引言随着我国经济社会的发展，区域性居民采暖热负荷不断增加，如何解决日益增长的采暖热负荷需求和降低碳排放之间的矛盾，成为我国碳交易市场供需平衡的一对主体。热电厂余热回收供热是减少碳排放、提高能源利用效率、解决居民冬季采暖的有效途径之一。但大量建设热电联产项目受到电力建设总容量、碳排放指标的制约。为解决这一难题，将现役纯凝发电机组改造为供热机组或回收纯凝机组的余热，既不增加供热公司现有碳排放，又可增加供热能力。常规火力发电厂煤炭的热能利用率仅为45%左右，大量热能通过循环水排入环境。减少循环水余热损失，提高机组的发电热效率，成为热电厂长期以来需要解决的问题。利用吸收式热泵回收循环水余热用于居民采暖，解决发电热效率低和供热碳排放高的问题。在已完成的135~660 MW不同容量燃煤机组的供热改造工程中，均已取得良好的经济效益[1]。1热泵余热回收技术近年来，国内关于各类热泵的研究和应用逐渐增多，尤其是吸收式热泵余热回收循环水余热用于城市集中供热方面的工程应用成为近几年的研究热点[2]。用于循环水余热回收的热泵是第一类吸收式热泵，也称为增热型热泵，即利用少量的高温热源（如蒸汽、高温热水、可燃性气体燃烧热等）为驱动热源，产生大量的中温有用热能。利用高温热能驱动，把低温热源的热能提高到中温，从而提高热能的利用效率。第一类吸收式热泵的性能系数一般为1.5~2.5。1.1溴化锂吸收式热泵工作原理溴化锂吸收式热泵由发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器4个基本部分组成，以溴化锂溶液为吸收剂，水为制冷剂，蒸汽为驱动热源。利用水在低压真空状态下低沸点沸腾的特性，提取低品位废热源中的热量，通过冷凝器加热采暖循环水，工作流程如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.011.F001图1热泵循环工作原理图在发生器内，利用电厂抽汽加热溴化锂溶液并产生高压蒸汽制冷剂和浓溴化锂溶液。浓溶液通过溶液热交换器后进入吸收器内，与蒸发器产生的蒸汽混合。高压蒸汽制冷剂进入冷凝器，在冷凝器内放热后凝结成液体，经节流装置后形成冷剂水，进入蒸发器。冷剂水在蒸发器内吸收电厂循环水热量，使循环水降温后返回冷却塔。冷剂水吸收热量后汽化成低压蒸汽制冷剂，进入吸收器，与发生器内的浓溶液吸收混合成稀溶液，稀溶液通过溶液泵再次返回发生器。吸收器内溶液吸收并放出吸收热，加热集中供热水。供热回水先流经吸收器升温，再进入冷凝器升温，最后送入用户。吸收式热泵的关键是蒸发器内始终保持一定的真空状态，利用水在低压环境下低温沸腾、汽化的原理，将水变为水蒸气，节流后吸热。此外，该热泵还利用溴化锂溶液吸水放热原理，加热集中供热水。1.2热泵余热回收的特点吸收式热泵在循环水余热回收方面，具有以下优点：（1）热泵能耗低、效率高。（2）系统相对简单、故障低。（3）提高热电厂供热能力30%以上，热电联产综合供热能耗降低40%[3]。（4）减少循环水的蒸发损失，降低冷却塔的热负荷。对机组而言，降低循环水的进水温度，提高机组的真空度，增加机组发电能力，降低热耗。2热泵驱动蒸汽参数的要求合理地驱动蒸汽参数对热泵地正常、高效运行非常重要，热泵驱动蒸汽参数对吸收式热泵工作性能影响显著。蒸汽为微过热蒸汽，压力通常不低于0.2 MPa，不高于0.7 MPa。驱动蒸汽参数过高，换热器传热系数下降，造成设备金属耗量增加[4]；驱动蒸汽参数过低，溴化锂溶液无法彻底浓缩，降低机组性能[5]。2.1驱动蒸汽参数偏低工况当蒸汽参数偏低，不能满足热泵正常工作需要时，对高参数蒸汽减温减压后送入热泵，这种方法没有对高参数蒸汽的能量进行梯级利用。研究采用蒸汽引射器方案，即利用高参数蒸汽引射低参数蒸汽，产生满足热泵需求的蒸汽，实现高、低压蒸汽的高效利用。蒸汽引射器的工作原理是把高压蒸汽的势能通过喷咀形成高速动能，带动吸引低压蒸汽在喷射器混合段充分混合，混合蒸汽在扩压段降速、升压，满足生产需要。引射器结构主要包括喷射段和喷射器混合段，如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.011.F002图2引射器结构图注：Pl—低压蒸汽压力；Tl—低压蒸汽温度；Gl—低压蒸汽流量；Ph—高压蒸汽压力；Th—高压蒸汽温度；Gh—高压蒸汽流量。根据蒸汽性质（过热汽还是饱和汽）及蒸汽在喷咀中的压降计算得到喷嘴的形状和尺寸。根据蒸汽参数，喷嘴通常做成拉伐尔喷咀或锥形喷嘴。喷射器混合段是高、低压两股汽充分混合的部位，两种蒸汽混合均匀后，在扩压段降速增压。所以混合段分为作用、形状不同的前、中、后三段。通过总流量设计尺寸（直径与长度），最终合成所需压力的蒸汽。2.1.1实际工程应用大唐西固热电厂装机容量2×330 MW，从历年采暖季运行情况看，因环保、限产等原因，采暖抽汽压力不足，无法正常供暖。严重时采暖抽汽压力不足0.1 MPa。当出现采暖抽汽压力不足时，电厂抽取高压工业蒸汽，减温减压后送入热网加热器，维持冬季采暖正常运行。为确保余热回收项目顺利实施，同时尽可能利用低压采暖抽汽，设计时采用蒸汽喷射式压力匹配器技术[6]，即利用工业抽汽的高压力，引射低压采暖抽汽，产生中压混合蒸汽，满足热泵机组正常运行。工程设计6台48.46 MW的吸收式热泵，单台热泵蒸汽消耗量约43.33 t/h，总耗汽量约259.98 t/h。设2台蒸汽引射器，其中一台为可调节引射器。从1号、2号机组1.5 MPa工业抽汽管道（2×DN700）上分别引接2×DN400管道，送入两台蒸汽引射器，利用中压蒸汽引射低压蒸汽，产生压力约为0.3 MPa的目标蒸汽，单台引射器设计产汽量130 t/h。中压蒸汽实际运行压力1.0~1.3 MPa，温度380 ℃；低压蒸汽实际运行压力0.1~0.2 MPa，温度200 ℃，引射后产生0.3 MPa的目标汽（压力0.3 MPa，温度285 ℃），引射系数0.5~1.3。产生的目标蒸汽汇总成DN1400的蒸汽母管，减温后送入热泵机组。2.1.2蒸汽引射选型及运行方案工程投运时，热泵逐台启动，单台热泵蒸汽消耗量占总驱动蒸汽约17%，因此设置一台可调节引射器，调节范围为17%~50%。根据项目年热负荷曲线，初末寒期供热量占热泵站供热量的77%，即正常运行工况下，驱动蒸汽流量调节范围为77%~100%，全部由引射器提供。故再设一台不可调节引射器，两台引射器的调节范围为67%~100%，此外在热泵入口设调节阀，满足热泵温度调节的需要。对于不可调节引射器，当用户需求量低于引射器的额定设计流量时，引射器出口目标汽累积，压力上升，高压蒸汽流速降低无法引射。随着目标蒸汽的消耗量增加，引射器出口压力下降，下降到一定程度时，高压蒸汽速度增加，当速度达到设定值时开始引射。高压蒸汽是否引射与高压蒸汽通过喷嘴的速度直接相关。对于可调节引射器，当用户需求量低于引射器额定设计流量时，引射器出口的目标汽累计，压力上升，电动执行机构关小喷嘴喉部的面积，高低压蒸汽流量均降低，引射后蒸汽流量降低；相反，当用户需求量高于引射器单喷嘴额定流量时，目标汽压力无法达到设计值，电动执行机构开大引射器喉部的面积和喷嘴的数量，增加供汽量达到设计要求。因此引射器靠压力信号匹配用户用汽负荷波动。热泵系统运行时，若采暖抽汽≥0.25 MPa，满足正常运行需求，低压蒸汽由旁通管道进入热泵，蒸汽引射器不工作。当采暖抽汽压力低于0.25 MPa，DCS系统报警，需要投运引射器。投入运骤：（1）打开欲投运引射器入口采暖抽汽阀门；（2）打开欲投运引射器出口阀门；同时关闭引射器旁通阀门；（3）打开欲投运引射器高压蒸汽切断阀，再缓慢打开欲投运引射器高压蒸汽电动切断阀，开始引射低压蒸汽。2.2蒸汽参数偏高工况当蒸汽参数偏高时，通常在蒸汽管道上设置减温减压装置，这种做法在技术上虽然可行，但无法做到能量梯级利用。实践证明，当蒸汽压力小于1.0 MPa时，可以采用减温减压技术；当蒸汽压力大于1.0 MPa时，建议蒸汽先降压利用一次，降压后再降温送入热泵，降压利用方案可优先采用蒸汽拖动汽轮机的方案。水泵常用的驱动方式有电动和汽动两种。汽动给水泵转速高、轴较短、刚度大，与电动给水泵相比节省用电3%~4%，便于启动，可配合汽轮机主机滑压运行进行滑压调节，调速范围达到75%~105%，容量不受限制；较电动泵可提高热经济性约0.5%；提高机组运行可靠性，防止因用电中断给下游设备运行带来缺水危险[7]。汽动泵采用的小汽轮机分为纯凝汽式和纯背压式两种，在热泵余热回收工程中，通常采用纯背压形式机组。2.2.1实际工程应用中石化齐鲁热电厂7#、8#汽轮机装机容量2×60 MW双抽凝汽式汽轮机，回收循环水余热，供居民冬季采暖。设计7台吸收式热泵，单台最大制热量43.57 MW，额定蒸汽耗量40.57 t/h，热网水循环量1 429 t/h，余热水循环量1 429 t/h。根据热负荷发展规划，本项目一期投运2台热泵，二期投运3台热泵，三期投运2台热泵。因电厂可用蒸汽抽汽参数为：压力1.4 MPa、温度325 ℃，不适合热泵工作需求，故设计汽拖水泵和减温器方案，先降压再降温，能量梯级利用。根据设计方案，额定工况下循环水量约10 000 t/h，设计供回水温度36/26 ℃。设3台汽拖泵，备用1台电动泵。单台汽拖泵流量3 600 m3/h，扬程29 m。额定工况下汽轮机相关参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.011.T001表1额定工况下汽轮机相关参数参数数值功率/kW400蒸汽进口压力/MPa1.4蒸汽进口温度/℃325蒸汽出口压力/MPa0.7蒸汽出口温度/℃276转速/（r/min）990耗量/（t/h）17.2热网循环水量约10 000 t/h，设计供回水温度81.17/55 ℃。设3台汽拖泵，备用1台电动泵。汽拖泵流量3 600 m3/h，扬程130 m。热网循环工况下汽轮机相关参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.011.T002表2热网循环工况下汽轮机相关参数参数数值功率/kW1 600蒸汽进口压力/MPa1.4蒸汽进口温度/℃325蒸汽出口压力/MPa0.7蒸汽出口温度/℃276转速/（r/min）1 450耗量/（t/h）73采用1.4 MPa的高压蒸汽，驱动热网循环水汽动泵和余热水循环泵，汽动泵汽轮机排汽压力0.7 MPa，降温后用于驱动溴化锂热泵机组。正常情况下，电动泵用于系统启动，待系统热力循环建立后，再逐台开启汽动泵，关停电动泵，直至水泵全部切换为汽动泵。2.2.2汽拖系统存在的问题与解决方案供热系统的调节方式包括量调节、质调节、分阶段改变流量的质调节。量调节通过水泵变频的方式实现，质调节通过调节热网出水温度的方法实现。热水管网整个供暖期内通常采用分阶段变流量的质调节方式，不同阶段采取不同的运行流量，同时每个阶段内根据室外温度高低调节热水管网的供水温度以满足供热要求。电厂余热回收供热系统中，通过调节水泵频率和热泵出水温度，实现余热回收系统的量调节与质调节。本工程采用汽拖泵方案，当调节供热水量时，需要增大或减少汽拖泵的排汽量，排汽量的变化直接影响热泵的正常工作，如要实现汽轮机排汽和热泵消耗蒸汽的平衡，必须整体考虑汽拖泵和热泵的工况参数及调节曲线。而电动泵较灵活，调节供热水量不影响热泵的正常工作。因此设计热泵与汽拖泵同时存在的系统时，为确保供热系统高效运行[8]，必须考虑热泵与汽拖泵同时调节的情况。一期事故工况下，若1台热泵出现故障时，蒸汽负荷降低50%。为了匹配热泵和水泵的流量，水泵的汽轮机需降低运行功率。降低功率将导致热网循环水、余热水流量和扬程都相应地减小，供热系统可能无法正常运行。若一台热泵发生故障，蒸汽消耗量减少，但此刻若汽轮机正常运行，因排汽无法消耗，排气压力越来越高，另一台热泵也因蒸汽压力过高而报警停运，安全阀起跳，蒸汽放散，系统无法正常运行。根据前述设备选型及分期投产方案，将各调节工况汇总如表3所示。由表3可知，一期分两种情况，正常情况2台热泵同时运行，偶有1台热泵故障的情况；二期5台热泵运行；三期7台热泵运行。一期正常工况下，2台热泵+1台热网循环泵+1台余热水循环泵运行，考虑热泵耗汽量与汽轮机产汽量的平衡，热网水泵汽轮机和余热水泵汽轮机均降低运行功率，不小于额定工况的74%，此时热网循环泵和余热水循环泵的扬程分别降低至105 m和24 m，流量降低至3 238 t/h，设计人员须确保在此工况下，扬程满足现有热网水力工况的需求。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.011.T003表3热泵分期运行工况表热泵工况运行工况参数蒸汽消耗量/（t/h）汽拖排气量/（t/h）热网水流量/（t/h）热网水扬程/m余热水流量/（t/h）余热水扬程/m三期（7台）283.99270.610 00013010 00029二期（5台）202.85180.47 1451307 14529一期正常（2台）81.1481.143 2381053 23824一期故障（1台）40.5775.773 024923 02420二期、三期时，热泵蒸汽消耗量大于汽轮机排气量，通过调整投入运行泵的台数，实现供热调节。除此之外，汽轮机排气温度较高，排气母管中设置减温装置，补充热泵蒸汽缺口。一期事故工况下，蒸汽负荷降低50%，热网水泵汽轮机和余热水泵汽轮机再次降低运行功率，降低幅度以满足两种水的水力工况为原则，同时在汽轮机排气母管设紧急放散管，放散富裕蒸汽。放散管上设电动阀，电动阀与热泵状态连锁，同时放散管的蒸汽排入专用热网加热器，加热热网循环水。一旦热泵发生故障，汽轮机降低运行功率后，若热泵蒸汽入口的压力继续超标，则打开电动阀，蒸汽进入热网加热器，加热采暖水，汽拖泵和另一台热泵按现有功率运行。3结语（1）热泵回收电厂循环水余热用于供热是一种低碳清洁的能源利用方式，应大力推广；（2）对于低参数蒸汽情况，采用蒸汽引射器方案，可极大地提高低压蒸汽利用率；（3）对于高参数蒸汽情况，先采用汽动泵降压，再利用减温器降温，实现能量的梯级利用，系统能源利用效率高；（4）汽动泵和热泵相结合的方案虽然有优势，但系统运行调节复杂，基本原则是确保供暖热网水、电厂余热水水力工况正常的情况下，尽量降低汽轮机的运行功率，确保系统正常运行。此外，汽轮机排气母管需要增加安保和排气利用措施。