作者：王金星1, 张翼2, 卓建坤1, 任学武2, 魏书洲2, 姚强1 (1.清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室; 2.三河发电有限责任公司)

摘要:本文利用 Ebsilon 软件构建了凝汽机组循环水吸收式热泵热力系统模型,以富 裕温度和过热温度两个安全裕量参数作为循环水热泵系统优化运行的约束条件,研究了 热泵发生器出口温度调节(GOTR 方法)、发生器压力调节(GPR 方法)以及发生器出口温 度和压力双效调节(GOTPR 方法)等对热泵能效系数(COP)的影响规律。结果发现,三种 提效方法下发生器出口最高温差接近 20 ℃,最高压差可达 10 kPa。GOTPR 方法明显优 于另外两种,COP 在 90% 的工作蒸汽负荷下提高了 3% ,额外回收 6.58 MWth 热量。

关键词:凝汽机组;循环水;余热利用;溴化锂;吸收式热泵;提效方法

1 引言 超低排放机组清洁供热是解决我国大面 积区域供暖的重要方式。凝汽机组的循环水 由于其能量品质低而难以被利用,多数凝汽 机组仍采用直接进入冷却塔冷却,造成了大 量冷端损失和冷却水蒸发损耗。因此,采用 溴化锂吸收式热泵回收该部分热量,可以实 现低品位能量的利用,并广泛应用于区域供 热 [1-4]。因此,热泵性能是区域供暖应用方向 的研究热点,主要包括热泵系统的灵活性、适 用性、技术经济性以及能量利用效率等。意 大利学者 G.Angrisani 等[5]将热泵发生器的驱 动能源设计为可兼容利用太阳能发电进行的 压缩驱动以及通过蒸汽加热的吸收式驱动, 这样不仅提高了热泵系统的灵活运行能力也 提高了热泵系统的运行温度范围。丹麦学者 Torben Ommen 等[6]对基于不同热网温度构建 的五种区域供暖热泵系统进行了性能、价格 以及压缩容积方面的比较,分析了热泵系统 的适用性。中国科学院大学刘媛媛等[7]提出 一种由两级第一类溴化锂吸收式热泵串并联 耦合而成的新系统,通过技术经济性评价确 定了该方法的可行性。清华大学胡天乐等[8] 使用了多个吸收器和冷凝器通过逐渐改变温 度梯度提高了能量利用效率。此外,溴化锂 的结晶问题[9,10]以及稳定运行[11]也是热泵系 统所需要关注的重要方面,这不仅涉及到热 泵系统安 全 问 题,而 且 将 影 响 热 泵 性 能[12]。 然而,凝汽机组循环水吸收式热泵的性能不 仅受热网参数的影响,同时工作蒸汽负荷、抽 汽参数、循环水温度和流量等影响。因此,如 何优化热泵在大型凝汽机组循环水余热利用 系统的运行,对于提高机组的供热效率具有 重要的意义。 彭烁等[13]通过构建第二类吸收式热泵关 键过程的数学模型,开发了相应的模拟计算 程序,分别对性能系数、循环倍率和放气范围 等评价指标进行了研究。另外,国内外学者 也利用 Ebsilon 热力系统计算软件对热泵系 统的运行特性进行研究[14]。目前已进行的模 拟研究有太阳能集热驱动吸收式热泵回收凝 汽机组循环水余热[15]以及研究不同热负荷下 提高热泵系统的效率[16]。因此,热力系统的 建模分析可作为进一步研究溴化锂吸收式热 泵系统深度提效方法的可靠工具。 本文对三河电厂 350 MWe 亚临界凝汽机 组循环水吸收式热泵系统,利用 Ebsilon 软件进 行建模,并对系统的五组拟稳态工况进行了测 试,通过上述模型计算获得热泵在不同工况下 的主要物性参数。分别定义了富裕温度和过 热温度两个安全裕量参数并对五组工况进行 了安全性评价,之后以工况 1(额定工况)为基 准进行了安全裕量调节并作为后期研究的参 照工况。发生器出口温度调节(GOTR 方法)、 发生器压力调节(GPR 方法)以及发生器出口 温度和压力的双效调节(GOTPR 方法)作为三 种提效方法分别比较了发生器出口温度、发生 器压力以及热泵系统 COP,最终获得热泵系统 深度提效的最优方法,进而为大型凝汽机组的 循环水余热利用工程中热泵系统设计及高效 运行策略提供理论指导。 2 系统介绍与工况分析 本文研究对象为三河电厂 350 MWe 亚临 界凝汽机组循环水吸收式热泵系统,如图 1 所 示。凝汽机组主蒸汽温度为 538 ℃,主蒸汽压 力为 16.671 MPa。再热蒸汽温度为 538 ℃,再 热蒸汽压力为 3.735 MPa。锅炉给水流量的设 计值为 1 052 t/h,热泵系统设计额定工作蒸汽 进汽量为 214.5 t/h。其中,采用中压缸抽汽驱 动吸收式热泵回收电厂循环水余热,中压缸 抽汽参数为 0.615 MPa,抽汽温度为 321.5 ℃。 第一类溴化锂吸收式热泵为其核心组件,该 热泵系统主要包括蒸发器、吸收器、发生器、 冷凝器以及溶液换热器。其中,循环水作为 回收余热源流经蒸发器,冷剂水吸收循环水 热量转化为蒸汽;溴化锂浓溶液流经吸收器 与冷剂水蒸汽混合成稀溶液,所释放热量传 递给热网水,再经过发生器分离成溴化锂稀溶液和冷剂水蒸汽,完成了热量从循环水到 热网水和冷剂水蒸汽的传递;热网水依次经 过吸收器以及冷凝器,分别吸收溴化锂溶液 稀释放热和冷剂水蒸汽冷凝放热,从而实现 了热量从循环水到热网水的传递。 对凝汽机组循环水吸收式热泵系统进行 了五组工况的性能试验,每个工况连续稳定 运行 2 h,其测试结果如表 1 所示。其中工况 1-5 分 别 预 定 为 热 泵 设 计 工 作 蒸 汽 负 荷 的 100% 、90% 、80% 、70% 和 60% 。

3 模型构建与特性参数 3.1 数学模型 溴化锂-水工质对为吸收式热 泵 的 循 环 工质,热泵系统对外换热组件主要包括发生 器、冷凝器、吸收器和蒸发器。该系统存在的 能量平衡为: Qg +Qo =Qa +Qe (1) 式中:Qg 为从驱动热源获得的热量,kJ/h; Qo 为蒸发器中从低温余热热源中获得 的热量,kJ/h; Qa 为吸收器内向外释放的热量,kJ/h; Qe 为冷凝器内向外释放的热量,kJ/h。 根据建立的物理模型和换热特点,可得: Qg =Gg × (hg -hsg) (2) Qo =Go × (hxj -hxc) (3) Qa +Qe =Gr × (hrc -hrj) (4) 式中:Gg、Gg 和Gr 分别为工作蒸汽进口流量 (即驱动蒸汽流量)、循环水流量和热网水流 量,kg/h; hg 和hsg 分别为工作蒸汽进口和疏水 出口的焓值,kJ/kg; hxj 和hxc 分别为循环水进口和循环水 出口的焓值,kJ/kg; hrc 和hrj 分别为热网水进口和热网水 出口的焓值,kJ/kg。 能 效 系 数 (coefficient of performance, COP)是评价热泵性能优劣的重要指标[17],本 文采用 COP 对热泵系统性能进行评价,其表 达式如下: COP = 有效制热量 驱动热量 = Qa +Qe Qg (5) 3.2 热力系统模型 本文根据热泵系统数学模型构建了热泵 热力系统模型并标出参数对应系统的位置, 如图 2 所示。 在计算过程中,首先需要根据测试数据 进行工质输入,其中溶液侧选择溴化锂溶液, 冷剂侧选择水蒸汽。蒸发器压力与冷剂水饱 和温度均存在一一对应关系。热网水流量和 循环水流量可以分别根据热网水进出口温度 和循环水进出口温度计算得到。详细计算过 程如下: 图2 Ebsilon模拟图 (1)根据工作蒸汽的流量和进出口焓值 (根据温度和压力计算得到)计算出驱动热源 功率,再结合测试得到的发生器出口温度、发 生器压力、溴化锂稀溶液浓度和溴化锂浓溶 液浓度可计算得到进入冷凝器内水蒸汽的流 量以及溴化锂稀溶液和浓溶液的流量;通过 热泵冷凝器的能量和质量平衡,计算出冷凝 器的换热能力; (2)根据蒸发器的质量和能量平衡,计算 得到蒸发器的换热能力;对于溶液换热器的 换热能力,可根据溴化锂稀溶液和浓溶液的 流量、发生器出口温度、吸收器出口温度以及 浓溶液喷淋温度计算得到。 为进一步确定热泵系统换热能力的约束 条件,分别计算了五组工况下冷凝器、溶液换 热器以及蒸发器两侧工质单位温压下的换热 能力 kA,如表 2 所示。对于该凝汽机组的设计 工况下循环水的热功率为 315.99 MWth,而热泵 设计工况满负荷运行时其回收余热的热功率 为 98.26 MWth,回收设计能力只占循环水热量 的 31% 。因此,本文重点研究来自冷凝器和溶 液换热器的换热能力约束,无需考虑循环水余 热的容量限制。通过五组工况计算得到,冷凝 器换热能力参数(kA)最大值是 8 552 kW/℃,溶液换热器 kA最大值是 5 996 kW/℃。根据工况 1 的运行参数,计算了热泵系统的能流情况,如 图 3 所示。 3.3 热泵系统变工况运行特性 为了进一步研究热泵系统实际运行工况 的提效潜力,首先列出了五组工况下热泵系 统变工况运行特性,如图 4 所示。其中冷凝 温度是根据蒸发压力计算得到,其余三个参 数来自实际运行测量数据。 从图 4(a)中 可 以 发 现,随 着 工 作 蒸 汽 负荷的增加,发生器出 口 温 度 呈 增 加 趋 势。 这是由工 作 蒸 汽 负 荷、溴 化 锂 浓 溶 液 和 稀 溶液循环比以及发 生 器 换 热 能 力 共 同 决 定 的。在溴化锂浓溶 液 和 稀 溶 液 循 环 比 一 定 时,可通过 调 整 进 口 蒸 汽 焓 以 及 溴 化 锂 稀 溶液的质量流量来 调 节 发 生 器 出 口 冷 剂 水 蒸汽温 度。 随 着 工 作 蒸 汽 负 荷 的 增 加,发 生器出口冷剂 水 蒸 汽 压 力 增 加 (图 4c),因 此,其饱和温度随之提 高,从 而 降 低 了 冷 凝 器内与热 网 水 间 的 换 热 温 压,制 约 了 冷 凝 器的换热能力。吸 收 器 出 口 溴 化 锂 稀 溶 液 温度主要受到吸收 器 与 热 网 水 间 换 热 能 力 以及溶液喷淋温 度 的 共 同 制 约。喷 淋 温 度 越高,进入吸收器的能 量 越 多,对 吸 收 器 出 口溴化锂稀溶液温度 具 有 正 向 调 节。然 而 喷淋温度越高,与热网 水 间 的 温 压 越 高,换 热量越大,进 而 实 现 了 对 溴 化 锂 稀 溶 液 温 度的负 调 节。 在 运 行 优 化 中,考 虑 到 喷 淋 温度的正负调节作 用 以 及 温 度 变 化 范 围 较 小(结合表 1 和后续提 到 的 表 4 发 现,喷 淋 温度调节最大值为在工况 2 时的 6.33 ℃), 为此,本研 究 近 似 认 为 吸 收 器 出 口 溴 化 锂 稀溶液的 温 度 仅 为 工 作 蒸 汽 负 荷 的 函 数。 综上所述,发 生 器 出 口 温 度 和 压 力 是 后 续 进行深度提效方法 研 究 中 可 进 行 调 节 的 重 要内容。 3.4 物性约束与安全裕量 为深入分析热泵系统的物性约束(溴化锂 和冷剂水的物理性质而产生对热泵系统性能 的约束),本文分别针对已有报道获得了溴化 锂溶解度[9]和温度的函数关系以及冷剂水压 力与饱和温度(Tsa)的对应关系,如图 5(a-b)所 示,进一步定量研究热泵系统实际运行工况下 的安全性能,为具有可比性地定量分析提供了 理论依据。其中浓溶液浓度(CLiBr.c )可根据发 生器出口温度和压力确定,其结晶温度(Tcr )可 查图 5。 为了定量评价热泵系统安全性能,本文 定义了两个安全裕量参数,富裕温度(Ta)和 过热温度(To)。Ta 是指溴化锂浓溶液喷淋 温度(Tab.n)与对应溴化锂结晶温度(Tcr)的 差值,如式(6)所示。To 为冷剂水蒸汽温度 (Twa.e)与 饱 和 温 度 (Tsa )的 差 值,如 式 (7) 所示。 Ta =Tab.n -Tcr (6) To =Twa.e -Tsa (7) 以图 5 所示溴化锂和冷剂水的物性约束 为基准,分别对五组测试工况进行了安全裕 量计算,结果如表 3 所示。可以发现,实际运 行中五组工况下热泵系统的安全裕量差别较 大,因此,为了具有可比性的后续研究,需要 在相同的安全裕量下进行分析

4 结果与讨论 本文分别采用了 GOTR 方法、GPR 方 法 以及 GOTPR 方法作为提效方法对实际运行 工况的参 数 进 行 了 优 化。为 了 在 安 全 裕 量 相同的条件下具有可对比性地分析提效方 法,本文首先以工况 1 的安全裕量为标准对 其余四个工况进行了相同的安全裕量调整。 其中只包括蒸发器压力调整和喷淋温度的调整,发生器的出口温度和压力不变。安全 裕量调节后的参数如表 4 所示,并以调节后 的工况为 参 照 工 况 参 数 进 行 了 提 效 方 法 的 比较。接下 来 分 别 比 较 了 三 种 提 效 方 法 下 发生器 出 口 温 度、发 生 器 压 力 以 及 热 泵 系 统 COP。 4.1 发生器出口温度 图 6 为五组工况在三种提效方法下发生 器出口温度的变化特性。其中 GPR 方法由 于其只针对发生器压力进行调节,因此该方 法下的 发 生 器 出 口 温 度 与 参 照 工 况 下 的 相 同。首先从图 6 中可以看出,在不同工况下, 不同提效方法使得发生器出口温度均产生了 差异。其中工况 1 时三种调节方法下发生器 出口温度差异最小,GPR 方法与 GOTR 方法 仅相差 2 ℃,这应该是由于热泵系统在工况 1 运行时更接近最优工况。工况 4 时的发生器 出口温度差异最大,GPR 方法与 GOTPR 方法 可相差接近 20℃,这占据了参考工况的 14% 。 还可以发现,无论是 GOTR 方法还是 GOTPR 方法,其五组工况下的发生器出口温度均小 于 GPR 方法(或者参照工况)。这表明可以 通过减少热泵工作蒸汽进口流量或者降低蒸 汽参数进行系统参数的优化,从而实现节能。

4.2 发生器压力 图 7 为五组工况在三种提效方法下发生 器压力的变化特性。其中 GOTR 方法由于其 只对发生器温度进行调节,其发生器出口压 力与参照工况的相同。从图 7 可以发现,提 效方法在不同工况下均使发生器压力产生了 差异。其 中 工 况 1 和 工 况 5 的 差 异 相 对 较 图6 发生器出口温度的变化特性 小,工况 4 时的发生器压力差异最大,GPR 方 法与 GOTPR 方法可相差接近 10kPa,占参照 工况的 30% 左右。从图 7 中还可以看出,相 对于 GOTR 方法,GPR 方法和 GOTPR 方法在 五组工况下发生器压力调节方向并不完全一 致。尤其是工况 2-4,GPR 方法需要进一步增 加发生器压力,而 GOTPR 方法需要降低发生 器压力。这也表明发生器出口温度和压力在 热泵系 统 安 全 稳 定 运 行 方 面 共 同 发 挥 着 作 用,进而说明了发生器出口温度和压力双效 调节的必要性。 4.3 热泵系统 COP 图 8 为五组工况在三种提效方法下热泵 系统 COP 的变化特性。首先可以发现,相对 于参考工况,三种提效方法均使得热泵系统 COP 有所增加,这表明在热泵系统实际运行 工况下有必要对运行参数进行进一步优化。 相比 于 相 对 于 GOTR 方 法 和 GPR 方 法,GOTPR 方法在五组工况下的 COP 均为最优。 尤其 在 工 况 2 条 件 下,相 比 于 参 照 工 况, GOTPR 方法使得热泵系统 COP 提高了 3% 。 需要强调的是,GOTPR 方法是在满足热泵系 统安全裕量条件下同时满足了热泵系统内部 冷凝器和溶液换热器 kA 最大值的条件下进 行的参数优化,在寻优过程中实现了热泵系 统深度提效的作用。通过计算结果,可以认 定该方法具有进一步推广的潜力,在后续变 工况研究中,将作为可靠的方法进一步探讨 热泵系统性能。

4.4 回收余热功率分析 为进一步分析 GOTPR 方法在热泵系统 回收余热功率方面的作用,本文针对五组工 况下的回收余热功率进行了计算,结果如图 9 所示。首先 可 以 发 现,尽 管 在 4.3 中 计 算 得到热泵系统 COP 随着工作蒸汽负荷的降 低(见表 1,工况 1-5 中工作蒸汽负荷逐渐降 低)呈升高 趋 势,回 收 余 热 功 率 随 着 工 作 蒸 汽负荷的降低(工况 1-5)在不同提效方法下 均呈下降 趋 势。这 是 因 为 回 收 余 热 功 率 受 到驱动蒸汽热功率和热泵系统 COP 两个参 数的共 同 制 约。此 外,可 以 发 现,相 比 于 参 照工况,GOTPR 方 法 均 增 加 了 回 收 余 热 功 率,其中在工况 2 时增加最大,为 6.58 MW。 由于循环 水 进 出 口 温 度 是 根 据 五 组 工 况 实 际测定 值 进 行 计 算,通 过 GOTPR 方 法 所 增 加的回收 余 热 功 率 仅 增 加 了 进 入 热 泵 系 统 的循环水流量而并不改变进入机组凝汽器 内的温度。为此,该提效方法并不会影响机 组效率,只是改变了循环水流量在冷却塔和 热泵之间分配比例。

5 结论 本文首先对 350 MWe 亚临界凝汽机组循 环水吸收式热泵系统进行了五组工况的稳定 运行测试,并根据实际运行参数利用 Ebsilon 专业仿真软件构建溴化锂吸收式热泵热力系 统模型。以热泵系统的物性参数为依据,通 过自定义的安全裕量参数(富裕温度和过热 温度)分别对五组工况进行了安全性评价。 为更具可比性,以工况 1(额定工况)为参照分 别对其余四组工况进行了安全裕量调节,调 节后所获得的相同安全裕量工况作为参照工 况用于提效方法比较。其中提效方法包括发 生器出口温度调节(GOTR 方法)、发生器压力 调节(GPR 方法)以及发生器出口温度和压力 的双效调节(GOTPR 方法)。研究发现,三种 提效方法可使发生器出口温度最高相差接近 20 ℃,发生器压力最高可差 10 kPa,分别约占 参照工况的 14% 和 30% 。另外,GOTPR 方法 明显优于 GOTR 方法和 GPR 方法,热泵系统 COP 最高可提升 3% ,回收余热功率最高可 增加 6.58 MW。为后续进一步研究凝汽机组 循环水 余 热 利 用 系 统 变 工 况 运 行 特 性 提 供 参考。