回收循环水余热的热泵供热系统热力性能分析

 0 引言

 

  能源危机已逐渐成为全球所面临的重要问题。

 

  由于煤炭、石油、天然气等储量有限以及燃用这些能源所带来的环境问题，近年来人们越来越重视能量梯级利用及余热回收。我国北方城市季节性特征明显，采暖期一般为4~6 个月，因此该地区采暖供热的需求较大，利用大型区域性热电厂进行集中供热，可节约能源、减少环境污染，具有较高的热经济性，它逐渐成为我国北方地区冬季供热的主要方式[1-4]，集中供热面积以每年17%的速度增长[5]。

 

  调节抽汽式供热机组已成为我国集中供热的主力机组。从能量梯级利用角度来看，其存在的问题主要有：直接利用汽轮机抽汽(温度高达230 ℃)在热网加热器中加热热网返回水，将热网返回水从55 ℃左右加热到130 ℃左右，热网加热器中换热温差大，存在很大的不可逆损失，抽汽的热能并没有得到高效利用；汽轮机排汽的潜热在凝汽器中被循环水带走，并最终散失于环境中，循环水的余热没有得到有效利用。

 

  吸收式热泵能够有效利用低品位热能，例如太阳能、地热能和工艺废热等，具有对环境污染小的优点。将电站循环水作为低温热源，利用吸收式热泵提高其品位，可实现向用户供热，一方面回收了循环水余热，提高供热系统的供热量，解决供热系统的供需矛盾；另一方面，进入热网加热器的热网水温度升高，热网加热器中的不可逆损失减少，抽汽热能得到了有效利用。Christian Keil 等[10]研究了吸收式热泵在低温集中供热系统中的应用。李岩等[9-11]分别基于吸收式热交换器和吸收式热泵，设计了一种新型集中供热方法，可提高热电联产机组的供热能力。Hanning Li 等[12]研究了利用混合吸收式热泵回收低品位余热进行海水淡化的可行性，得到了主要技术经济性指标。宰相等[13]对以电厂循环水为热泵低温热源的联产供热系统进行了冷端优化。吕炜等[14]结合工程实例，分析了循环水余热在热电联产机组供热系统中的应用。魏潘[15]对开式循环吸收式热泵回收燃气潜热及水的系统进行了设计，建立了系统变工况模型，得到了主要性能参数及影响因素。Bahador Bakhtiari 和Jason Woods等对吸收式热泵进行了实验研究。

 

  目前，基于吸收式热泵回收循环水余热系统的建模、仿真及性能分析已引起国内外学者的广泛关注。但是，基于吸收式热泵回收循环水余热的供热系统变工况性能尚不明确；未考虑循环水余热回收对凝汽器真空的影响；仅计算了吸收式热泵的性能系数，未从供热系统整体角度进行热力性能评价。

 

  为此，以某300 MW 调节抽汽式汽轮机及其供热系统为例，建立了基于吸收式热泵回收循环水余热的供热系统流程及各关键部件的数学模型，分析了变工况性能，对系统的热力性能进行了评价。

 

  1 回收循环水余热的热泵供热方式

 

  设热网供水/返回水温度分别为130 和55 ℃。

 

  如图1 所示，传统供热方式中，汽轮机抽汽直接进入热网加热器中，将热网水从55 ℃加热至130 ℃左右。如图2 所示，在热泵供热方式中，先利用部分汽轮机抽汽驱动溴化锂吸收式热泵，将热网返回水从55 ℃加热至80 ℃，同时回收部分循环水余热，而后再利用汽轮机抽汽在峰载加热器中将热网水从80 ℃加热至130 ℃。

 

  2 数学模型

 

  2.1 系统流程

 

  溴化锂吸收式热泵是利用溴化锂溶液的吸收

 

  特性，实现热量从低温热源向高温热源的传递。如图3 所示，利用汽轮机部分抽汽，将进入发生器(G)的溴化锂稀溶液11 加热，水汽化后，溴化锂稀溶液变为浓溶液12。溴化锂浓溶液通过溶液热交换器预热进入发生器的稀溶液10，而后进入吸收器(A)，在其中吸收来自蒸发器(E)的水蒸气17 而变成稀溶液9。在吸收过程中放出的热量用于加热热网水1，溴化锂稀溶液9 被泵打入发生器，从而完成溶液的循环。发生器中受热汽化的水蒸气14 则进入冷凝器(C)被冷凝成水，其放出的热量也被用于加热热网水。冷凝器内凝结形成的水15 节流后进入蒸发器，在其中被循环水加热成饱和蒸汽17，而后进入吸收器，被从发生器来的浓溶液13 吸收，如此反复循环。热网返回水则依次在吸收器、冷凝器和峰载加热器内吸热，而后给热用户供热。

 

  2.2 系统假设条件及物性参数

 

  为简化计算，系统建模基于以下假设：整个系

 

  统处于热平衡和稳定流动状态；蒸发器、冷凝器出口工质为饱和状态，吸收器、发生器出口的溴化锂溶液为饱和溶液；不计换热器热损失；节流阀内为绝热节流过程；忽略热网水物性参数的变化；溶液泵泵效率取66%，循环水升压泵将循环水压力升高0.1 MPa，其泵效率取72%。

 

  溴化锂溶液物性参数按文献[18]中的拟合公式

 

  计算。需注意，该公式计算溴化锂溶液焓值时，规定溶液质量分数0%、温度t0 ℃时的基准焓值为418.7 kJ/kg，与通常水和水蒸气焓值计算基准不同。

 

  2.3 关键部件数学模型

 

  2.3.1 蒸发器

 

  在蒸发器中，利用循环水的余热将湿饱和蒸汽

 

  加热为干饱和蒸汽。根据能量平衡，有

 

  Dwcp (t6  t7 )  Ds (h17  h16 ) (1)

 

  式中：Dw、Ds 分别为循环水和工质(水或水蒸气)的质量流量，kg/s；t6、t7 分别为循环水进、出蒸发器的水温，℃；h17、h16 分别为蒸发器出口和进口饱和蒸汽焓， kJ/kg ； cp 为水的质量定压热容，kJ/(kg·℃)。

 

  蒸发器端差定义为蒸发器出口循环水温度与

 

  蒸发器压力下的饱和温度之差，即

 

  te  t7  t17

 

  式中：te 为蒸发器端差，℃。

 

  2.3.2 吸收器

 

  在吸收器中，溴化锂浓溶液吸收水蒸气过程中

 

  放出的热量用于加热热网水。根据能量平衡，有Dsh17  DRLBh13  DLLBh9  Drcp (t18  t1) (2)式中：DRLB、DLLB 分别为溴化锂浓溶液和稀溶液流量，kg/s；Dr 为热网水流量，kg/s；h13 为进入吸收器溴化锂浓溶液焓值，kJ/kg；h9 为离开吸收器溴化锂稀溶液焓值，kJ/kg；t18 为吸收器出口热网水温度，℃；t1 为热网返回水温度，℃。

 

  根据质量守恒：

 

  DRLB  Ds  DLLB (3)

 

  根据溴化锂的质量守恒：

 

  DRLB 13  DLLB 9 (4)

 

  式中：13 为进入吸收器的溴化锂浓溶液质量浓度；9为离开吸收器的溴化锂稀溶液质量浓度。

 

  吸收器端差定义为吸收器出口溴化锂稀溶液

 

  温度与热网水出口温度之差，即：

 

  ta  t9  t18

 

  式中：ta 为吸收器端差，℃。

 

  2.3.3 发生器

 

  在发生器中，利用汽轮机部分抽汽加热工质对

 

  溶液，根据能量平衡：

 

  Dsh14  DRLBh12  DLLBh11  Dj1(h3  h4 ) (5)式中：h14 为发生器产生过热蒸汽焓值，kJ/kg；h12为发生器出口溴化锂浓溶液焓值，kJ/kg；h11 为进入发生器的溴化锂稀溶液焓值，kJ/kg；Dj1 为热泵耗汽量，kg/s；h3、h4 为抽汽焓和返回热力系统疏水焓，kJ/kg。

 

  根据质量守恒：

 

  DRLB 12  DLLB 11 (6)

 

  式中：11 为进入发生器溴化锂稀溶液的质量浓度；12 为离开发生器溴化锂浓溶液的质量浓度。

 

  2.3.4 溶液热交换器

 

  在溶液热交换器中，流出吸收器的稀溶液与流

 

  出发生器的浓溶液进行热交换。根据能量守恒，有：

 

  DRLB (h12  h13 )  DLLB (h11  h10 ) (7)式中：h10 为进入溶液热交换器的溴化锂稀溶液焓值，kJ/kg。

 

  根据溴化锂的质量守恒：

 

  11109 (8)

 

  1213 (9)

 

  2.3.5 冷凝器

 

  发生器产生的过热水蒸气在冷凝器中凝结，放

 

  出的热量用于加热热网水，根据能量平衡：  Ds (h14  h15 )  Drcp (t8  t18 ) (10)式中：h15 为冷凝器压力下的饱和水焓，kJ/kg；t8为冷凝器出口热网水温度，℃。

 

  冷凝器端差定义为冷凝器压力下的饱和温度

 

  与热网水出口温度之差，即：

 

  tc  t15  t8

 

  式中：tc 为冷凝器端差，℃。

 

  2.3.6 回收循环水余热对机组背压的影响

 

  如图3 所示，由于凝汽器出口部分循环水升压

 

  后进入热泵，使得进入冷却塔的循环水量减少，在进风量相同的情况下，冷却塔出口水温将下降；但另一方面，由于循环水在蒸发器内的温降小，蒸发器出口的循环水温度比冷却塔出口水温高得多，二者混合后，将使凝汽器进出口的循环水温度升高，从而影响机组背压。为此，对凝汽器和冷却塔进行了变工况性能计算，凝汽器压力的计算模型参考文献[19]，冷却塔变工况性能采用焓差法计算[20]。