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升温型热泵的扩展应用研究

时间:2016-09-13 09:01:08; 来源:V客暖通网 作者:徐祥根 齐晓辉 韩宝升 张春华

(1.烟台龙源换热设备有限公司,山东 烟台 264006;2.烟台荏原空调设备有限公司,山东 烟台 265500)

摘  要:冷热电三联供系统采用升温型热泵回收发电机组缸套水的余热,利用低品位的缸套水余热产生高品位蒸汽,实现系统的节能与高效率。结合实际工程案例,分析讨论了升温型热泵在提升热源品位方面对系统能量利用率的影响。结果表明,增加升温型热泵后,系统效率提高了7.1%。

关键词:升温型热泵;增热型热泵;冷热电三联供系统;缸套水;能量利用率

 

0  引言

为了实现能源的梯级利用,实现最大限度的节能,目前冷热电三联供系统在工业领域逐步受到重视。在冷热电三联供的项目中,发电机组发电过程中会产生80~95 ℃的循环缸套水,这部分水需要被冷却后才能被循环使用,循环缸套水的冷却通常采用水冷或风冷两种方式,这两种冷却方式需要额外消耗大量的电能,只有单纯的投入没有产出,降低了经济效益。如果利用这部分热源并且获得收益,则整个系统的效率会得以提升,而升温型热泵技术就可以达到这个目的。升温型热泵以中、低温的废热作为驱动热源产生较高温度的热能,而不需要消耗其他高品位能源,节能效果显著。将冷热电三联供系统与升温型热泵结合使用,开创了一种新的技术路线,响应了国家关于节能减排的有关政策。

1  升温型热泵简介

升温型热泵是利用大量的中温热源产生少量能被利用的高温热能。即利用中温热能驱动,在采用低温热源的条件下,制取热量少于但温度高于中温热源的热量,将部分中温热能转移到更高品位热能,从而提高了热源的利用品位。升温型热泵是实现从低温向高温输送热能的设备。与增热型热泵相比,其不需要更高温度的热源来驱动,但需要较低温度的热源[1]

升温型热泵热平衡关系如图1所示。

 


图1  升温型热泵热平衡关系

(1)可利用的中温热源:一般可以使用温度在80 ℃以上的废热水、乏汽、蒸汽、单组分或多组分气体或液体。

(2)可提供的热媒:可获得比废热源温度高40 ℃左右,不超过175 ℃的热媒或蒸汽。

(3)低温热源:冷却塔冷却循环水、工艺系统冷却水等。

(4)制热COP在0.5以下,也就是说,利用1 MW的中温热量可以得到0.47 MW左右的生产生活需要的热媒热量。相当于把废热源中47%左右的热量提取出来利用,满足生产和生活需要的热媒。 

2  升温型热泵在冷热电三联供系统中的应用 

升温型热泵在酯化、氯碱、冶金、酒精及橡胶加工等工业领域都已经有了成功的应用[2-3],随着对升温型热泵研究的深入,我们开始着眼于在其他方面的应用。纺织行业一直是用电大户,同时车间对温湿度要求非常严格,因此纺织行业对冷、热、电三个方面的需求相对比较集中,适合冷热电三联供系统的发展,下面举例说明升温型热泵首次在纺织行业冷热电三联供系统中的应用情况。

2.1  江苏某纺织工业园冷热电三联供能源站工程实例

2.1.1  项目概况

工业园内冷热电三联供能源站配置4台发电机组,发电用于整个工业园设备工艺与生活用电。单台发电机组的发电量为2 200 kW,排烟温度为560 ℃,排烟量为10 950 kg/h,额定运行消耗天然气550 Nm3/h(天然气的低温发热量8 500 kcal/Nm3),发电机组的发电效率40.5%。为提高工业园冷热电三联供能源站整体效率,需要配置发电组排烟余热利用设备。

夏季:配置两台吸收式烟气热水机组制取冷水(18~12 ℃)用于纺织车间工艺冷却。详见“图2系统夏季工况流程图”。

冬季:配置1台烟气余热锅炉、1台背压式蒸汽轮机、1台升温型吸收式热泵、1台换热器等设备制取饱和蒸汽用于纺织车间工艺加湿。详见“图3系统冬季工况流程图”。

 


图2  系统夏季工况流程图

 

 

图3  系统冬季工况流程图

2.1.2  冬季升温型热泵工况流程概述

由于升温型热泵在冬季使用,因此仅就冬季工况对工业园冷热电三联供系统做简要概述。系统共配置4台内燃发电机组,总净发电量为8 800 kW,发电机组尾部排烟温度为560 ℃;余热锅炉回收560 ℃的排烟余热,产生2.5 MPa、410 ℃的过热蒸汽(6.8 t/h)来驱动背压式蒸汽轮机循环继续发电,由于提高了汽轮机的排汽压力,蒸汽中用于发电的热能相应减少,所以发电量只有430 kW,但是热电循环中乏汽的热量得到了充分的利用。乏汽喷水减温后成为饱和蒸汽用于车间工艺加湿。余热锅炉利用后的尾部烟气温度为170 ℃,通过热交换器将15 ℃的自来水加热到90 ℃,作为余热锅炉和升温型热泵的补水。最终热交换器出口烟气温度降到110 ℃左右排放。这样可以充分利用缸套水的热量,用升温型热泵将缸套水的余热提取出来,将90 ℃水提升为127.4 ℃的饱和蒸汽,将低品位水的热量变成高品位的蒸汽热,用于车间工艺加湿。系统冬季运行时,能量需求主要集中于发电和生产蒸汽。

2.2  升温型热泵的原理及应用

升温型热泵主要由吸收器、冷凝器、蒸发器、发生器和溶液热交换器5个主要设备构成。升温型热泵应用原理流程为:自发电机组出来的缸套余热水(温度86 ℃,流量439 m3/h)一部分进入升温型热泵的发生器,另一部分再进入蒸发器中,放热后的热水温度降低到80 ℃,与来自发生器的另一部分热水混合并经水泵输送回至发电机组取热;18 ℃的水作为升温型热泵的循环冷却水,经水泵送至冷凝器取热,取热后温度升高至24 ℃,排入冷却塔中冷却,冷却后重新返回至冷凝器;吸收器出口的饱和蒸汽(压力0.15 MPa,温度127.4 ℃,流量2.2 t/h)进入分汽缸,用作车间工艺加湿,15 ℃的软化自来水经余热锅炉170 ℃的排烟加热成90 ℃,通过水泵持续不断地输送至吸收器,重新吸热成饱和蒸汽,如此循环。

升温型热泵的热平衡关系式为(忽略泵的电功耗):Q1+Q2=Q3+Q4            (1)

式中  Q1——吸收器热负荷;

Q2——冷凝器热负荷;

  Q3——蒸发器热负荷;

Q4——发生器热负荷。

性能系数为:COP=Q1/(Q3+Q4)                                       (2)

从上式可看出升温型热泵的性能系数一定是小于1的,但因为升温型热泵中所使用的热量全部为缸套水余热,而得到的是品位较高、可利用的蒸汽,因此可获得很好的节能和经济效益。工程具体数据如下:

蒸发器和发生器热负荷即缸套水的余热[4]

Q4+Q3=c×m×△t=4.186×439×103/3 600×(86-80)=3 062.8 kW

式中  m——缸套水循环水量,m3/h;

      c——缸套循环水比热,J/(kg·℃);

△t——缸套水的进出口温差,℃。

吸收器热负荷:

Q1=W×(h1-h2)=2 200/3 600×(2 715-376.94)=1 428.8 kW

式中  h1——0.15 MPa饱和蒸汽的焓值(kJ/kg);

h2——90 ℃常压水的焓值(kJ/kg);

W——升温型热泵补水的流量(kg/h)。

系统性能系数:

COP=获得的热量/消耗的热量=1 428.8/3 062.8=0.467;COP值与上式的理论结果相符。

2.3  升温型热泵效益分析

能源动力系统性能评价方法主要是基于热力学第一定律分析法与热力学第二定律㶲分析法,对于冷热电三联供系统冬季工况,相应的第一定律效率(能量利用效率)与第二定律效率(㶲效率)分别定义为:

第一定律效率=(电力输出+热能输出)/(天然气消耗率×天然气热值)

第二定律效率=(电力输出+热㶲输出)/(天然气消耗率×天然气㶲)

(1)假如不加升温型热泵子系统,烟气以170 ℃排放,且发电机组开启冷却塔来冷却缸套水,冷却塔的泵与风机消耗电功率为110 kW,系统的供热出力为6.5 t/h、0.2 MPa饱和蒸汽的热量,此处取天然气低位热值为8 500 kcal/Nm3。系统有无升温型热泵时的能耗分析比较如表1所示。

表1  系统有无升温型热泵时能耗分析比较

设备

系统无升温型热泵/kW

系统有升温型热泵/kW

系统供电出力/kW

9 230

9 340

系统供热出力/kW

5 390

6 818.85 390+1 428.8

天然气耗量/Nm3/h

2 200

2 200

第一定律效率

67.2%

74.3%

从第一定律的角度上看,增加升温型热泵后系统的效率提高了7.1%。

(2)从第二定律的角度上考虑,主要是㶲损失的比较。天然气所包含的㶲是该系统消耗的总㶲,整个过程中系统各部位的㶲损失主要来自两个方面:一是对外散热和泄漏,二是过程的不可逆性。冬季工况能量流程图如图4所示。

 

图4  冷热电三联供系统能量流程图

T0—环境温度  T1—内燃发电机烟气出口温度  T2—余热锅炉烟气出口温度  T3—换热器烟气出口温度  Q5—消耗天然气热能  Q6—排出的高温烟气的热能  Q7—中温烟气的热能  

Q8—低温尾气的热能  Q9—换热器产生热水的热能  Q10—蒸汽的热能  

E1、E2、E3、E4分别为对应烟气及热水的㶲

经过比较,系统无升温型热泵时,多损失的㶲主要是冷却塔的电功率(110 kW)和170~110 ℃的烟气的热㶲。

其中,电㶲和电能相等:E5=P1                                       (3)

170 ℃烟气散热㶲损失为:E6=E2-E3-E4                               (4)

中温烟气、低温尾气、热水的㶲分别为:E2=(T2-T0)/T2×Q7            (5)

E3=(T3-T0)/T3×Q8                                                (6)

E4=(T4-T0)/T4×Q9                                                (7)

总的㶲损失率为:η1=(E5+E6)/Q5                               (8)

式中  E5、E6——电及散热的㶲;

T4——换热器换热管内外侧温度损失,℃;

P1——电能;

η1——总㶲损失率。

有无升温型热泵时系统㶲损失效率比较如表2所示。

表2  有无升温型热泵时系统㶲损失效率比较

设备

无升温型热泵时

有升温型热泵时

输入/kW

21 744.2

21 744.2

损失——电/kW

110

0

损失——热/kW

827.6

0

损失——合计/kW

937.6

0

效率

4.3%

0

从第二定律的角度来看,无升温型热泵时系统㶲损失增加4.3%。

以上从第一定律和第二定律的角度上分析了增加升温型热泵子系统后冷热电三联供系统的性能都有一定的提高。

 

3  结语

本文结合工业园区的工程实例,创造性地将升温型热泵应用于冷热电三联供系统项目中,将升温型热泵的应用空间又扩大了一步[5]。本文分析了升温型热泵在冷热电三联供系统中的作用以及所带来的效益。系统在正常稳定的运行工况下,可在性能系数COP为0.467时获得0.15 MPa的饱和蒸汽。在实例中,增加升温型热泵后,将系统的整体效率提高7.1%,从另一个角度上减少了4.3%的㶲损。升温型热泵不需要耗费高温热源便可回收发电机组缸套水循环热,能够以其独特的优势提高冷热电三联供系统的整体性能。依据此项目的实例分析,可以预见,升温型热泵将来在冷热电三联供系统中必将发挥更大作用[6-7]

 

[参考文献]

[1] 黄胜春,张文辉.热泵技术的应用现状及其发展[J].冶金丛刊,2003(3):11~13.

[2] 赵晓巍,王树昆.第二类吸收式热泵及其在冶金企业中的应用前景[J].山东冶金,2004,26(6):37~39.

[3] 刘辉,于慧雪,池坤.第二类吸收式热泵回收炼厂低温余热实例[J].石化技术与应用,2010(2):123~127.

[4] 朱家玲,刘国强,张伟.利用第二类吸收式热泵回收地热余热的模拟研究[J].太阳能学报[J],2007,28(7):745-750.

[5] 方书起,骆萍梅. 第二类吸收式热泵的研究及应用[J].应用能源技术,2008,130(10):36-39.

[6] 别祥,韩光泽.天然气冷热电三联供系统热力学分析[J].化学工程,2010,38(1):57-62.

[7] 赵亮,郭烈锦.天然气冷热电三联供系统实例分析[C]//中国工程热物理学会工程热力学与能源利用学术会议论文集,2003:278-284.

 

收稿日期:2016-08-10

作者简介:徐祥根(1972—),男,山东平邑人,工程师,主要从事热泵开发、分布式能源开发、非金属烟气换热器开发、省煤器开发等技术性工作。

    


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