热量相比，基本上可以不用考虑，因此可以列出以下平衡式： 吸收式热泵的输出热量为Qa+Qc，则其性能系数COP：
由以上两式可知：吸收式热泵的供热量等于从低温余热吸收的热量和驱动热源的补偿热量之和，即：供热量始终大于消耗的高品位热源的热量（COP>1），故称为增热型热泵。根据不同的工况条件，COP一般在1.60～1.85左右。由此可见，溴化锂吸收式热泵具有较大的节能优势。 24

25 工作 吸收式热泵提供的热水温度一般不超过98℃，热水升温幅度越大，则COP值越小。
驱动热源可以是0.2～0.8MPa的蒸汽，也可以是燃油或燃气。 低温余热的温度≥15℃即可利用，一般情况下，余热热水的温度越高，热泵能提供的热水温度也越高。 蒸汽型吸收式热泵的单机制热量最大可达50MW以上，由此可见其应用范围是比较广泛的。 25

26 工作 电厂乏汽或冷却循环水与目前常用的低温热源相比，具有显著的优势：蕴含的热量巨大，温度适中且稳定;水质好，与地表水、城市污水相比，不会因腐蚀、阻塞等因素影响传热效果;环保效果显著，由于利用余热，可减少冷却塔向环境的散热和水分蒸发，降低对电厂周边环境的热湿污染。 吸收式热泵是一种利用低品位热源，实现将热量从低温热源向高温热源泵送的循环系统。是回收利用低温位热能的有效装置，具有节约能源、保护环境的双重作用。 目前,吸收式热泵使用的工质为LiBr-H2O或NH3-H2O,其输出的最高温度不超过150℃。升温能力ΔT一般为30～50℃。制冷性能系数为0.8～1.6，增热性能系数为1.2～2.5，升温性能系数为0.4～0.5。 26

27 工作 第一类溴化锂吸收式热泵机组是一种以高温热源（蒸汽、高温热水、燃油、燃气）为驱动热源，溴化锂溶液为吸收剂，水为制冷剂，回收利用低温热源（如废热水）的热能，制取所需要的工艺或采暖用高温热媒（热水），实现从低温向高温输送热能的设备。热泵由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和热交换器等主要部件及抽气装置，屏蔽泵（溶液泵和冷剂泵）等辅助部分组成。抽气装置抽除了热泵内的不凝性气体，并保持热泵内一直处于高真空状态。 吸收式热泵既可制冷又可供热实现了一机两用，低位热能在全年得到了很好的利用，所以近年来得到广泛的重视和使用，将是今后制冷、供热中的一种主导方式。特别是在电力紧张、余热地热资源丰富的地区具有独特的优势。 27

28 工作 吸收式热泵机组是一种以高温热源（蒸汽、高温热水、燃油、燃气）为驱动热源，溴化锂溶液为吸收剂，水为制冷剂，回收利用低温热源（如废热水）的热能，制取所需要的工艺或采暖用高温热媒（热水），实现从低温向高温输送热能的设备。热泵由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和热交换器等主要部件及抽气装置，屏蔽泵（溶液泵和冷剂泵）等辅助部分组成。抽气装置抽除了热泵内的不凝性气体，并保持热泵内一直处于高真空状态。 吸收式热泵既可制冷又可供热实现了一机两用，低位热能在全年得到了很好的利用，所以近年来得到广泛的重视和使用，将是今后制冷、供热中的一种主导方式。特别是在电力紧张、余热地热资源丰富的地区具有独特的优势。 28

29 工作 余热回收方式主要有直接回收和间接回收两种。从热量利用角度考虑，直接回收更好，但实际采用哪种方式回收还需看热电厂具体情况。对于湿冷及间冷机组可采用回收乏汽的直接回收，也可采用回收冷却循环水的间接回收，但采用直接回收，汽轮机低压缸与凝气器直接相连，系统改造较困难，而且系统运行时需对乏汽和冷却循环水同时调节，运行也不方便，因此对水冷机组更适合采用间接回收方式。而对于直冷机组，采用直接回收方式更合理。 29

30 工作 六、其它注意事项 （一）溴化锂溶液对普通金属有腐蚀作用。
尤其在有氧气存在的情况下腐蚀更为严重。真空环境下，溴化锂对金属没有腐蚀性。因此真空的保持是溴化锂吸收式热泵的生命。 30

31 工作 （二）乏汽余热回收设计时需注意以下几点: 1 关于余热回收量的考虑
采用热泵供热实际上是抽气和乏汽同时供热，供热设计必须满足最大供热负荷要求，当抽气量达到最大时，供热量达到最大负荷，此时乏汽量最小，热泵应该回收最小乏汽余热。这样在供暖最大负荷时，热泵回收全部乏汽余热，凉水塔可关闭，但在供暖部分负荷时，需考虑汽轮机工作的稳定性，一种方法是调节主蒸汽量，保证乏汽余热可全部被热泵回收，另一种是主蒸汽量不变时，可通过热泵及原冷却装置(凉水塔或空冷岛) 的共同工作，通过调节进入冷却装置的乏汽量适应供暖负荷的变化，从而保证汽轮机工作的稳定性。 另外，对直冷机组，按最小乏汽量回收设计时，要考虑空冷岛防冻问题，冬季空冷岛运转有最小防冻流量要求，如果最小乏汽流量不能保证，空冷岛会发生冻结，这是不允许发生的。 31

32 工作 2 抽汽压力对系统的影响 汽轮机抽汽作为吸收式热泵驱动热源对系统的影响是: 热网水温度不变时，抽汽压力越高，吸收式热泵可将热网水加热的温度越高，同时系统投资经济性越好。实际机组运行中，热网水温度是随室外气温变化的，不同的热网水温度对抽汽压力的要求也不一样。而汽轮机供暖抽汽一般为可调抽汽(一般300MW机组抽汽压力调节范围为0.2～0.5MPa(G) ，因此可在室外气温较低供暖负荷较大时，将抽汽压力调节高，而在供暖负荷较小时，采用一般的抽汽压力，这样可降低系统投资。 32

33 工作 3 冷却循环水温度对系统的影响 冷却循环水温度是影响吸收式热泵供暖系统的关键参数，因为该参数既对吸收式热泵影响较大又对热电厂发电及运行影响也大。冷却循环水对吸收式热泵的影响是，该温度越高，吸收式热泵可将热网水加热的温度越高，同时回收的冷却循环水热量也越高，吸收式热泵供热能力越大，因吸收式热泵供热系统的节能性主要体现在吸收式热泵回收冷却循环水余热上，因此冷却循环水温度越高，吸收式热泵供热能力越大，系统投资回收期越少；而冷却循环水温度对热电厂的主要影响是，该温度越高汽轮机背压越高，发电煤耗越高。 33

34 工作 经过实际项目计算，提高冷却循环水温度对热电厂的煤耗提高收益减小的影响要远小于对供暖系统的收益增加的影响，因此在保证热电厂运行安全的前提下，提高冷却循环水温度对采用吸收式热泵的热电联产运行是大有好处的。另外，不同的热网水温度对冷却循环水温度的要求也不一样。 可通过对冷却循环水温度的调节达到整个采暖季的更经济运行，当室外气温较低供暖负荷较大时，将冷却循环水温度向上调节，而在供暖负荷较小时，向下调节，这样还可进一步减少发电煤耗的收益损失，从而使系统更节能。 34

35 工作 4 做好余热在热泵与冷却装置间调节 在供热负荷变化的同时保证汽轮机运行安全稳定性，需要余热在热泵与冷却装置间具有良好的调节性，当供热负荷较大时，余热尽可能被热泵回收，当供热负荷较小时，热泵回收余热减少，此时需要一部分余热进入冷却装置冷却。对于湿冷及间冷机组，需做好冷却循环水量在热泵与凉水塔间调节；对于直冷机组，需做好乏汽在热泵与空冷岛间的调节。 35

36 工作 九 适用标准 《火力发电厂设计技术规程》[DL5000-2000] 《火力发电厂土建结构设计技术规定》[DL5002-93]
九 适用标准 《火力发电厂设计技术规程》[DL ] 《火力发电厂土建结构设计技术规定》[DL ] 《工业建筑防腐蚀设计规范》[GB ] 《建筑结构制图标准》[GB/T ] 《火力发电厂与变电所设计防火规范》[GB ] 《采暖通风与空气调节设计规范》（GB ） 《火力发电厂采暖通风与空气调节设计技术规程》（DL/T ） 《火力发电厂劳动安全和工业卫生设计规程》（DL ） 36

37 工作 感谢各位！ 37