引言随着我国经济的不断发展，北方地区的城市集中供热面积越来越大。近年来，虽然很多火电机组实施了增加供热的改造，但是由于受限于机组热电解耦的能力［1］，仍然难以满足城市的供热采暖需求，很多地方不得不大面积使用昂贵的天然气进行供热。此外，供热季热电机组的高负荷运行和新能源发电量的提升，使得电网对电厂调峰的要求越来越高，电厂供热、发电的矛盾越来越突出［2-3］。因此，采用电力进行采暖成为热电机组提升供热能力的一个重要措施［4］，而相比于电热锅炉，热泵具有能量利用效率高的突出优势［5-7］。针对寒冷地区使用的大型热泵供热系统，行业内已经开展了大量的研究［8-10］，其主要侧重于低温余热的回收，而对于电厂采用空气源大型压缩式热泵供热系统的研究则相对较少。本文提出一种火电厂采用大型压缩式空气源热泵的电厂供热系统，通过过程模拟获得了热泵系统的运行性能，并对2×300 MW火电机组采用大型压缩式空气源热泵的供热系统进行了供热能力、能量利用效率和经济性分析。1大型压缩式热泵供热系统采用大型压缩式热泵的电厂供热系统原理如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.014.F001图 1采用大型压缩式热泵的电厂供热系统常规热电联产机组供热系统是利用汽轮机抽汽和乏汽加热热网循环水进行供热，而大型压缩式空气源热泵的电厂供热系统则利用机组产生的电力驱动热泵从环境空气中提取热量来加热热网循环水，以补充特殊条件下汽轮机抽汽和乏汽供热量的不足。2压缩式热泵运行特性模拟2.1热泵循环方式大型压缩式空气源热泵的运行特性直接影响系统的整体供热性能。北方寒冷地区，采暖期室外温度一般低至-20 ℃，对于单级压缩式空气源热泵则需要很高的压比，从而易出现回液、排气温度过高等问题，不仅制热困难而且机组运行稳定性差［11-12］。相比于单级压缩，两级压缩热泵系统的能效大幅提高。采用两级压缩的热泵可在环境温度为-20 ℃情况下，COP仍维持在2.0以上［8］。本文选取了可靠性更高的双级压缩一次节流中间不完全冷却循环进行分析，考虑热力学性能及环境友好性，制冷剂工质选择R134a。两级压缩热泵系统原理如图2所示 。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.014.F002图 2两级压缩热泵系统原理两级压缩热泵系统的压力-比焓（P-H）关系如图3所示［9］。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.014.F003图 3循环系统P-H图2.2模型建立在美国大型通用流程模拟系统软件Aspen Plus中建立两级压缩热泵系统模型，工质采用R134a，物性方法选择REFPROP。两级压缩热泵流程模型如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.014.F004图 4两级压缩热泵系统流程模型2.3模拟参数设置为简化模拟，采用如下假设：①系统各处均保持热平衡和流动稳定；②不考虑换热过程的热能损失及管道中的压力损失；③溶液经过节流阀后焓值不变；④工质压缩为多变过程，压缩效率取80%，机械效率取95%；⑤中间冷却器的温差为5 ℃，过冷度为 0 ℃，进入混合器的工质为饱和蒸汽。基于以上的流程模型，根据供热系统的循环水温度，设定冷凝器温差为5 ℃，蒸发器温度根据环境温度选取，在Aspen Plus中通过序贯模块法进行计算；前一模块的出口参数值作为后一模块的入口参数值，通过调整模型的操作条件和初始物流的参数值，使流程收敛。2.4系统模拟数据分析根据城市热网的需求，该系统供水温度设计值为90 ℃，回水温度设计值为40 ℃，因此设定冷凝器进口工质温度95 ℃，出口工质温度45℃；设定蒸发器温度比环境温度低5 ℃。研究不同的蒸发温度（Te）、压比（ε）、工质的中间节流比例（Sm）等参数对于热泵性能系数（COP）的影响。在环境温度较低的情况下，为了保证热泵的制热能力，必须提高工质的压比（ε），根据环境温度（T0）为-20 、-15 、-10 、-5 、0 、5 ℃，设定蒸发器温度（Te）为-25 、-20 、-15 、-10 、-5 、0 ℃，模拟获得最佳的低压压比（εL）、高压压比（εH）与COP的关系如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.014.F005图 5蒸发温度对COP的影响及最优压比由图5可知，随着蒸发温度的降低，热泵系统需要不断提高压比，在蒸发温度为-25 ℃时，高压压比达到20才能满足供热的要求；同时，随着蒸发温度的降低，系统的COP逐渐降低，在蒸发温度为-25 ℃（环境温度-20 ℃）时，COP仍超过2.0。不同蒸发温度下，低压压比对COP的影响关系如图6所示。由图6可知，随蒸发温度的降低，需要相应的提高低压压以获得最佳的COP，当蒸发温度由0 ℃降至-25 ℃时，低压压比由2提高到4。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.014.F006图 6蒸发温度和低压压比对COP的影响工质在中间节流阀中的比例直接影响了冷凝器进口温度，模拟中保证冷凝器进口温度为95 ℃，从而确定了不同的工质中间节流比例。不同蒸发温度下，低压压比对工质一级节流比例的影响如图7所示。由图7可知，随着蒸发温度的降低，需要逐渐提高工质中间节流比，在低压压比为2的情况下，当蒸发器温度由0 ℃降至-25 ℃时，工质的中间节流比从0.162提高到0.348，说明中间冷却对于提高热泵在低温下的工作性能非常重要。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.014.F007图7蒸发温度和低压比对一级节流比例的影响3大型压缩式热泵供热性能分析依据过程模拟结果获得针对不同环境温度下热泵系统的最佳运行参数，以2×300 MW热电联产机组为例，分析该供热系统方案及性能。3.1系统供热能力火电机组的4种典型运行模式如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.014.F008图 8火电机组4种运行模式流程图第1种是纯凝模式，即机组只产生电力W2；第2种是常规热电联产，即机组产生W2电力的同时通过汽机的抽气和乏汽对外供热Q5；第3种是纯凝+电热泵，即机组只产生电力，并采用电力驱动热泵对外供热Q7；第4种是热电联产+电热泵，即机组通过汽机的抽气和乏汽对外供热Q5，以及利用机组产生的电力驱动热泵对外供热Q7，因此总供热量为Q5+Q7。其中，Q1为锅炉输入能量（MW）；Q2为锅炉热损失（MW）；Q3为锅炉输出热量（MW）；Q4为汽机损耗（MW）；Q5为汽机的供热量（MW）；W2为汽机的发电功率（MW）；Q6为热泵从热源吸热量（MW）；Q7为热泵供热量（MW）。2×300 MW机组在常规热电联产运行模式下，汽轮机进汽量约2×1 000 t/h，供热的抽汽和乏汽总量约2×650 t/h，此时发电机出力约为2×220 MW。在机组的热电联产+电热泵运行模式下，扣除厂用电后供电能力约为2×205 MW，将此部分电量全部作为压缩式热泵的输入能源。根据模拟的结果，以系统的平均COP为2.5计算，压缩式热泵供热系统制热能力可达到1 040 MW，热网循环水量为17 829 t/h。机组原来采用抽汽和乏汽供热能力约为800 MW，结合大型压缩式热泵供热后则可满足约4 000万m2的供热需求，供热能力增加了130%。3.2能量利用效率分析对于大型集中供暖系统，定义供暖系统的供热效率ηh为［6］：ηh=1mh-h'∑i=1nmihi-hi' (1)式中：n——热用户的数量；mi——第i个热用户的水流程量（kg/s）；hi、hi’——分别为第i个热用户的进、出水比焓（kJ/kg）；m——供热站水流量（kg/s）；h、h’——分别为供热站的出水、回水比焓（kJ/kg）。汽轮机发电效率ηt为：ηt=W2Q3 (2)汽轮机热电比α为：α=Q5W2 (3)燃煤热电机组的供电系数λe为：λe=ηbηt1-l (4)式中：ηb——锅炉效率，l——厂用电率。燃煤热电联产机组的供热系数λn为：λh=ηbηtαηh (5)系统的能量利用系数λt为：λt=λh+q (6)式中：q——电量折算系数：q=λeεc (7)式中：εc取热泵性能系数（COP）。我国北方某城市供暖期的实际气温为环境温度如图9所示，依据过程模拟获得相应环境温度的热泵运行参数。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.014.F009图 9供暖期气温变化趋势依据以上计算公式，分别计算了2×300 MW燃煤火电机组的4种运行模式，其性能指标的预测结果如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.014.T001表1机组4种运行模式下性能指标的预测结果项目纯凝常规热电联产纯凝+电热泵热电联产+电热泵系统供电量/MW2×3002×20000汽机供热量/MW08000800供电系数0.390.2800供热系数00.630.9671.33热泵平均供热/MW001 4881 016.8系统能量利用系数0.390.910.9671.33由表1可知，纯凝运行模式由于没有供热，其全厂的能量利用系数最低，仅有0.39；常规热电联产运行模式同时供电和供热，全厂的能量利用系数为0.91；纯凝+电热泵运行模式下发电全部用于热泵机组，没有对外供电，全厂的能量利用系数为0.967；热电联产+电热泵运行下，发电全部用于热泵机组，没有对外供电，全厂的能量利用系数是4种运行模式中最高的，达到了1.33。3.3经济性分析2×300 MW燃煤火电机组按照热电联产+电热泵的运行模型进行考虑，其大型压缩式空气源热泵供热系统的供热能力为1 040 MW，初投资约为20亿元。按该系统年供热量1110万GJ测算，将供热成本按照耗电费、维修费、人工费、初投资折旧等几个方面，计算结果如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.014.T002表2供热成本计算结果项目计算依据供热成本/(元/GJ)热泵电耗电耗111 kWh/GJ厂内电费0.3元/kWh33.3维修费设备额2%3.6水泵电耗2 kWh/GJ0.6人工费人工400万元/a0.36初投资折旧按8年计算22.5总成本60.36按照表2的计算方法，基于标煤价格600元/t、天然气价格2.26元/m3，测算其他几种典型城市供热方案的供热成本，计算结果如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.014.T003表3典型供热方案成本对比典型供热方案初投资/(元/m2)供热成本/(元/m2)供热成本/(元/GJ)燃煤锅炉房区域供热4019.238.4大型火电长输供热5018.737.4背压机组供热9020.541热电联产+电热泵供热9030.1860.36燃气锅炉房区域供热20.341.3482.68由表3可知，采用热电联产+电热泵供热系统的供热成本，高于燃煤锅炉房、大型火电长输供热和背压机组供热方案，但远低于燃气供热，对于大型火电机组的热电解耦，提高供热能力具有显著的优势。在某些城市，前3种供热方案不具备条件时，热电联产+热泵方案比燃气供热方案有优势。3.4系统应用分析（1）作为大型城市集中供热热源的一种新选择。对于北京这样的大型城市，其燃煤和燃气热电联产机组供热能力已发挥到传统技术的极限，城市仍存在巨大的供热热源缺口。与发展天然气供热相比，依托现有燃煤、燃气火电机组采用热电联产+电热泵系统供热成本低、供热面积大，具有一定的比较优势。（2）作为电厂热电解耦的一种新方案。当前电厂热电解耦，一般采用热水罐储热、电极锅炉等方案。在热电解耦方面，热电联产+电热泵系统适用情况与电极锅炉方案相似，其能量利用效率比电锅炉高、运行成本比电锅炉低。4结语本文提出了一种热电联产机组结合大型压缩式空气源热泵（热电联产+电热泵）的供热方式，通过过程模拟，获得了大型两级压缩式空气源热泵的运行参数及性能，并对整个供热系统的能量利用效率和经济性指标进行了分析。（1）大型两级压缩式空气源热泵的制热系数随着环境温度降低而逐渐降低，在低温环境下仍具有较高的制热系数，在-20 ℃时COP超过2.0。（2）2×300 MW热电联产+电热泵供热系统，相比于常规热电联产供热系统，供热面积可增加到4 000万m2，供热能力大幅提高了130%。（3）分析了机组4种不同的运行方式，热电联产+电热泵运行方式的全厂能量利用系数可达到1.33，远高于纯凝、常规热电联产以及纯凝+电热泵运行方式。（4）通过对比几种典型的供热方式，热电联产+电热泵的供热方式的成本约为60.36元/GJ，高于燃煤锅炉房、大型火电长输供热和背压机组的供热方式，但远低于燃气锅炉房供热方式，可为北方寒冷城市的供热方案选择提供参考。（5）热电联产+电热泵系统，适合作为大型城市集中供热热源的一种新选择，以及作为电厂热电解耦的一种新方案。