河北某2×300MW热电厂循环水余热回收利用工程热泵热源水优化设计方案的研究

【摘 要】 本文对基于溴化锂热泵技术回收热电厂循环水余热的技术方案进行优化设计研究，解决了热电厂在冬季循环水泵低速运行，循环水流量大幅度减小影响热泵COP的问题，使热泵回收余热量仍然达到相当于循环水泵高速运行时循环水量中的余热量，增加了投资效益。同时解决循环水中热量被回收后的冷却水塔冻冰问题。

【关键词】 热电厂 循环水 余热回收 优化设计

0 引言

热电厂循环水余热回收技术正在东北、华北、西北地区大力推行，取得显著节能减排效益。在不增加燃煤量的情况下，通过溴化锂热泵技术提取电厂循环水中的低温热能，加入到城市热网中，增加城市供热面积。

但是，有的热电厂冬季循环水泵处于低转速运行工况，循环水量较小，进入热泵的热源水就少，直接影响热泵的COP及回收余热量的能力。为充分挖掘节能降耗的潜能，最大限度的回收电厂机组排汽余热量，提高热泵投资收益，采用什么样的循环水系统改造方案，既保证机组安全，又能保证余热回收设备COP达到最佳态，从中能够最大限度的回收循环水余热量开展了优化设计研究。

1 问题的提出

河北某2×300MW热电厂实施循环水余热回收利用改造工程，该厂历史悠久，机组较多，两台300MW机组分别被排号为#10、#11机。循环水系统设计一机对应一塔的单元制系统，每台机凝汽器出口至冷却塔的循环水管道在水塔前分成三路上塔。每台机组循环水系统均配有两台循环水泵，具有高低速两个运行工况。夏季，两个循环水泵高速同时运行，单泵运行时流量为17640 t/h。冬季，每台机组保持一台循环水泵低速运行，循环水量约为14000t/h，凝汽器循环水进出口温度一般在24/35℃上下。

该厂循环水余热回收工程确定在#11机进行。热泵热源水余热回收系统常规设计方案是按照电厂冬季正常运行时的循环水流量14000t/h来设计，相应的热泵热源水管道直径也是按照14000t/h来设计。存在许多弊病，一是循环水量偏小，热泵回收余热量少，效率（COP）明显降低，延长投资回收期；二是循环水中的余热被提取后，水塔结冻不可避免。为了获取最佳投资收益，又能实现水塔防冻，本人对该工程循环水余热回收利用改造方案进行了优化设计研究。

2 水塔防冻方案优化设计研究

常规设计#11机组循环水通过热泵，其中热量被热泵提取，温度降低，然后被送回到原来#11机冷却水塔继续冷却降温，水塔容易发生结冰冻坏的情况。

为解决冷却水塔防冻问题，制定了两塔合一方案（请详见附图）。在热泵循环水进口前设计两台升压泵，增加热泵出口循环水去#10机水塔的管道及阀门。#11机循环水上水水塔的三路阀门被关闭，#11机水塔停运。#11机循环水在热泵与凝汽器形成一个闭式循环回路，调节凝汽器入口水温的循环水送往#10机冷却塔，增加了#10机冷却塔上水量，可实现两塔合一的防冻效果。

2.1 运行流程

热泵正常运行时，阀门111、112、113关闭，循环水不送上#11机冷却水塔。循环水通过电厂循环水泵P11打入凝汽器入口A，然后通过升压泵形成ABCDEA闭式循环水路径。

在热泵循环水出口母管接一管路D-F，安装一个调节阀2，当循环水温度过高将#11机循环水部分送往#10机冷却塔冷却，冷却后的循环水通过循环水泵P11（或P10）打回到凝汽器。

为防止#10机循环水系统出现故障，也可将热泵循环水送入本机冷却水塔运行，增加了灵活性。增加了凝汽器循环水出口管道截断阀4和热泵出口循环水送往#11机冷却水塔的阀门3及管路。这样循环水即可两塔合一，也可分塔独立运行”系统。

该方案的益处是升压泵、热泵、凝汽器形成闭式循环系统，闭式循环系统的流量不受电厂循环水泵流量的限制，电厂循环水泵P11只起到顶压和补水作用，不但节约电厂循环水泵P11耗电量，而且能够增大热泵的热源水流量，使回收余热量最大化。

2.2 循环水温度调节方法

调节阀1进行凝汽器出口温度主要调节阀，调节阀2作为辅助调节阀。当凝汽器出口温度高于（低于）给定值34℃，开大（关小）调节阀1，增大（减少）循环水流量，此时电厂循环水泵P11只起到补水作用，以保持循环水正常压力。当调节阀1已经全开，凝汽器出口温度仍高于给定值34℃，辅助调节阀2将开启，一部分循环水被输送到#10机冷却水塔淋水层降温。否则，调节阀2关闭。

在初、末寒期，机组供热抽汽量较小，汽轮机排汽量相对较大，循环水在凝汽器中的温升幅度大于在热泵降温幅度，因此需要开启调节阀2，将部分循环水送到冷却塔降温后，再通过电厂循环水泵补充水作用返回凝汽器入口管道混合，降低凝汽器入口温度。在严寒期，机组供热抽汽量较大，汽轮机排汽量相对较小，循环水在热泵降温幅度和在凝汽器中的温升幅度基本相当，此阶段基本不需要开启调节阀2。

2.3 安全保护措施

当出现两台升压泵同时跳闸事故时，自动联锁开启冷却水塔阀门111、112、113即可。如果#11机循环水泵P11在停运状态时，同时自动联动循环水泵P11，或自动提升#10机循环水泵转速到高速运行。

3 热泵最大余热量回收优化设计研究

根据电厂循环水泵高低速两种运行工况的不同流量，热泵热源水系统设计两个升压泵选型方案。

3.1方案一

热泵热源水系统升压泵参数按照常规方法选配，与电厂一台循环水水泵低速运行时的流量14000t/h匹配设计，选择两台循环水泵，每台流量7200t/h，扬程15米，电机功率440KW。

3.2方案二

热泵热源水系统升压泵参数按照热泵最佳COP所需循环水系统流量18000t/h设计，升压泵选型为两台循环水泵，每台流量9200t/h，扬程15米，电机功率560KW。

3.3 系统耗电费用测算分析比较

基础数据：（1）电厂循环泵高速424rpm对应电机1500KW功率，计算出低速374rpm时对应的功率是1030KW。（2）初寒末寒期，热网按照11000t/h流量，供回水温度48/70℃，需热泵驱动蒸汽和热网加热器蒸汽共286.2t/h，减去厂用辅助蒸汽约25t/h，实际汽轮机排汽量约300t/h，余热量为201MW。（3）寒初寒末期和严寒期分别按照70天/50天计算节约电量，上网电价0.386元。（4）供热价格24.6元/GJ，供暖期为4个月（2880小时）。（5）上网电价是0.386元/kWh。

3.3.1 方案一和方案二两台不同流量升压泵耗电费用比较

方案一：两台热泵440KW升压泵年耗电费用：880×2880×0.386=978278.4元。

方案二：两台热泵560KW升压泵年耗电费用：1120×2880×0.386=1245081.6元。

表面上看，方案二比方案一多耗电价格266803.2元。但是，将电厂循环水泵（低速）和升压泵作为一个整体耗电系统进行全过程分析，却是不同的结果。

3.3.2 两个方案的电厂循环水泵和升压泵整体耗电量计算分析

（1）方案一，电厂一台低速循环水泵运行，热泵热源水选用两台流量7200t/h升压泵运行时，电厂循环水泵用电分析。

在初寒末寒期阶段，依据上述基础数据2可知，汽轮机排汽余热量为201MW，可使14000t/h循环水温升达12.4℃，按照热泵最佳COP热源水进口温度34℃的要求，即从21.6℃升高到34℃，而热泵温降从34℃降低到28.9℃，温降幅度5.1℃，还需要增加温降幅度7.3℃，才能将凝汽器入口循环水温维持在21.6℃。冷却水塔降温能力仍然按照10℃计算，需要9520t/h循环水送去冷却水塔降温，也就是需要电厂循环水泵补充9520t/h循环水，消耗功率427KW（14米扬程计算），每小时节电1030-427=603KW。

在严寒期，当汽轮机抽汽量达到450t/h时，汽轮机排汽余热量还大于与热泵吸收余热量，需要分流送去冷却塔降温的循环水流量2800t/h，需要电厂循环水泵补充2800t/h水，才能将凝汽器入口循环水温维持在21.6℃，因此还需要用#11机循环水泵继续保持低速运行，无法停运。从循环水泵运行曲线查出，此时电机功率仍为463KW，每小时节电1030-463=567KW

升压泵与电厂循环水泵作为一个整体耗电系统，在寒初寒末期，折扣电厂循环水泵节电量，实际每小时多增加耗电880-603=277KW。在严寒期，折扣电厂循环水泵节电量，实际每小时多增加耗电880-567=313KW。

寒初寒末期和严寒期分别按照70天/50天计算节约电量，则整个热泵循环水系统水泵耗电费用比改造前实际增加电费：

（277×24×70+313×24×50）×0.386=324610.6元。

（2）方案二，电厂一台循环水泵低速运行，热泵热源水选用两台流量9200t/h升压泵运行时，电厂循环水泵用电分析。

首先，在初寒末寒期阶段，循环水补水量消耗水泵功率计算。

初寒末寒期阶段，依据上述基础数据（2）可计算出，汽轮机排汽量余热量为201MW，可使18000t/h循环水温升达9.6℃，按照热泵最佳COP热源水进口温度34℃的要求，即从24.4℃升高到34℃，而热泵循环水（热源水）温降从34℃降低到29.5℃，温降幅度4.5℃，还需要再温降5.1℃才能将凝汽器入口循环水温维持在24.4℃。冷却水塔降温能力按照10℃计算，还需要8742t/h循环水送去冷却水塔降温，也就是需要电厂循环水泵补充8742t/h循环水，仅消耗功率390KW（14米扬程计算），每小时节电1030-390=640KW。此时还需要用#11机循环水泵继续保持低速运行，多余水量通过联络门打入#10机循环水系统。有利于提高#10机的真空，降低热耗。随着逐渐趋近寒冷，汽轮机供热抽汽量加大，汽轮机排汽量逐渐减少，排出的余热量也同步减少，分流去冷却塔降温的循环水流量也逐步减少，电厂循环水泵补水量消耗的功率随之减少，节电效果逐步加大。

在严寒期，当汽轮机抽汽量达到450t/h时，汽轮机排汽余热量几乎与热泵吸收余热量相当，循环水不需要再分流去冷却塔降温，也就不需要电厂循环水泵补水了。在升压泵、热泵、凝汽器之间完全形成闭式循环，可停止#11机循环水泵运行。此时只需要用#10机循环水泵在低速运行状态下通过联络门维持#11机凝汽器入口管道压力（顶压）即可，或维持50～100t/h左右的补水量，对应电机多耗电9KW，每小时可节电1030-9=1021KW。

升压泵与电厂循环水泵做为一个整体耗电系统，虽然，两台升压泵功率增大到1120KW。但是，它替代了电厂循环水泵的绝大部分循环水动力，增加耗电和节约用电部分抵消，总体增加耗电费用如下。

在寒初寒末期阶段，折扣电厂循环水泵节约电量，实际每小时只多增加耗电1120-640=480 KW，并且越来越少。在严寒期阶段，折扣电厂循环水泵节电量，实际每小时只多增加耗电1120-1021=9KW。

初寒末寒期和严寒期分别按照70天/50天计算节约电量，则整个循环水系统设备耗电费用比改造前实际增加电费：

（480×24×70+9×24×50）×0.386=315439.2元。

3.3.3 两个方案回收余热量效益分析

方案一选择14000t/h循环流量和方案二选择18000t/h循环水流量热泵循环水系统两个系统回收余热收益进行计算分析。

根据前面基础数据对热泵余热回收能力的热力计算，结果是，如果按照方案二18000t/h热泵循环水流量回收余热，热泵回收余热可达102.4MW，全年回收余热106.1万GJ，收入2610.47万元，而且COP也较高，运行成本降低。而方案一选择14000t/h热泵循环水流量的热泵回收余热仅98.4MW， 全年回收余热102万GJ，收入2509.2万元，而且COP也较低，运行成本提高。方案二比方案一多增加2610.47-2509.2=101.27万元收入，而且COP也较高，效益更好。

4 结语

经过上述循环水余热回收系统方案优化设计研究，我们得到以下几个方面的成果。

一是方案二打破了传统的热泵热源水系统服从于电厂循环水流量匹配设计的常规设计方案。当时方案争论的焦点是，电厂循环水泵低速运行工况只有14000t/h循环水量，按照18000t/h流量热源水系统设计怎么能运行呢？虽然电厂循环水泵低速运行工况只有14000t/h循环水量，但是由于热泵与凝汽器之间设计有升压泵，保证了热泵、升压泵与凝汽器之间能够行成独立的闭式循环系统，所以热泵热源水（循环水）仍然能够按照18000t/h流量循环系统设计回收余热，保证能够向热泵提供最大余热量。电厂低速循环水泵只起到补水泵的作用。

二是通过将电厂循环水泵和升压泵作为整体耗电系统研究，改变人们表面上简单认知，方案二设计两台大流量升压泵比方案一设计两台小流量升压泵增加电厂厂用电量高的问题，实际投产后证明，方案二的电厂循环水泵节电效果比理论分析更好，并且方案二的热泵从循环水中回收的余热收益远高于方案一。

三是通过两塔合一的优化设计方案，很好地解决了北方循环水余热回收后的水塔结冻问题。

通过方案优化设计研究分析报告，最终，工程决策者采纳了方案二实施组织设计。该厂循环水余热回收系统已于2012年1月投入运行，实际运行证明，方案二取得预期的令人满意效益。

附图：“两塔合一”设计方案图