技術(shù)交流暖通空調(diào)HV&AC2011年第41卷第3期133電廠循環(huán)水水源熱泵供熱系統(tǒng)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循環(huán)水水源熱泵數(shù)學(xué)模型,分析了凝汽器溫度對(duì)熱泵蒸發(fā)溫度和制熱系數(shù)等主要參數(shù)的影響,經(jīng)過(guò)計(jì)算得到了熱泵供熱優(yōu)于抽汽供熱的臨界參數(shù)。實(shí)際算例表明,當(dāng)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(jì)。關(guān)鍵詞水源熱泵電廠循環(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不可再生能源的日益消耗,全球能源形勢(shì)都較為穩(wěn)定,有利于熱泵運(yùn)行越來(lái)越嚴(yán)峻,開(kāi)發(fā)利用新能源與各種節(jié)能技術(shù)是緩傳統(tǒng)的供熱方式,對(duì)供熱溫度要求較高,而解能源危機(jī)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(yīng)用。板在通過(guò)對(duì)流換熱加熱周圍空氣的同時(shí),還與人本文建立了電廠循環(huán)水水源熱泵的數(shù)學(xué)模型,體、家具及四周的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行輻射換熱,因此分析了凝汽器溫度變化對(duì)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(duì)較低,40數(shù)等主要參數(shù)的影響并以某發(fā)電廠建筑為例經(jīng)55℃的熱水就可以滿足供暖的需求。同時(shí),地板過(guò)計(jì)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(nèi)地表溫度分布均勻,間歇供泵臨界參數(shù)。另外,對(duì)電廠循環(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(tǒng)的各主要參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。文所建立的系統(tǒng)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(tǒng)供熱的要求選取般大型火電廠實(shí)際熱效率僅40%左右除2技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(guó)煤化工究生走。這樣不但造成了能量的浪費(fèi)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(fèi)修回日期;201101-21134暖通空調(diào)HV&AC2011年第41卷第3期技術(shù)交流以發(fā)電廠附近某2萬(wàn)m2的建筑為例進(jìn)行技此作詳細(xì)研究用壓縮機(jī)的等熵效率n來(lái)表明此影術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析響,本文中取78%2.1系統(tǒng)運(yùn)行原理(見(jiàn)圖1)經(jīng)與其他工質(zhì)對(duì)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(jī)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(jié)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(cè)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(jī)7冷凝器8節(jié)流閥9散熱器圖1供熱系統(tǒng)運(yùn)行原理圖作為熱泵低溫?zé)嵩吹难h(huán)冷卻水在凝汽器1中吸收汽輪機(jī)排汽凝結(jié)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(dá)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(tǒng)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(jī)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(jié)流閥8降溫降壓,回到蒸發(fā)器中繼續(xù)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)入用戶端的散熱器散h2-h1(3)熱,然后回到冷凝器中繼續(xù)循環(huán)。熱泵理想制熱系數(shù)COPH:2.2熱泵設(shè)計(jì)計(jì)算2.2.1數(shù)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?zé)嵩春透邷責(zé)釁R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(yīng)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(biāo),實(shí)凝汽器中的溫升相等。際中是不可能實(shí)現(xiàn)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(jì)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(shù)比卡諾循環(huán)明顯要小,其實(shí)際制熱系數(shù)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?zé)嵩吹臏囟?存在傳熱端差Δ。,冷凝器2.2.2計(jì)算結(jié)果中冷凝溫度要高于髙溫?zé)釁R的溫度,也存在傳熱端假設(shè)各換熱器的傳熱端差均為5℃;循環(huán)冷差此外還有用節(jié)流閥代替膨脹機(jī)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(guó)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(shù)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(shè)計(jì)參數(shù),如表因素,尤其是壓縮過(guò)程中的各種損失。本文中不對(duì)1所示。011(3)孫志新等:電廠循環(huán)水水源熱供熱系統(tǒng)可行性分析表1熱泵設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算結(jié)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(shù)OPH6.2696.4316.7786.9647.1607.3667.583實(shí)際制熱系數(shù)F85.2875.4325.5855.7455.9156.093由圖3可見(jiàn),熱泵蒸發(fā)溫度隨著凝汽器溫度的表2抽汽供熱參數(shù)降低呈線性下降趨勢(shì),熱泵實(shí)際制熱系數(shù)隨凝汽器數(shù)值溫度的降低呈非線性下降趨勢(shì),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(shì)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(shù)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(jì)性也越來(lái)越差。因此,可以斷定,當(dāng)凝單位抽汽供熱量qb的計(jì)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(jié)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(qū)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(shù)gh=P CoP(10)圖3凝汽器溫度對(duì)熱泵蒸發(fā)溫度當(dāng)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(shù)的影響其發(fā)電后驅(qū)動(dòng)熱泵所能產(chǎn)生的熱量相等時(shí),則這對(duì)于冬天室外溫度相對(duì)較高的地區(qū),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(shù)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(dāng)降低,這樣熱泵制熱系數(shù)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(shè)備冬夏兩用,省去了普通制冷空調(diào)的由此求得兩種供熱方式熱效率相等時(shí)熱泵的費(fèi)用。臨界參數(shù),如表3所示23經(jīng)濟(jì)性分析表3熱泵設(shè)計(jì)臨界參數(shù)在熱用戶集中且穩(wěn)定的區(qū)域,采用熱電廠為供tawd/ Pond/MPa I-/℃te/℃0.0052熱熱源熱能利用率高、污染小,是城鎮(zhèn)最主要的供Per/MPa熱形式之一。用于供熱的汽輪機(jī)有背壓式和抽0.5880.24716.898汽式,由于使用背壓式汽輪機(jī)熱電負(fù)荷會(huì)相互制2.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算約因此現(xiàn)有熱電廠多采用抽汽式汽輪機(jī)表2為1)月中國(guó)煤化工某發(fā)電廠55MW機(jī)組的抽汽供熱參數(shù)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(jì)熱負(fù)荷kW;q為相等時(shí),熱泵的各項(xiàng)臨界參數(shù)建筑物的供熱面積熱指標(biāo),kW/m2,住宅可取暖通空調(diào)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利用大功率機(jī)組的循環(huán)水供熱具20000m2。有廣闊的應(yīng)用前景。供熱熱水流量mn的計(jì)算式為32當(dāng)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(jì)。3.3熱泵蒸發(fā)溫度隨著凝汽器溫度的降低呈線性式中cp為水的比熱容,取42kJ/(kg·C);tm,下降趨勢(shì),而熱泵實(shí)際制熱系數(shù)隨凝汽器溫度的降分別為用戶散熱器進(jìn)、出口溫度,取其溫差為低呈非線性下降趨勢(shì),且溫度越低,下降趨勢(shì)越緩。0℃參考文獻(xiàn)2)熱泵耗電量W[1]季杰劉可亮裴剛,等以電廠循環(huán)水為熱源利用熱泵區(qū)域供熱的可行性分析[J.暖通空調(diào),2005,35(2):104-107式中COP取表3中的臨界制熱系數(shù)。[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(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[].暖通空調(diào),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(qiáng),等燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和吸附制冷機(jī)組成的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)[].動(dòng)力工程,206,2循環(huán)冷卻水流量m[4] 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