实验六 低品位能量有效利用实验

2013 年春季学期研究生课程考核
（读书报告、研究报告）
考核科目:低品位能量有效利用实验学生所在院（系）:市政环境工程学院
学生所在学科:建筑与土木工程
学生姓名:范乐乐
学号:12S127006
学生类别:工程硕士
考核结果阅卷人
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低品位能量有效利用实验
实验目的
1、通过实验加深对热力学第二定律与制冷、制热循环过程的理解；
2、掌握提升低品位能量的原理和方法；
3、学生自己设计并完成实验，培养其创新能力。

实验的主要内容
热机能使热能转变为机械能，卡诺循环是这一能量转变过程中的理想循环，基本的蒸汽动力循环是朗肯循环。

制冷机（热泵）能使热能从温度较低的物体转移到温度较高的物体，逆卡诺循环是这一能量转变过程中的理想循环，基本的蒸汽压缩制冷（制热）循环是逆朗肯循环。

高、低温热源的温度差值、气体压缩过程的不可逆损失、换热器传热温差等是影响能量有效利用的主要因素。

实验室目前低品位能量有效利用的实验台有待调试，所以现就大连华能电厂改造项目介绍如何利用热电厂运行过程中低位能源的利用情况。

1) 电厂的余热利用技术
1.我国一次能量资源的特点决定了电力工业以燃煤火电为主的格局.
2.电厂热效率<40%,排汽中约60%热能排入大气。

3.废热耗能形成热污染：如通过冷却塔排到大气，造成空气局部温升；如通过河水冷却，会改变水温出现富营养化现象，影响藻类、鱼类生物的生长。

4.2008年《中华人民共和国节能法》将热、电、冷联产技术列入国家鼓励发展的通用技术，促进了热泵事业的发展
2) 电厂热电联产供热改造存在的能量损失
采用在汽轮机中低压缸连通管打孔抽汽，将抽出的热蒸汽用于周边地区的采暖供热。

1. 减温减压能量损失:
工业用汽最低抽汽压力:0.8-1.6Mpa;而供暖用汽抽汽压力:(0.12-0.25)MPa 这就需要在外部进行减温减压，将抽出热蒸汽经过降温减压器后，才能进入热网交换器，这将造成很大能量损失。

2. 冷凝余热能量损失:
电厂凝汽式发电机组，冷凝热既具有低品位能量(排汽压力0.004-0.008 MPa，冷凝温度30℃左右)，排到大气中对环境又会产生热污染,同时具有量大、水质好和集中等特点，余热利用价值较大。

3) 凝汽机组电厂热电联产供热改造目的
为进一步提高热电联产系统的热能利用率，减少对环境的污染，一方面应梯度利用经过降温减压器的能源，另一方面应设法回收电厂循环水的冷凝余热，提高热电联产的能源利用率，减少对环境的污染。

方案实施
针对华能大连发电厂4台350MW汽轮机发电机组，提出用于集中供热热网的改造方案，并对该方案进行经济性和环保性能分析，证明本项目的可行性。

通过建立一种新型的汽机热泵联合循环系统，来替代原热电联产系统的减温减压器，抽出蒸汽在小型汽机内做功，同轴驱动热泵机组以回收火电厂循环水余热，小汽机的乏汽与原来减温减压器有相同的出口参数，形成驱动汽轮机、热泵与供热系统联合循环的电厂节能减排的关键技术。

1.电厂供热新技术改造方案
原方案抽汽流程：中压排气---减温减压器---热网加热器
新方案抽汽流程：中压排气---汽机热泵---热网加热器
本项目提出采用汽轮机中压排气驱动热泵，以回收火电厂循环水余热的新技术，在华能大连电厂供热系统改造中应用，通过研究设计，确定低成本、高产出效益型的电厂循环水余热回收利用系统，为电厂实现高效率的节能减排，带来经济和社会效益。

如图1经机组汽机（1）中压缸打孔抽出的蒸汽，直接进入小汽轮机，经小汽机绝热膨胀做功后，乏汽的出口温度压力达到与原减温减压器相同，在进入热网加热器，小汽机（2）同轴连接热泵（3），小汽机发出的轴功率，作为高位能源，直接驱动热泵以提取海水循环水的低位热量，送入热网加热器（4）。

2.联合循环系统热泵与热机最佳功率比的确定
认为热机和热泵内部是可逆过程，二者之间热交换为不可逆
（1）热机
瞬间热传递为：
1111()H H H h Q C T T =- 11()L L L l Q C T T =-
图1 汽机热泵联合循环系统图
据热力学第二定律：111//L l H h Q T Q T =
总热传导系数不变 1e H L C C C =+ ；1H e e C x C = ；(1)L e e C x C =-
热机输出功率： 1222
(1)(1)(1)e e e e l W x x C T τττ=--- 其中：112H l T T τ= ； 121
h l T T τ= 可知，热机最大输出功率为：
2,20.251)e m e l W C T =
此时
2,opt τ；,0.5e opt x =
（2）热泵
瞬间热传递为：12()L L l l Q C T T =- ； 2212()H H h H Q C T T =-
低温热源换热量：
122212(1)(
1)(1)(1)p p e e e H H p p e e e x C x C x T Q x C x C x ττττ--=--- 热泵输入功：
122122
(1)(1)[](1)(1)p p h p e e e l p p e e e x C T W x x C T x C x C x ττττ=------ 相应于最佳工况下的输入功为：
1]2r r Φ= 最佳工况的热交换
.12
H opt e H Q C T =最佳的热泵和热机做功比为：
.211]22
p opt e l W C T =- 华能大连电厂供热改造工程背景
电厂有4台350MW 汽轮机发电机组，根据大连周边地区采暖供热的需求，拟采用在四台汽轮机中低压缸连通管打孔抽汽方式，进行供热改造，实现热电联产。

实际供热要求满足1200万平方米热负荷，供热蒸汽压力0.3MPa-0.4MPa ，每台机组抽汽量为200t/h （为机组最大抽汽量）。

由于电厂4台机组分缸压力较高，不能直接作为供热汽源供热，只能采用经减温减压器的供热方式，
电厂凝汽器循环水的冷却方式是有开式，直接排入大海，循环水温受环境影响较大，但冬季最低温度达10-12度，含有大量低品位热量，由于流量大，即使温降5度，其热能利用潜力也极大。

小汽机的输出功率：汽机中压抽汽量200t/h ，压力0.7MPa ，温度315度，经小汽轮机绝热膨胀做功后，乏汽达到与原减温减压器相同的261度出口温度、0.3Mpa
315,0.7261,0.32001000()90003600
W h h W η⨯⨯=-= 则四台可输出功率36MW.
取海水循环水流量3000t/h,温度从 10 ℃ 降到 5 ℃，保守取热泵COP = 3 即：消耗1份高位热能，可汲取2份循环水低位热能，全部用于供热（目前COP 可达到3-5）：
热泵制热量:
130********.6536001
p t COP Q c MW COP ⨯⨯∆==-
4台制热：106.6MW
4台热泵消耗的电功率：
35.3Q P MW COP
== 可见，小汽机的输出功率36MW ，可完全满足热泵的功耗。

与原方案设计参数比较
1.原采用中压抽气经减温减压器供热改造方案，在满足大连市最大总供热面积 1200万平方米，热网供回水水温130/70变化时，若中压抽汽温度、压力315度、0.7MPa, 200吨。

需热网水流量8000吨/h ，四台汽机需抽蒸汽800吨/h ，即200吨/台。

按原方案在满足大连市最大总供热面积 1200万平方米时，热网总需热量：
0800010005603600
p t c Q MW ⨯⨯∆⨯== 新方案热网水所需总热量=小汽机乏汽余热+热泵制热
2.采用汽机热泵同轴联合循环系统
小型背压汽机乏汽余热
201560105455Q Q Q MW MW MW =-=-=
4台节省的蒸汽量
800106.6==152.28/560
m t h ⨯气 单台比原减温减压器抽气供热，理论上可节省蒸汽量：
150.00/4=37.50t/h
环保性能分析
以350 Mw 供热发电机组为例，根据节煤量估算相当于减排的灰渣、烟尘、一氧化硫、氮氧化物等污染物。

灰渣按照煤量的30%估算，采暖季减排7.7万吨，烟尘采暖季减排403.5吨，一氧化硫按照煤的含硫量为1%，每吨煤排放一氧化硫19 kg 估算，采暖季减排4854.5吨，氮氧化物按照每吨煤排放9 kg 估算，采暖季减排2299.5吨.
还可以减少热污染，采暖季减排热529.2。

一氧化碳按照每吨煤排放2.2吨估算，采暖季减排46.2万吨。