蒸汽喷射式热泵回收热电厂除氧器乏汽的理论研究

蒸汽喷射式热泵回收热电厂除氧器乏汽的理论研究

陈维薇

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司湖北武汉430071)

摘要：介绍了蒸汽喷射式热泵的工作原理，对其在某热电厂300MW机组除氧器乏汽回收方面的应用进行了研究。结果表明，在热电联产集中供热方式中引入蒸汽喷射式热泵，回收电厂除氧器乏汽余热，并将余热应用于集中供热，可以获得较好的经济性及节能减排效果。

关键词：蒸汽喷射式热泵；余热利用；热电厂；节能

0前言

蒸汽作为一种重要的能源形式，被广泛的应用于电力生产领域。在蒸汽的使用过程中，不可避免地会产生大量的低压蒸汽。由于低压蒸汽压力低、焓值低的特点，回收起来投资大，经济性差，电厂往往将这部分蒸汽排入大气，直接放散。这样既污染环境，不利于环保，又造成大量能源的浪费。目前我国蒸汽系统的热能利用率仅为国际先进水平的50%。

热电联产生产方式利用汽轮发电机作过功的蒸汽对用户供热，能将热效率提高到85%，大幅节约了能源，成为大型火电站发展的一种趋势。热电厂在生产过程中为获得不同压力等级的蒸汽，通常是采用调整抽汽减温减压的方式，但是蒸汽节流减压会造成高温高压蒸汽能量的无效贬值，造成热能的浪费。

近年来，蒸汽喷射式热泵开始应用于工程，它能够回收低品位蒸汽，提高蒸汽的利用效率[1,2]。本文对蒸汽喷射式热泵在热电厂除氧器乏汽回收方面的应用进行探讨。

1蒸汽喷射式热泵的工作原理

蒸汽喷射泵主要由喷嘴、吸入段、混合段、扩压段等部分组成，结构如图1所示。蒸汽喷射泵是以蒸汽减压前后的能量差为动力，利用高压蒸汽通过喷嘴产生的高速气流来引射低压蒸汽。高压蒸汽在膨胀的同时压缩低压蒸汽，通过高压蒸汽的裕压提高低压蒸汽的品味。经混合室混合后的高压、低压混合蒸汽由扩压室可恢复部分压力损失，使混合蒸汽压力达到要求[3,4]。这种热泵没有任何运动部件，结构简单，运行可靠，可自动调节[5]。

图1蒸汽喷射式热泵结构示意图

2本文回收除氧器排汽方案及数学模型

除氧器在除氧过程中，将排放大量的乏汽，直接排空将造成能源浪费。采用蒸汽喷射式热泵，可以回收乏汽余热，用于集中供热。以某电厂300MW热电联产机组为例，供热抽汽有高压和低压两种抽汽。其中，高压抽汽来自再热冷段蒸汽，低压抽汽来自四段抽汽。两种抽汽均需要经过减温减压或者减温后才能供热用户使用。本文考虑通过蒸汽喷射式热泵提高除氧器排汽压力，用于高压供热。除氧器排汽热回收系统流程见图3。以一部分再热冷段蒸汽作为热泵的驱动蒸汽，引射从除氧器排出的乏汽，通过调节蒸汽的混合比例，来获得满足供热压力要求的蒸汽，送至供热管道，使乏汽的余热得到充分利用。

图3除氧器排汽热回收系统流程

图3中，p1、p2、p3分别代表再热冷段蒸汽、除氧器排汽以及蒸汽喷射式热泵出口混合蒸汽的压力（出口蒸汽用于供热，出口压力即为供热管道压力）。首先要确定驱动蒸汽、吸入蒸汽和混合后蒸汽参数，再进行引射系数μ的计算，即确定吸入蒸汽与驱动蒸汽的流量比，最后通过吸入蒸汽的流量来确定驱动蒸汽的流量，即通过除氧器排汽流量来确定所需要的再热冷段蒸汽流量。

理想热泵中整个热力过程是可逆的，高压蒸汽与低压蒸汽在混合段内的混合过程满足下述质量与能量守恒：

G1+G2=G3（1）

G1h1+G2h2=G3h3（2）

式中G1、G2、G3分别为高压蒸汽、低压蒸汽及混合蒸汽的质量流量，h1、h2、h3分别为高压蒸汽、低压蒸汽及混合蒸汽的焓值。

由此可得理想热泵的引射系数μ’=（h1-h3’）/（h3’–h2）（3）

式中，h3’为出口蒸汽的理想焓值，可通过驱动蒸汽和引入蒸汽的状态参数点在焓熵图上查出。

由于蒸汽在工作喷嘴、混合段和扩散段因摩擦而引起的动量损失，分别用系数ψ1、ψ2、ψ3修正引射系数。可以得到：

（4）

式中，μ为蒸汽喷射式热泵引射系数；μ'为理想引射系数；ψ1、ψ2、ψ3以及为修正系数。经过大量实验和计算，式中的各修正系数取用以下数值：ψ1=0.95，ψ2=0.975，ψ3=0.975，修正参数可根据索科洛夫计算方法取=1.1。

3计算结果与讨论

某电厂再热冷段蒸汽、除氧器排汽、高压供热蒸汽参数如表1.

表1某电厂蒸汽参数

通过本工程驱动蒸汽状态点（即再热冷段蒸汽状态点）、吸入蒸汽状态点（即除氧器排汽）以及高压供热蒸汽压力值，在焓熵图上可以得到热泵出口理想状态点的焓值h3=2870kJ/kg（对应温度243℃，能够满足高压供热蒸汽温度要求），代入式（3）得到理想喷射系数μ'=1.553，再代入式（4）得到压力匹配器喷射系数μ=0.587。按本期工程除氧器排汽量2.85t/h计算，可以得到驱动蒸汽量为4.85t/h，生产高压供热蒸汽7.70t/h。

3.1工质的回收量对于某电厂300MW机组，年运行小时数为5500h，蒸汽排放彻底回收后，每年则可以回收疏水15675t。按化学制水成本10元／t计算，每年可节约生产成本156750元。

3.2热量的回收除氧器排汽焓值为2785kJ／kg，年排放热量为43654.875GJ，燃煤标准发热量为0.029308GJ／kg，则除氧器年总排

放热量折合标煤为1490t。通过回收除氧器排汽余热，并用于集中供热，相当于这部分热量全部回收；另一方面，除氧器排汽的引入，减少了再热冷段蒸汽用于供热的抽汽量，从而减少了这部分蒸汽减温减压热量的损耗，通过计算，这部分热量为2178.83GJ，折合标煤为75t。按现行燃煤价格约480元／t标煤计算，每年可节约生产成本751200元。

综合工质、热量两项效益，引入蒸汽喷射式热泵回收除氧器排汽后，每年可节约生产成本约91万元，在短期内可收回设备投资，之后即可产生直接的经济效益。

4结论

采用蒸汽喷射式热泵对某热电厂除氧器乏汽进行回收并调整成稳定蒸汽气源用于供热系统，实现了除氧器废汽回收再利用，减少了机组冷段蒸汽的消耗。研究结果表明该方案经济效益显著，不仅回收了乏汽余热，还降低了供热能耗，节约煤耗，减少大气污染物的排放。

此项可以利用低温余热的高效节能技术具有很好的经济效益和社会效益，从节约能源和保护环境的角度出发，应对该项技术作更为深入的可行性研究，以便在热电厂中推广应用。

参考文献:

1.高阳．蒸汽喷射泵的原理与应用［J］.煤气与热力，2003，23(8):54－55．

2.高阳，王晟．蒸汽喷射泵、喷射式混合加热器的应用［J］．煤气与热力，2012，32(8):A10－A13．

3.WuXinzhuang,YANjunjie,ShaoShufeng,etal.Experimentalstudyonthecondensationofsupersonicstreamjetsubmergedinquiescentsubcooledwaterstreamplumeshapeandheattransfer.InternationalJournalofMultiphaseFlow,2007,33,12,1271-1394.

4.CHONGDaotong，YanJunjie，WuGeshengetal.Structuraloptimizationandexperimentalinvestigationofsupersonicejectorsforboostinglowpressurenaturalgas.AppliedThermalEngineering.2009,29,1415,2799-2807.

5.张新军，李娟，张翠华.汽轮机压力匹配器的应用及热力性能的完善［J］.中国西部科技

6.李凯，张蕊.利用压力匹配器研究联合循环电站供热方案.能源与节能，(2014)01-0064-03