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热泵技术在热电厂的应用及经济性分析董利利

发表时间：2021/7/19 来源：《基层建设》2021年第12期作者：董利利

[导读] 热泵用于热电厂余热回收利用进行采暖主要是以汽轮机抽汽作为驱动热源，回收汽轮机乏汽余热

天津华冶工程设计有限公司天津 300270

摘要：热泵用于热电厂余热回收利用进行采暖主要是以汽轮机抽汽作为驱动热源，回收汽轮机乏汽余热，在保证新增热负荷的需求之外，最大限度增加电力供应，提高电厂热效率，在相同发电功率、相同供热负荷条件下可降低发电厂煤耗量，从而减少污染物排放。下面本文就热泵技术在热电厂的应用及经济性进行简要探讨。
关键词：热泵技术；热电厂；应用；经济性

        1概述
        某热电厂采用第一类吸收热泵利用汽轮机乏汽余热进行采暖，吸收式热泵 COP 可以达到 1.7 以上，热泵单机容量可达到 70MW 以上，随着技术的不断更新，其价格越来越低。该项目项目符合国家电力产业发展政策和国家燃煤电站项目规划建设要求，是国家倡导和鼓励发展的项目。
        2供热方案选择
        供热方案一般设计流程。在工程中进行供热方案选择时，首先应明确热负荷及用户对热网循环水温度的要求，再根据汽轮机抽汽参数、排汽参数（或循环水参数）等进行热泵的选型及供热系统优化，最后通过技术经济分析确定最终的热泵型式及供热系统方案，如有需要也可对几种可行的技术方案进行技术经济比较，确定最优的供热方案。首先考虑界区参数。热电厂界区参数就是全厂热负荷及热网供回水参数，这些主要参数一般是在城市或区域的供热规划中明确的，城市供热规划主要内容有：预测城市热负荷，确定供热能源种类、供热方式、供热分区、热源规模，合理布局热源、热网系统及配套设施。本工程选用第一类吸收式热泵，热网供回水温度确定为120/60℃，热泵将热网回水由60℃加热到90℃，热网加热器将热网水继续加热至120℃供城市热网。然后进行参数优化，根据热泵系统，分别对低温热源、中温介质（热网水）及驱动热源参数进行分析。对于低温热源，低温热源的温度不宜过低，低温热源的温度越高热泵供热能力越大，在实际工业应用中温度在30~45℃较为经济；对于被加热的热网水，首先其回水温度不宜过高，热网回水温度越低热泵的能效就越高，同时驱动热泵的蒸汽参数也可以更低；其次热网水供水温度也不宜过高，一般不宜超过90℃；对于驱动热源，针对第一类吸收式热泵，其压力无过高要求，一般只需要高于0.3MPa（a），温度也无需过高，过热温度宜小于15℃，这样有利于热量的梯级利用，具有良好的经济性和节能效果。
        3热经济性分析及节能减排分析
        3.1热经济性分析
        热泵设计热负荷按式（1）进行计算。式中Qrb为热泵设计热负荷，kW；Gfrb为热泵乏汽流量，t/h；Gqrb为热泵驱动蒸汽流量，t/h；hf为乏汽焓值，kJ/kg；hfs为乏汽疏水焓值，kJ/kg；hq为驱动蒸汽焓值，kJ/kg；hqs为热泵驱动蒸汽疏水焓值，kJ/kg；ηrb为热泵传热效率，%。
        （1）
        可看出本工程单台机组2台热泵的设计热负荷为150MW。热网加热器热负荷按式（2）进行计算。式中Qrj为热网加热器设计热负荷、kW，Gcrj为热网加热器抽汽流量、t/h，hc为热网加热器抽汽焓值、kJ/kg，hcs为热网加热器抽汽疏水焓值、kJ/kg，ηrj为热网加热器传热效率、%。按本工程数据，计算得本工程单台机组热网加热器设计热负荷为150MW；热电厂设计热负荷按Q=Qrb+Qrj进行计算。式中Q为热电厂设计热负荷，kW。按本工程数据，计算得本工程单台机组2台热泵及热网加热器的设计热负荷为300MW，全厂两台机组设计热负荷为600MW。热泵的热力经济性一般采用性能系数COP来表示，其定义为热泵制热量与输入热量的比值按式（3）计算。式中COP为热泵的性能系数。按本工程数据计算可得本工程热泵的COP为1.725。
                                                 （2）

                                                 （3）
        3.2技术经济性分析
        3.2.1工程造价估算
        本文主要是分析在热电厂采用热泵利用汽轮机乏汽余热进行采暖的经济性，故在此仅对热泵相关系统工程进行造价估算，其主要包含设备材料费用，厂房等建筑物造价，设备安装费用及其它有关项目建设费用（万元）：热泵设备4000，其它设备及管道阀门等2000，电气、热控专业300，建筑工程1000，地基处理400，设备安装1000，其它费用500，合计9200。
        3.2.2技术经济性分析
        本工程将热泵系统的投资按年折旧率分摊到预计使用寿命期（年），以此计算采用热泵系统工程投资分摊到每年的费用。年折旧率=1-预计净残值/预计使用寿命×100%。本工程残值率取5%，预计使用寿命按15年计算，则年折旧率为6.33%，按年折旧率将工程投资分摊到预计使用寿命期，则每年分摊费用约为583万元。本工程为热泵回收汽轮机乏汽进行供热的收益，每年收益基本不变，可用静态投资回收期法进行评价，静态投资回收期按Pt=K/A进行计算。式中Pt为静态投资回收期，年；K为总投资，万元；A为年收益，万元/年。按本工程数据计算得本工程热泵系统工程静态投资回收期为3.2年。

        图1 供热系统方案选择设计流程图
        热泵系统工程技术经济性分析如下：热泵负荷300MW，回收汽轮机乏汽热量126MW，运行2880小时，热泵年回收热量130.6×104GJ，热价28.5元/GJ，热泵系统用电负荷200kW/h，上网电价0.32元/kWh，折旧费583万元/年，运行人员薪酬60万元/年，维护费用140万元/年，静态投资回收期3.2年。
        3.3节能减排分析
        采用热泵回收汽轮机乏汽余热进行采暖，相对于汽轮机抽汽直接加热热网水方案比较，在相同供热量的条件下，热泵回收的余热就是节约的能源消耗，也就节约了煤炭消耗，年节煤量ΔB=（Qfq/29037ηglηgd）τ，式中ΔB为节煤量（标准煤），kg；Qfq为利用乏汽的热量，kJ；τ为年运行小时数，h；ηgl为锅炉效率，%；ηgd为管道效率，%。根据《综合能耗计算通则》（GB/T2589-2008），计算综合能耗及节能量时需将能量折合为标准煤当量，标准煤低位发热量按29307kJ/kg。按本工程数据计算得本工程回收汽轮机乏汽余热进行供热每年节约的煤耗量为4.9×104t。
        结束语
        综上所述，热泵用于热电厂主要有背压机驱动的压缩式热泵、电驱动压缩式热泵及第一类吸收式热泵三种技术方案，目前大多数热电厂采用第一类吸收式热泵。以某2×1000MW热电厂为例，采用4台75MW的第一类吸收式热泵回收汽轮机乏汽余热进行采暖，热泵COP为1.725，每年可回收汽轮机乏汽余热126MW。热泵工程造价约为9200万元，工程静态投资回收期为3.2年，本工程具有良好的经济性。该工程采用热泵利用汽轮机乏汽余热进行采暖，两台机组每年可以节约煤炭消耗4.9万吨，相应减少了煤炭燃烧引起的污染物排放，具有明显的节能减排效益。
        参考文献：
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        [3]刘明军，葛茂清，等.吸收式热泵在热电厂乏汽余热回收领域的应用[J].流体机械，2019，2.（08）：175-179.
        [4]林伟耀.探讨电力系统继电保护现场作业的风险评估[J].科技与创新，2020，12.（08）：188-189.