电厂汽机热泵联合循环系统供热模拟与优化研究

摘要

热电联产集中供热可以节约一次能源，减少环境污染，获得了广泛的应用。在电厂凝气机组热电联产系统改造中，由于采用减温减压器降温减压，一方面造成减温减压器中高品位能量的浪费，另一方面是电厂中大量循环冷却水的余热无法得到利用。本文提出适于电厂凝汽机组热电联产供热系统改造的汽机热泵联合循环系统，研究建立系统的特性参数关联式，在对系统各部件进行优化设计基础上，通过建立整个系统的动态模型以及优化的目标函数，实现了该系统的优化运行，案例计算结果证明了该系统的可行性，并具有较好的经济和社会效益。
　　本研究主要内容包括：⑴从分析CTHP循环系统特性着手，确定系统需要满足的汽机驱动热泵的匹配关系，通过现场测试，回归出汽机效率和功率的关联式，在计算汽轮机与热泵相互影响关系的基础上，进一步得出系统最大抽汽量、最大效能系数、动态负荷比及循环倍率等相关特性技术参数，为该系统研究提供了理论基础参数。⑵以系统各换热部件的火积耗散数最小为目标函数，建立了系统换热部件的优化设计模型及求解方法，优化过程中满液式蒸发器采用分布参数法模拟计算，其余换热器采用常规的模拟方法计算。优化得到了各换热部件的换热管直径、换热管数、换热管长、壳体内径与换热管间距等结构参数；热网加热器优化设计后换热效能提高了7.79%，功耗减少了19.61%。⑶构建CTHP循环系统的动态模拟模型，以及各部件间的耦合关系，从整个循环系统动态变化的角度，分析系统内各部件动态变化和相互影响关系。循环冷却水的温度对汽轮机排汽压力比排汽温度的影响要大，系统供热量随热泵出水温度的升高近似线性降低，冷凝器出水温度的升高会大幅增加蒸汽的消耗，蒸汽的流量比存在最佳值；两种调节方式下，采用质量-流量调节时系统参数的变化幅度更大；整个采暖期内热泵 COP平均值为2.18，采暖期共消耗蒸汽223430t，节省了蒸汽消耗38197.6t，系统的能量利用率从0.938升至1.064。⑷建立CTHP循环系统的优化运行模型，对系统的优化运行过程进行了分析。计算得到满负荷工况与部分负荷工况的最优运行参数值，分析了循环冷却水温度与热负荷变化对系统最佳运行参数的影响规律，最佳蒸发器出水温度与汽轮机的排汽压力随冷却水进口水温开始增大较快后趋于稳定，供热负荷变化对冷却水流量和出水温度的影响最大，汽轮机排汽压力随供热负荷增加而降低的速度逐渐减慢，而排汽温度的降速逐渐加快，频率最高的60％负荷工况时，系统的最佳冷却水出水温度为14.7℃，最佳的汽轮机排汽压力与温度分别为0.295MPa和189.6℃，热泵最佳出水温度为79.6℃，最佳蒸汽流量比为0.457。⑸以大连华能电厂凝汽机组的热电联产改造为应用案例，通过对系统各部件的优化设计及运行优化模拟，得到该电厂 CTHP循环系统的最佳汽轮机蒸汽流量比的变化范围在0.428至0.48之间，系统的能量利用在1.01~1.085之间变化，平均能量利用率为1.076，在系统最优的运行参数下，采暖期的蒸汽消耗为199341.6t，相比未优化时的蒸汽消耗量降低24088.4t；通过费用年值、净现值和动态回收期等技术经济指标，对 CTHP循环系统的技术经济性进行了计算并与原减温减压供暖系统进行对比，结果 CTHP循环系统的初投资是减温减压器系统的1.73倍，费用年值约是减温减压器系统的90％，CTHP循环系统的动态回收期为2.3年，小于减温减压器系统的动态回收期3.13年，证明了系统的可行性和较好的经济和社会效益。

目录

物理量名称及符号表

第1章 绪论

1.1课题来源

1.2课题研究的目的和意义

1.3热电联产相关理论基础

1.4电厂热电联产相关研究现状

1.5本文的主要研究内容

第2章 CTHP循环系统及系统特性参数

2.1 CTHP循环系统提出及工作过程

2.2汽轮机效率的确定

2.3 CTHP循环系统汽轮机与热泵的匹配特性

2.4 CTHP循环系统特性参数的确定

2.5本章小结

第3章 CTHP循环系统换热部件优化设计

3.1主要换热部件设计模型

3.2各换热部件的设计优化

3.3各换热部件的优化算例

3.4本章小结

第4章 CTHP循环系统动态模型的建立及求解

4.1 CTHP循环系统部件动态模型

4.2 CTHP循环系统的动态模型

4.3模型的求解

4.4汽机热泵模拟与分析

4.5本章小结

第5章 CTHP循环系统模拟及影响因素分析

5.1计算条件

5.2热负荷影响分析

5.3系统参数影响因素分析

5.4两种调节方式对系统的影响分析

5.5本章小结

第6章 CTHP循环系统运行优化分析

6.1 CTHP循环系统运行优化模型

6.2 CTHP循环系统优化的约束条件

6.3 CTHP循环系统的运行优化分析

6.4本章小结

第7章 CTHP循环系统应用案例分析

7.1电厂现状

7.2设计与运行计算

7.3经济效益分析

7.4本章小结

结论

主要创新点：

课题展望：

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其他成果

声明

致谢

个人简历