電廠(chǎng)循環(huán)水水源熱泵供熱系統可行性分析

技術(shù)交流暖通空調HV&AC2011年第41卷第3期133電廠(chǎng)循環(huán)水水源熱泵供熱系統可行性分析西安交通大學(xué)孫志新☆戴義平王江峰陜西電力科學(xué)研究院李平摘要建立了電廠(chǎng)循環(huán)水水源熱泵數學(xué)模型,分析了凝汽器溫度對熱泵蒸發(fā)溫度和制熱系數等主要參數的影響,經(jīng)過(guò)計算得到了熱泵供熱優(yōu)于抽汽供熱的臨界參數。實(shí)際算例表明,當凝汽器溫度高于33.65℃時(shí),熱泵供熱比抽汽供熱更為經(jīng)濟。關(guān)鍵詞水源熱泵電廠(chǎng)循環(huán)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引言和環(huán)境熱污染問(wèn)題。另外,循環(huán)冷卻水溫度和流量隨著(zhù)不可再生能源的日益消耗,全球能源形勢都較為穩定,有利于熱泵運行越來(lái)越嚴峻,開(kāi)發(fā)利用新能源與各種節能技術(shù)是緩傳統的供熱方式,對供熱溫度要求較高,而解能源危機的主要方式。熱泵以其低投入高產(chǎn)出低溫地板輻射式供熱以整個(gè)地面作為散熱面,地的優(yōu)越性能得到了越來(lái)越廣泛的應用。板在通過(guò)對流換熱加熱周?chē)諝獾耐瑫r(shí),還與人本文建立了電廠(chǎng)循環(huán)水水源熱泵的數學(xué)模型,體、家具及四周的圍護結構進(jìn)行輻射換熱,因此分析了凝汽器溫度變化對熱泵蒸發(fā)溫度和制熱系低溫地板輻射式供熱的供熱溫度相對較低,40數等主要參數的影響并以某發(fā)電廠(chǎng)建筑為例經(jīng)55℃的熱水就可以滿(mǎn)足供暖的需求。同時(shí),地板過(guò)計算得到了熱泵供熱方式優(yōu)于抽汽供熱時(shí)的熱輻射式供熱還有室內地表溫度分布均勻,間歇供泵臨界參數。另外,對電廠(chǎng)循環(huán)水水源熱泵供熱系熱時(shí)溫度變化小,人的舒適感好等優(yōu)點(diǎn)。本統的各主要參數進(jìn)行了設計。文所建立的系統的供熱溫度按低溫地板輻射式1循環(huán)冷卻水水源熱泵供熱系統供熱的要求選取般大型火電廠(chǎng)實(shí)際熱效率僅40%左右除2技術(shù)經(jīng)濟性分析去由鍋爐排煙、排污及散熱帶走的小部分熱量外其絕大部分能量損失由凝汽器中的循環(huán)冷卻水帶☆孫中國煤化工究生走。這樣不但造成了能量的浪費還帶來(lái)了環(huán)境熱信箱CNMHG污染。采用熱泵技術(shù)吸收循環(huán)冷卻水中的熱量進(jìn)行集中供熱,則可以一舉兩得,同時(shí)解決能量浪費修回日期;201101-21134暖通空調HV&AC2011年第41卷第3期技術(shù)交流以發(fā)電廠(chǎng)附近某2萬(wàn)m2的建筑為例進(jìn)行技此作詳細研究用壓縮機的等熵效率n來(lái)表明此影術(shù)經(jīng)濟性分析響,本文中取78%2.1系統運行原理(見(jiàn)圖1)經(jīng)與其他工質(zhì)對比后,熱泵工質(zhì)選R123,理論循環(huán)過(guò)程如圖2所示。1-2為壓縮機中的定熵過(guò)程,2-3為冷凝器中的定壓放熱過(guò)程,3-4為節流閥中的定焓過(guò)程,4-1為蒸發(fā)器中的定壓吸熱過(guò)程循環(huán)冷卻水側熱泵部分l凝汽器2冷卻塔3循環(huán)水票410水泵5燕發(fā)器6壓縮機7冷凝器8節流閥9散熱器圖1供熱系統運行原理圖作為熱泵低溫熱源的循環(huán)冷卻水在凝汽器1中吸收汽輪機排汽凝結放出的熱量后溫度升高,一00150200250300350400450500部分從凝汽器出口經(jīng)輸水管道到達蒸發(fā)器5,在蒸比培hkJ/kg)發(fā)器中放出熱量后回到循環(huán)水池;另一部分直接進(jìn)2熱泵系統壓圖入冷卻塔2,冷卻后回到循環(huán)水池。熱泵工質(zhì)在蒸單位質(zhì)量工質(zhì)的吸熱量q2(kJ/kg):發(fā)器5中吸收循環(huán)冷卻水的熱量后,經(jīng)壓縮機6升h1-h4(1)溫升壓,在冷凝器7中將熱量放給供暖熱水,后經(jīng)單位質(zhì)量工質(zhì)的放熱量q(kJ/kg):節流閥8降溫降壓,回到蒸發(fā)器中繼續吸熱,完成ge= h2-h3(2)下一次循環(huán)。供暖熱水在冷凝器7中吸收熱泵工單位質(zhì)量工質(zhì)的耗功量w(kJ/kg):質(zhì)放出的熱量,溫度升高后進(jìn)入用戶(hù)端的散熱器散h2-h1(3)熱,然后回到冷凝器中繼續循環(huán)。熱泵理想制熱系數COPH:2.2熱泵設計計算2.2.1數學(xué)模型CoPy=gc(4)采用蒸氣壓縮式熱泵口,其循環(huán)大致可以分為蒸發(fā)器出口冷卻水溫度l:三個(gè)層次。層次一為卡諾循環(huán)這一層次的循環(huán)性tcw=taad-Mad-△t能只與低溫熱源和高溫熱匯有關(guān)與工質(zhì)和部件特式中ta為凝汽器冷凝溫度;△tam為凝汽器傳熱性無(wú)關(guān),應用到本例也就是說(shuō)只與循環(huán)冷卻水和供端差;△為循環(huán)冷卻水在蒸發(fā)器中的溫降,與其在熱熱水的溫度有關(guān)。這是熱泵循環(huán)的最高目標,實(shí)凝汽器中的溫升相等。際中是不可能實(shí)現的。層次二為理論循環(huán),這一層熱泵蒸發(fā)溫度t;次的循環(huán)特性與熱源、熱匯、工質(zhì)特性有關(guān),而與部t。=tc-Mt(6)件無(wú)關(guān),本文中分析計算采用的就是這個(gè)層次的循式中Δ。為蒸發(fā)器的傳熱端差環(huán)。理論循環(huán)的制熱系數比卡諾循環(huán)明顯要小,其實(shí)際制熱系數OP:主要原因是蒸發(fā)器中熱泵循環(huán)工質(zhì)的蒸發(fā)溫度要CP=COPH7低于低溫熱源的溫度,存在傳熱端差Δ。,冷凝器2.2.2計算結果中冷凝溫度要高于髙溫熱匯的溫度,也存在傳熱端假設各換熱器的傳熱端差均為5℃;循環(huán)冷差此外還有用節流閥代替膨脹機造成的損失。層卻水在蒸發(fā)器中的溫降Δ取10℃;熱泵冷凝溫次三是實(shí)際循環(huán),這一層次的循環(huán)特性與熱源、熱度取中國煤化工低,管道熱損匯、工質(zhì)、部件特性均有關(guān),其制熱系數與層次二相失忽CNMHG器中冷凝溫度比又有所減小,主要原因是各部件中的各種不可逆變化訂異付到恐承設計參數,如表因素,尤其是壓縮過(guò)程中的各種損失。本文中不對1所示。011(3)孫志新等:電廠(chǎng)循環(huán)水水源熱供熱系統可行性分析表1熱泵設計參數計算結果凝汽器溫度tasd/℃33凝汽器壓力pns/MPa0.004250.004500.760.005040.005320.05630.005950.006280.006蒸發(fā)器人口冷卻水溫度t=/℃25蒸發(fā)器出口冷卻水溫度t/℃153.2726.116熱泵蒸發(fā)溫度t/C1011141517熱泵蒸發(fā)壓力p/MPa0.05060.05270.05500.05730.05960.06210.06460.06720.0699熱泵冷凝溫度ta/℃熱泵冷凝壓力pa/MPa0.24710.24710.24710.24710.24710.24710.24710.24710.2471理論制熱系數OPH6.2696.4316.7786.9647.1607.3667.583實(shí)際制熱系數F85.2875.4325.5855.7455.9156.093由圖3可見(jiàn),熱泵蒸發(fā)溫度隨著(zhù)凝汽器溫度的表2抽汽供熱參數降低呈線(xiàn)性下降趨勢,熱泵實(shí)際制熱系數隨凝汽器數值溫度的降低呈非線(xiàn)性下降趨勢,且溫度越低,下降抽汽溫度4/℃130抽汽冷凝后壓力AMPa0.232抽汽壓力AMa0.25‖抽汽冷凝后比增h/(kJ/kg)523.4趨勢越緩,這是由所選熱泵工質(zhì)的自身特性決定抽汽比增A(從24排汽比和(27的。由于制熱系數的降低單位供熱量的耗電量隨抽汽冷凝后溫度/C125缸效率%85.56之升高,經(jīng)濟性也越來(lái)越差。因此,可以斷定,當凝單位抽汽供熱量qb的計算式為汽器溫度下降到某一值時(shí),熱泵供熱與其他一些供gb= hb-hw(8)熱方式相比將不再節能。式中h為抽汽比焓,kJ/kg;h。為抽汽冷凝后的比焓,kJ/kg5若將單位抽汽供熱量用來(lái)發(fā)電,其發(fā)電量P為Pe=(hb-hex)n(9)式中h為排汽比焓kJ/kg再利用單位抽汽所發(fā)的電量來(lái)驅動(dòng)熱泵,則產(chǎn)凝汽器溫度/℃生的熱量q為一熱泵蒸發(fā)翻度實(shí)際制熱系數gh=P CoP(10)圖3凝汽器溫度對熱泵蒸發(fā)溫度當單位抽汽量直接供熱時(shí)可以提供的熱量與和實(shí)際制熱系數的影響其發(fā)電后驅動(dòng)熱泵所能產(chǎn)生的熱量相等時(shí),則這對于冬天室外溫度相對較高的地區,不僅進(jìn)入兩種供熱方式的熱效率也相等此時(shí)的制熱系數熱泵蒸發(fā)器的循環(huán)冷卻水溫度會(huì )上升,而且供熱溫為度還可以適當降低,這樣熱泵制熱系數就可以大幅COP=(11)度提高了。此外,若在夏天同時(shí)采用地板輻射式供冷,則一套設備冬夏兩用,省去了普通制冷空調的由此求得兩種供熱方式熱效率相等時(shí)熱泵的費用。臨界參數,如表3所示23經(jīng)濟性分析表3熱泵設計臨界參數在熱用戶(hù)集中且穩定的區域,采用熱電廠(chǎng)為供tawd/ Pond/MPa I-/℃te/℃0.0052熱熱源熱能利用率高、污染小,是城鎮最主要的供Per/MPa熱形式之一。用于供熱的汽輪機有背壓式和抽0.5880.24716.898汽式,由于使用背壓式汽輪機熱電負荷會(huì )相互制2.4系統設計計算約因此現有熱電廠(chǎng)多采用抽汽式汽輪機表2為1)月中國煤化工某發(fā)電廠(chǎng)55MW機組的抽汽供熱參數下面通過(guò)CNMHG(12)與熱泵供熱進(jìn)行比較來(lái)求得兩種供熱方式熱效率式中Q。為建筑物的供熱議計熱負荷kW;q為相等時(shí),熱泵的各項臨界參數建筑物的供熱面積熱指標,kW/m2,住宅可取暖通空調H&AC2011年第41卷第3期技術(shù)交流60W/m2;F為建筑物的建筑面積,本例中為熱潛力十分可觀(guān)利用大功率機組的循環(huán)水供熱具20000m2。有廣闊的應用前景。供熱熱水流量mn的計算式為32當凝汽器冷凝溫度高于33.65℃C時(shí),使用熱(13)泵供熱比抽汽供熱更為經(jīng)濟。3.3熱泵蒸發(fā)溫度隨著(zhù)凝汽器溫度的降低呈線(xiàn)性式中cp為水的比熱容,取42kJ/(kg·C);tm,下降趨勢,而熱泵實(shí)際制熱系數隨凝汽器溫度的降分別為用戶(hù)散熱器進(jìn)、出口溫度,取其溫差為低呈非線(xiàn)性下降趨勢,且溫度越低,下降趨勢越緩。0℃參考文獻2)熱泵耗電量W[1]季杰劉可亮裴剛,等以電廠(chǎng)循環(huán)水為熱源利用熱泵區域供熱的可行性分析[J.暖通空調,2005,35(2):104-107式中COP取表3中的臨界制熱系數。[2]涂愛(ài)民董華,朱冬生,等太陽(yáng)能熱泵-地板輻射供熱3)循環(huán)冷卻水側系統實(shí)驗研究[].暖通空調,2007,37(1):108-112循環(huán)冷卻水提供的熱量Q:[3]黃興華李贊孔祥強,等燃氣內燃機和吸附制冷機組成的冷熱電三聯(lián)供系統[].動(dòng)力工程,206,2循環(huán)冷卻水流量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分別為蒸發(fā)器中循環(huán)冷卻水進(jìn)、出driven heat pump system[J]. Energy and Buildings口溫度,取其溫差為10℃。2008,40(5):732-744)機組可供熱面積F[5]王子介,夏學(xué)鷹,戎衛國等地板輻射供冷可行性研究分析[門(mén)].暖通空調,2002,32(6):56-58F17)[6]王子介地板供暖及其發(fā)展動(dòng)向[門(mén).暖通空調式中m1為機組的冷卻水流量。1999,29(6):35表4系統設計參數計算結果[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臺300MW的發(fā)電機組為例,其冷卻水based analysis and evaluation[J]. Energy, 2008, 33流量約為30000m3/h,即8333kg/s,則機組可供[8]陳東,謝繼紅.熱泵技術(shù)及其應用[M].北京:化學(xué)熱面積約為716萬(wàn)m2工業(yè)出版社,20063結論[9]賀平,孫剛。供熱工程[M].3版.北京:中國建筑工31電廠(chǎng)循環(huán)冷卻水中蘊含著(zhù)巨大的能量,其供業(yè)出版社,1993亂幾幾↓機孔幾,從從軋軋A〈室內采暖工程》出版該書(shū)由斯圖加特大學(xué)建筑能量科學(xué)研究所原所長(cháng)海因量移交使用”、“熱量分配”,最后確定出“產(chǎn)熱設備”的負載;茨·巴赫( Heinz Bach)教授編著(zhù),倪進(jìn)昌博士翻譯。書(shū)中同時(shí)引入了“能量耗費系數”來(lái)評估系統的優(yōu)劣,以此方法提出了一些對工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)完全嶄新的概念。對于一來(lái)進(jìn)行系統設備及相應的調節控制方案的設計、計算和優(yōu)個(gè)工程項目,本書(shū)首先對參與者即建筑商、用戶(hù)、建筑師和化。全書(shū)內容翔實(shí)描述了目前國際上采暖領(lǐng)域的嶄新理設備工程技術(shù)人員定義了一個(gè)評估標準,這樣就會(huì )避免參念,介中國煤化工測量技術(shù),實(shí)為教與者之間產(chǎn)生一些不必要的糾紛和麻煩。學(xué)、和CNMHG書(shū)16開(kāi),478頁(yè)全書(shū)以“能需求展開(kāi)”的新方法按照用戶(hù)需求從建已由中國建乳工業(yè)出放社出欣發(fā)打,定價(jià)88元筑物模擬計算出的全年負荷(熱量或冷量)出發(fā)推算出“熱(張文勝)