罗森
国家电投集团东北电力有限公司抚顺抚电能源分公司， 辽宁省抚顺市， 113008
摘要：本文研究了电厂循环水水源热泵供热系统的热经济性，并建立了热泵供热系统计算模型，通过循环水热泵供热和抽汽供热两种方式，引入热经济性比较、单位供热负荷功率差异指标，探讨了热泵供热的热经济性，提出利用循环水水源热泵加热的可行性判定。计算了某些典型装置，发现加热温度越低，加热负荷越小，加热萃取压力越大，加热循环效率越高，则电站使用循环水、水源、热泵供热的可能性越大。
关键词：循环水；水源热泵；供热系统；热经济性
水源热泵技术是利用以水为热媒的低温低质热能资源，根据压缩式热泵的原理，通过输入少量的高质量电能，实现低质量热能向高质量热能转移的技术，有着面积小、设置灵活、操作便捷等优势。以火力发电厂冷却循环水为热源的水源热泵供热技术在国外发达国家曾作为节能技术而被广泛普及。近年来我国电力和热能事业迅速发展，为改善供热技术创造了有利条件。目前国内已经有很多专家进行了研究，综合来看，目前的相关研究主要集中在热泵性能、连接方式、供热可行性和技术经济性等方面，其中关于热经济性的研究还有待加强。 因此，火力发电厂循环水水源热泵供热的热经济性可以归结为热泵供热工作和供热蒸汽工作损失的比较，这种比较体现了热力转换中能量质量的差异。
一、抽汽供热效率计算模型
汽轮机的蒸汽供热实现了能源的梯度利用，提高了能源的利用率。假设机组整体的供热负荷为Qgr，通过等效焓下降的方法计算该过程中的供热排气的功损失为:
.png)
抽气供热功损失、供热负荷、供热抽气焓值、汽轮机纯凝条件下的排气焓值、热回水焓值、j级加热出水焓、j+1级抽气效率、r级加热器的供水焓上升、r级抽气效率、汽轮机效率、电机效率。
纯冷凝机组改造成抽汽供热单元后，纯冷凝蒸汽流经供热排气旋转隔板，产生压力损失△P。此时，纯冷凝蒸汽流的膨胀线偏离，排气焓值从
.png)
变为
.png)
。另外，外部供热排气不会进入冷凝器，因此冷凝器的负荷降低。火力发电厂凝汽器循环水流量变化时，会引起凝汽器温度的下降，进而降低汽轮机排汽压力，降低排汽焓，最终使排汽焓值为hn。
将纯凝机组改造成抽汽供热机组时，除了供汽的功损失外，还应该考虑蒸汽膨胀线偏移引起的焓下降因素。因此，在将纯凝固机组改造成抽汽供热后，其功损失应为：
.png)
二、电厂循环水水源热泵供热计算模型
根据当前电厂循环水系统的配置和热泵的构造，提出了一种新的循环水水源热泵供热方式，即机组凝汽器产生的循环水，分别经过冷却塔和热泵蒸发器，构成并行冷却方式。热泵系统通过蒸发器从循环水中吸收低品位热量，通过热泵压缩机提高质量，最后通过冷凝器释放热量来使热网给水温度上升，进行外部加热。
在该构造中，热泵性能由制热系数COP来表示，即：COP=Qh/Pe（公式三），其中Qh代表热泵供热量（千瓦），Pe代表热泵供热时的耗电量（千瓦）。
理想的压缩式热泵循环是逆卡诺循环，由两等温及两等熵过程组成，低温热源和高温热源温度在循环中总是恒定的，即恒热源。此外，在整个循环中熵没有增加，是可逆的过程。在此逆卡诺循环制热公式为：COPc =（tc+273.15）/tc -te （公式四），其中te代表热泵蒸发温度（摄氏度），tc代表热泵冷凝温度（摄氏度），COPc代表逆卡诺循环制热系数。
.png)
从此可以看出，影响热泵热量消耗的因素包括热泵的热量供应，加热循环效率，蒸发温度和热泵的冷凝温度。热泵热量供应取决于用户，而加热循环率由热泵设备技能等级决定。
三、电厂循环水水源热泵供热可行性依据
蒸汽轮机的抽汽供热失去了供热蒸汽在蒸汽轮机中继续做功的功效，用Pecq表示，而压缩热泵供热则牺牲了电能Pe。因此，两种供热方法之间进行热经济学比较的关键是对比Pe和Pecq的大小和经济性。
通过每单位供热负载的功耗差异来表征两种供热方法之间的热经济差异公式为：
.png)
例如，某火电厂的机组参数为：
.png)
其中，与机组的额定供热工况相对应的相同负荷的热泵供热工况为热泵的标准工况，此时，热泵蒸发温度，热泵蒸发器入口循环水温差和冷凝器端差均为10摄氏度。
如果抽汽压力为0.245兆帕，加热循环效率为0.4，则供热负荷不同情况下，供热负荷越小，
.png)
越小。这是因为供热负荷越低，热泵蒸发器和冷凝器的循环水恒定，热泵的蒸发温度越高，冷凝温度越低，此时热泵的单位制热负荷功耗越低，因此
.png)
越小。
如果在额定供热负荷下加热循环效率为0.4，并且供热抽取压力不同的情况下，供热抽汽压力越高时，则越小。这是因为供热的提取压力越高，提取越多，蒸汽功率损失越大，热泵单元的热负荷功率消耗保持不变，使得
.png)
值越小。另一方面，在部分电力负载中，随着抽汽压力的降低，抽汽压力降低，使得蒸汽轮机功率损失减小，而热泵消耗相同的电能，因此在某些电负载下热泵供热的经济性能将恶化。
当在额定供热负荷下抽汽压力为0.245 兆帕时，根据供热循环效率不同，
.png)
随着热泵的供热温度而变化。热泵供热循环的效率越高，热力学完整性越高，则
.png)
越小。这是由于热力学完整性越高的情况下，热泵单元的供热负载功耗越低，因此
.png)
越小。此外，
.png)
随着供热温度的升高而持续增大，并且仅当供热温度较低时，
.png)
小于0，这表示供热温度低时，使用热泵进行供热的经济性更好。
结束语：基于等效焓降和热泵的原理，建立了利用蒸汽供热计算热电厂的功率损失和循环水源热泵的能耗的模型。通过将排热蒸汽的功率损失与水源热泵的功率消耗进行比较，获得了使用循环水源热泵计算火力发电厂供热温度的模型。通过引入单位供热负荷的功耗差异指标，我们描述了热泵供暖的热经济性，并为电厂使用循环水源热泵供暖提出了可行性标准。当单位热负荷的功率消耗差大于零时，建议使用抽汽供热；单位供热负荷功率消耗差小于零时，推荐使用热泵进行供热，单位热负荷的功耗差异越小，循环水源热泵供热的经济性就越强。
参考文献：
[1]高杏存,赵海谦,刘晓燕.利用热泵技术回收热电厂乏汽余热综述[J].节能技术,2017,35(1):94—97．
[2]朱锴锴.火电厂循环水水源热泵机组余热利用方式与效率的分析研究[D].上海:上海电力学院,2018．
[3]朱锴锴，任建兴，张俊杰,等.水源侧大温差热泵系统运行能耗分析[J].科学技术与工程，2018，18(5)：207—212．