电厂循环水水源热泵供热系统可行性分析

技术交流暖通空调HV&AC2011年第41卷第3期133电厂循环水水源热泵供热系统可行性分析西安交通大学孙志新☆戴义平王江峰陕西电力科学研究院李平摘要建立了电厂循环水水源热泵数学模型,分析了凝汽器温度对热泵蒸发温度和制热系数等主要参数的影响,经过计算得到了热泵供热优于抽汽供热的临界参数。实际算例表明,当凝汽器温度高于33.65℃时,热泵供热比抽汽供热更为经济。关键词水源热泵电厂循环水可行性分析Feasibility analysis of circulating water-source heatpump heating system in power plantDar Yiping, Wang Jiangfeng and Lr PingAbstract Establishes a mathematical model, analyses the effect of the temperature of condenser onthe main parameters such as evaporator temperature and COP. Through calculation, obtains the criticalparameters when heat pump heating is superior to extraction steam heating. The calculation result ofexample shows that heat pump heating is more economical than extraction steam heating when thetemperature of the condenser is above 33. 65 CKeywords water-source heat pump, power plant circulating water, feasibility analysis★ Xian Jiaotong University,x’an,chna0引言和环境热污染问题。另外,循环冷却水温度和流量随着不可再生能源的日益消耗,全球能源形势都较为稳定,有利于热泵运行越来越严峻,开发利用新能源与各种节能技术是缓传统的供热方式,对供热温度要求较高,而解能源危机的主要方式。热泵以其低投入高产出低温地板辐射式供热以整个地面作为散热面,地的优越性能得到了越来越广泛的应用。板在通过对流换热加热周围空气的同时,还与人本文建立了电厂循环水水源热泵的数学模型,体、家具及四周的围护结构进行辐射换热,因此分析了凝汽器温度变化对热泵蒸发温度和制热系低温地板辐射式供热的供热温度相对较低,40数等主要参数的影响并以某发电厂建筑为例经55℃的热水就可以满足供暖的需求。同时,地板过计算得到了热泵供热方式优于抽汽供热时的热辐射式供热还有室内地表温度分布均匀,间歇供泵临界参数。另外,对电厂循环水水源热泵供热系热时温度变化小,人的舒适感好等优点。本统的各主要参数进行了设计。文所建立的系统的供热温度按低温地板辐射式1循环冷却水水源热泵供热系统供热的要求选取般大型火电厂实际热效率仅40%左右除2技术经济性分析去由锅炉排烟、排污及散热带走的小部分热量外其绝大部分能量损失由凝汽器中的循环冷却水带☆孙中国煤化工究生走。这样不但造成了能量的浪费还带来了环境热信箱CNMHG污染。采用热泵技术吸收循环冷却水中的热量进行集中供热,则可以一举两得,同时解决能量浪费修回日期;201101-21134暖通空调HV&AC2011年第41卷第3期技术交流以发电厂附近某2万m2的建筑为例进行技此作详细研究用压缩机的等熵效率n来表明此影术经济性分析响,本文中取78%2.1系统运行原理(见图1)经与其他工质对比后,热泵工质选R123,理论循环过程如图2所示。1-2为压缩机中的定熵过程,2-3为冷凝器中的定压放热过程,3-4为节流阀中的定焓过程,4-1为蒸发器中的定压吸热过程循环冷却水侧热泵部分l凝汽器2冷却塔3循环水票410水泵5燕发器6压缩机7冷凝器8节流阀9散热器图1供热系统运行原理图作为热泵低温热源的循环冷却水在凝汽器1中吸收汽轮机排汽凝结放出的热量后温度升高,一00150200250300350400450500部分从凝汽器出口经输水管道到达蒸发器5,在蒸比培hkJ/kg)发器中放出热量后回到循环水池;另一部分直接进2热泵系统压图入冷却塔2,冷却后回到循环水池。热泵工质在蒸单位质量工质的吸热量q2(kJ/kg):发器5中吸收循环冷却水的热量后,经压缩机6升h1-h4(1)温升压,在冷凝器7中将热量放给供暖热水,后经单位质量工质的放热量q(kJ/kg):节流阀8降温降压,回到蒸发器中继续吸热,完成ge= h2-h3(2)下一次循环。供暖热水在冷凝器7中吸收热泵工单位质量工质的耗功量w(kJ/kg):质放出的热量,温度升高后进入用户端的散热器散h2-h1(3)热,然后回到冷凝器中继续循环。热泵理想制热系数COPH:2.2热泵设计计算2.2.1数学模型CoPy=gc(4)采用蒸气压缩式热泵口,其循环大致可以分为蒸发器出口冷却水温度l:三个层次。层次一为卡诺循环这一层次的循环性tcw=taad-Mad-△t能只与低温热源和高温热汇有关与工质和部件特式中ta为凝汽器冷凝温度;△tam为凝汽器传热性无关,应用到本例也就是说只与循环冷却水和供端差;△为循环冷却水在蒸发器中的温降,与其在热热水的温度有关。这是热泵循环的最高目标,实凝汽器中的温升相等。际中是不可能实现的。层次二为理论循环,这一层热泵蒸发温度t;次的循环特性与热源、热汇、工质特性有关,而与部t。=tc-Mt(6)件无关,本文中分析计算采用的就是这个层次的循式中Δ。为蒸发器的传热端差环。理论循环的制热系数比卡诺循环明显要小,其实际制热系数OP:主要原因是蒸发器中热泵循环工质的蒸发温度要CP=COPH7低于低温热源的温度,存在传热端差Δ。,冷凝器2.2.2计算结果中冷凝温度要高于髙温热汇的温度,也存在传热端假设各换热器的传热端差均为5℃;循环冷差此外还有用节流阀代替膨胀机造成的损失。层却水在蒸发器中的温降Δ取10℃;热泵冷凝温次三是实际循环,这一层次的循环特性与热源、热度取中国煤化工低,管道热损汇、工质、部件特性均有关,其制热系数与层次二相失忽CNMHG器中冷凝温度比又有所减小,主要原因是各部件中的各种不可逆变化订异付到恐承设计参数,如表因素,尤其是压缩过程中的各种损失。本文中不对1所示。011(3)孙志新等:电厂循环水水源热供热系统可行性分析表1热泵设计参数计算结果凝汽器温度tasd/℃33凝汽器压力pns/MPa0.004250.004500.760.005040.005320.05630.005950.006280.006蒸发器人口冷却水温度t=/℃25蒸发器出口冷却水温度t/℃153.2726.116热泵蒸发温度t/C1011141517热泵蒸发压力p/MPa0.05060.05270.05500.05730.05960.06210.06460.06720.0699热泵冷凝温度ta/℃热泵冷凝压力pa/MPa0.24710.24710.24710.24710.24710.24710.24710.24710.2471理论制热系数OPH6.2696.4316.7786.9647.1607.3667.583实际制热系数F85.2875.4325.5855.7455.9156.093由图3可见,热泵蒸发温度随着凝汽器温度的表2抽汽供热参数降低呈线性下降趋势,热泵实际制热系数随凝汽器数值温度的降低呈非线性下降趋势,且温度越低,下降抽汽温度4/℃130抽汽冷凝后压力AMPa0.232抽汽压力AMa0.25‖抽汽冷凝后比增h/(kJ/kg)523.4趋势越缓,这是由所选热泵工质的自身特性决定抽汽比增A(从24排汽比和(27的。由于制热系数的降低单位供热量的耗电量随抽汽冷凝后温度/C125缸效率%85.56之升高,经济性也越来越差。因此,可以断定,当凝单位抽汽供热量qb的计算式为汽器温度下降到某一值时,热泵供热与其他一些供gb= hb-hw(8)热方式相比将不再节能。式中h为抽汽比焓,kJ/kg;h。为抽汽冷凝后的比焓,kJ/kg5若将单位抽汽供热量用来发电,其发电量P为Pe=(hb-hex)n(9)式中h为排汽比焓kJ/kg再利用单位抽汽所发的电量来驱动热泵,则产凝汽器温度/℃生的热量q为一热泵蒸发翻度实际制热系数gh=P CoP(10)图3凝汽器温度对热泵蒸发温度当单位抽汽量直接供热时可以提供的热量与和实际制热系数的影响其发电后驱动热泵所能产生的热量相等时,则这对于冬天室外温度相对较高的地区,不仅进入两种供热方式的热效率也相等此时的制热系数热泵蒸发器的循环冷却水温度会上升,而且供热温为度还可以适当降低,这样热泵制热系数就可以大幅COP=(11)度提高了。此外,若在夏天同时采用地板辐射式供冷,则一套设备冬夏两用,省去了普通制冷空调的由此求得两种供热方式热效率相等时热泵的费用。临界参数,如表3所示23经济性分析表3热泵设计临界参数在热用户集中且稳定的区域,采用热电厂为供tawd/ Pond/MPa I-/℃te/℃0.0052热热源热能利用率高、污染小,是城镇最主要的供Per/MPa热形式之一。用于供热的汽轮机有背压式和抽0.5880.24716.898汽式,由于使用背压式汽轮机热电负荷会相互制2.4系统设计计算约因此现有热电厂多采用抽汽式汽轮机表2为1)月中国煤化工某发电厂55MW机组的抽汽供热参数下面通过CNMHG(12)与热泵供热进行比较来求得两种供热方式热效率式中Q。为建筑物的供热议计热负荷kW;q为相等时,热泵的各项临界参数建筑物的供热面积热指标,kW/m2,住宅可取暖通空调H&AC2011年第41卷第3期技术交流60W/m2;F为建筑物的建筑面积,本例中为热潜力十分可观利用大功率机组的循环水供热具20000m2。有广阔的应用前景。供热热水流量mn的计算式为32当凝汽器冷凝温度高于33.65℃C时,使用热(13)泵供热比抽汽供热更为经济。3.3热泵蒸发温度随着凝汽器温度的降低呈线性式中cp为水的比热容,取42kJ/(kg·C);tm,下降趋势,而热泵实际制热系数随凝汽器温度的降分别为用户散热器进、出口温度,取其温差为低呈非线性下降趋势,且温度越低,下降趋势越缓。0℃参考文献2)热泵耗电量W[1]季杰刘可亮裴刚,等以电厂循环水为热源利用热泵区域供热的可行性分析[J.暖通空调,2005,35(2):104-107式中COP取表3中的临界制热系数。[2]涂爱民董华,朱冬生,等太阳能热泵-地板辐射供热3)循环冷却水侧系统实验研究[].暖通空调,2007,37(1):108-112循环冷却水提供的热量Q:[3]黄兴华李赞孔祥强,等燃气内燃机和吸附制冷机组成的冷热电三联供系统[].动力工程,206,2循环冷却水流量m[4] Tomoji Nagota, Yoshiyuki Shimoda, Minoru Mizuno.(16)Verification of the energy-saving effect of the districtheating and cooling system-simulation of an electric-式中t。,t分别为蒸发器中循环冷却水进、出driven heat pump system[J]. Energy and Buildings口温度,取其温差为10℃。2008,40(5):732-744)机组可供热面积F[5]王子介,夏学鹰,戎卫国等地板辐射供冷可行性研究分析[门].暖通空调,2002,32(6):56-58F17)[6]王子介地板供暖及其发展动向[门.暖通空调式中m1为机组的冷却水流量。1999,29(6):35表4系统设计参数计算结果[7] AjahQ,/kwrobustness, effectiveness and reliability of chemical40/50Q/kwand mechanical heat pumps for low-temperature heatmn/(kg/s)28.57/t/℃28.65/18.65COP(kg/s)source district heating: A comparative simulatior以1台300MW的发电机组为例,其冷却水based analysis and evaluation[J]. Energy, 2008, 33流量约为30000m3/h,即8333kg/s,则机组可供[8]陈东,谢继红.热泵技术及其应用[M].北京:化学热面积约为716万m2工业出版社,20063结论[9]贺平,孙刚。供热工程[M].3版.北京:中国建筑工31电厂循环冷却水中蕴含着巨大的能量,其供业出版社,1993乱几几↓机孔几,从从轧轧A〈室内采暖工程》出版该书由斯图加特大学建筑能量科学研究所原所长海因量移交使用”、“热量分配”,最后确定出“产热设备”的负载;茨·巴赫( Heinz Bach)教授编著,倪进昌博士翻译。书中同时引入了“能量耗费系数”来评估系统的优劣,以此方法提出了一些对工程技术人员来说完全崭新的概念。对于一来进行系统设备及相应的调节控制方案的设计、计算和优个工程项目,本书首先对参与者即建筑商、用户、建筑师和化。全书内容翔实描述了目前国际上采暖领域的崭新理设备工程技术人员定义了一个评估标准,这样就会避免参念,介中国煤化工测量技术,实为教与者之间产生一些不必要的纠纷和麻烦。学、和CNMHG书16开,478页全书以“能需求展开”的新方法按照用户需求从建已由中国建乳工业出放社出欣发打,定价88元筑物模拟计算出的全年负荷(热量或冷量)出发推算出“热(张文胜)