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一、選題的背景及研究的目的和意義
1.1選題背景
我國是一個能源生產和消費大國，經濟的快速發展導致能源需求的快速增長[1]。據國家統計局2014年2月22日發佈的《中華人民共和國2013年國民經濟和社會發展統計公報》，我國2013年全年能源消費總量37.5億噸標準煤，比上年增長3.7%。煤炭消費量增長3.7%;原油消費量增長3.4%;天然氣消費量增長13.0%;電力消費量增長7.5%。這表明，我國己成爲世界上煤炭一次性能源等消耗最大的國家，是世界上能源消耗的第二大國。因此，合理利用能源，節約能源，降低排放己經成爲我國可持續發展的戰略方針之一[2]。
目前，火電廠綜合效率低下的原因之一就是將機組中做完功的乏汽排入凝結器後，其熱量被循環水帶走，然後透過冷卻塔排入大氣或隨循環水排入江河，低溫餘熱被大量浪費，造成非常大的冷源損失[3]，隨低溫水排放掉的乏熱約佔總損失的55 %一60 %[4]。我國能源利用率僅爲33%，節能空間和潛力很大[5]。能源利用效率的低下，意味着我國經濟和社會的快速發展必然以消耗大量的一次性能源作爲代價，使得我國本就十分嚴峻的石化能源形勢更加雪上加霜，也不符合可持續發展戰略的要求，並且大量的能源消耗以及較低的能源利用效率，必將造成巨大的熱排放與熱污染，粉塵、硫氧化物和氮氧化物的排放會造成空氣污染加劇，二氧化碳的排放會造成溫室效應等。根據我國“十二五”發展規劃，燃煤火電機組新開工容量估計爲3億kW ,2015年發電總裝機容量將達到14. 36億kW，其中火電裝機容量將到達9. 33億kW。在這些機組中，除了北方部分非常缺水的地區使用空冷，多數機組都是採用循環水冷卻排汽。在燃煤火電機組裝機容量增添的進程中，碳排放總量也會隨之增添，二氧化硫等污染物的排放量也將有較大幅度的增添，如果能對循環水中熱量加以利用，提高能源綜合利用效率，必定會節省石化能源的使用量，做到環境、經濟、能源等多贏的局面[6]。
由於正常情況下循環水的溫度比較低(一般冬季20-35℃)，達不到直接供熱的要求，要用其供熱，必須想辦法適當提高其溫度。中小型凝汽式汽輪機可以透過降低排汽缸真空從而提高循環水溫度(60-80℃)的方法進行供熱，即低真空執行循環水供熱，該技術在理論上可以實現很高的能源利用效率，國內外都有很多研究和成功執行的實例，技術已很成熟，特別在我國一些北方城市得到了廣泛的應用與推廣。但傳統的低真空執行機組類似於熱電廠中的背壓機組，其透過的蒸汽量決定於用戶熱負荷的大小，所以發電功率受用戶熱負荷的制約，不能分別地獨立進行調節，即其執行也是‘以熱定電’，因而只適用於用戶熱負荷比較穩定的供熱系統。另外，機組低真空執行須對機組結構進行相應的改造，僅適應於小型機組和少數中型機組，對現代大型機組則是完全不允許的。在具有中間再熱式汽輪機組的大型熱電聯產系統中，凝汽壓力過高會使機組的末級出口蒸汽溫度過高，且蒸汽的容積流量過小，從而引起機組的強烈振動，危及執行安全。大型汽輪機組的循環冷卻水進口溫度一般要求不超過33℃(相應的出口溫度在40℃左右)，如果供熱溫度在此範圍之內，則機組結構不需作任何改動，且適應於任何容量和類型的機組。但目前適應於該溫度範圍的供熱裝置只有地板低溫輻射採暖，因此其應用範圍受到比較大的限制[7]。
提高電廠循環水溫度用於供熱的另一個方法是採用熱泵技術，即以電廠循環冷卻水
爲低位熱源、利用熱泵技術提取其熱量後向用戶供熱。電廠循環水與目前常用的熱泵熱源相比，具有熱量巨大、溫度適中而穩定、水質好、安全環保等優點，是一種優質的熱泵熱源。以電廠循環水作爲熱泵低位熱源進行供熱，可以方便靈活的實現供熱量與用戶需求之間的質”與量”的匹配，也不會對發電廠原熱力系統產生較大影響[8]。利用熱泵裝置回收循環冷卻水餘熱返回熱力系統中用於加熱凝結水，可以減少相應低壓加熱器的抽汽消耗量，從而增加電廠的發電量，降低電廠的發電煤耗值，提高電廠執行的經濟性。因此電廠循環水水源熱泵是回收利用電廠循環水餘熱進行供熱的一種較理想方式。
1.2 研究目的和意義
爲了利用電廠中產生的大量溫度高於環境溫度10度左右的低溫循環冷卻水，從提高系統熱力學完善性出發，選用第一類吸收式熱泵，分析其循環機理，在此基礎上以300MW機組爲例，進行熱力計算，分析其經濟性。
透過採用熱泵技術，部分的利用冷卻系統的工藝循環冷卻水，提取冷卻水的餘熱，降低冷卻水的溫度，實現對餘熱的回收利用，將餘熱能源轉換爲可有效利用的能源，節約工藝中蒸汽能源的消耗，在實現節能減排，保護環境的同時，爲企業創造直接的經濟效益[9]。
二、本選題研究領域國內外的研究動態及發展趨勢
2.1國外研究動態及發展趨勢
歐美、日木在餘熱回收方面的研究己經有很長的歷史，自1973年的能源危以來各國對能源問題都給予了高度重視。
1976 年，美國B.C.L.(Battele Columber Labs)就提出概念並進行市場預測，確信利用吸收式熱泵回收餘熱技術技術有實用價值[10]。美國費城郊區，面積爲407畝的Crozer-Chester醫療中心有25棟大樓，安裝了一套能源轉換系統。此係統的一部分利用一臺工業熱泵將來自該醫療中心的空調機房的廢熱轉移到洗衣房用的熱水中，單獨此一設施在十年內將節省超過50萬美元[11]。美國賓夕法尼亞州Bell電話公司的一座電話轉換中心利用熱泵吸取來自270冷噸的空調系統的冷卻裝置所聚集的廢熱，在10年的分析週期內將每年節省27000萬美元[12]。日本三洋公司1981年以來就已經爲日本和世界各地建立了20多套2000- 5OOOkW規模的AHT裝置，大多用於回收石化企業蒸餾塔頂有機蒸汽的熱量[13]。至今爲止，先期建立的裝置己經成功運轉十多年。他們利用溟化鏗/水單級熱泵回收工業廢熱，將鍋爐給水由93℃升高到117℃，且己經成功應用於工業領域，其應用裝置總數佔世界一半以上[14]。
近年來，熱泵的發展取得長足的'進步。Vander Pal[15]等人研發了一種壓縮/吸收混合式熱泵機組，將低於100℃的工業廢熱進行提升，對混合式熱泵建立模擬計算模型並進行實測驗證，結果顯示當壓縮機位於蒸發器和吸附反應器之間時，其對機組能效的影響顯著大於壓縮機位於吸附反應器和冷凝器之間時，後者與純粹熱驅動機組相比能效幾乎相同，充分證明了研究系統內各部件之間相互影響的重要性。Miyazaki[16]等人提出了一種雙蒸發器吸收式製冷機，這一新型製冷機由2個蒸發器、1個冷凝器和3個吸收器組成，蒸發和吸收同時在2個不同的壓力下進行，可以擴大濃縮和稀釋過程中吸附質的濃度變化範圍。實驗結果表明在給定條件下雙蒸發器吸收式機組的性能係數是普通機組的3.4倍。Christian Keil[17] 等研究了吸收式熱泵在低溫集中供熱系統中的應用。
2.2國內研究動態及發展趨勢
我國的餘熱回收發展較國外要晚一些，回收利用的餘熱主要是煙氣的顯熱和生產過程中排放的可燃氣，低溫餘熱利用還處於起步階段。而且我國在餘熱(特別是低品位的餘熱)回收方面，還主要是採用壓縮式熱泵的方式。在吸收式熱泵應用方面還很落後。近幾年來，有不少人對利用吸收式熱泵技術回收餘熱進行了大量的研究。
大連三洋製冷有限公司的肖永勤[18]提出利用溴化鋰吸收式熱泵回收地熱尾水餘廢熱爲油田作業區提供採暖水方案，用一臺溴化鋰吸收式熱泵機組取代原3臺蒸汽鍋爐，投入使用2個採暖季後，節約燃氣費用121萬元，節能率達原系統能耗的46%。
東北電力大學的周振起[19]對用熱泵裝置回收循環冷卻水餘熱再加熱鍋爐進風進行研究，可以減少輔助蒸汽用量，也可減少抽汽消耗量，從而提高電廠的熱經濟性。
華電電力科學研究院的周崇波[20]等人對已經投產的125MW等級火電廠以及300MW等級火電廠採用大型吸收式熱泵回收循環水餘熱用於城市集中供熱的餘熱回收利用系統進行性能測試，得出熱網水回水溫度升高，驅動蒸汽壓力減少等造成的劣行影響大於相應參數反方向變化帶來的良性影響，且驅動蒸汽對制熱量及回收餘熱量的影響要大於熱網水與餘熱水的影響。
河北省電力研究院的郭江龍[21]利用電能的換熱係數來討論壓縮式熱泵和吸收式熱泵兩種系統的經濟性，對於指導熱泵選型具有重要意義。
呂太、劉玲玲[22]根據大唐第三熱電廠的實際情況，對將工業抽汽、工業抽汽與採暖抽汽、採暖抽汽作爲驅動熱源這三種情況進行分析，進行熱經濟性計算。
吳星[23]等人研究發現循環水供熱由於供回水溫差較小(10-15℃)，同樣供熱負荷下較城市熱網需要更大的管網投資和水泵電耗。因此，循環水供熱的適用範圍爲電廠周邊半徑3-5km。
西安交通大學的孫志新[24]建立了電廠循環水水源熱泵的數學模型，分析了凝汽器溫度對熱泵蒸發溫度和制熱係數等主要參數的影響，並計算得到熱泵供熱優於抽汽供熱的臨界參數。
華電電力科學研究院的王寶玉[25]根據熱泵系統的冷凝器取代低壓加熱器的循環方式，以3臺額定負荷分別爲200MW,300MW,600MW機組爲例，進行節能分析，該方式能夠簡化電廠加熱系統，是系統優化和節能的重要途徑。
清華大學基於吸收式熱泵回收循環水餘熱的供熱技術先後在內蒙古赤峯及山西大同等電廠實施，大大提高了其供熱能力[26]。北京、山西等地的多家電廠採用吸收式熱泵機組吸取循環水餘熱用於供熱的實踐工程已經取得了良好的企業效益和社會效益，在節能與環保方面率先垂範，如大同某電廠的餘熱利用項目年節水效益331.2萬元，年節約標煤6.8萬噸，年二氧化碳減排17萬噸[27]。
中油遼河公司的金樹梅[28]結合工程實例，比較了鍋爐供暖與吸收式熱泵供熱系統的經濟性，得出熱泵系統的經濟性更優於前者。
葉學民[29]以超臨界660WM機組爲例，利用等效焓降法計算分析吸收式熱泵的經濟性。
西山煤電集團劉振宇[30]根據燃煤電廠熱電聯廠集中供熱中存在利用率低的現狀，分別討論了幾種不同的乏汽餘熱回收供熱的技術路線。
三、本選題擬主要研究的內容及採取的研究方案、技術路線
3.1研究的主要內容
(1)根據吸收式熱泵的理論循環過程，找出循環過程中各典型狀態點，透過查閱資料，分析熱泵實際循環中的影響因素;
(2)以熱泵系統各換熱器爲關鍵部件，建立吸收式熱泵回收循環水餘熱的分析與計算模型;
(3)以300MW供熱機組爲例，對機組的系統能效進行計算與分析;
3.2研究方案
吸收式熱泵可以分爲輸出熱的溫度低於驅動熱源的第一類吸收式熱泵(增熱型)和輸出熱的溫度高於驅動熱源的第二類吸收式熱泵(升溫型)，在熱電廠循環水餘熱利用時，適合採用第一類吸收式熱泵。本選題以溴化鋰吸收式熱泵爲對象，透過瞭解工質的性質，分析吸收式熱泵系統的循環過程，假設整個系統處於熱平衡和穩定流動流動狀態，蒸發器和冷凝器出口工質爲飽和狀態，吸收器發生器出口的溴化鋰溶液爲飽和溶液，不計換熱器換熱損失，節流閥內爲絕熱節流過程，不計熱網水物性參數變化，對系統建立數學模型，求出各換熱器的換熱量以及系統的熱力系數，並且在機組供熱量情況下，分別從機組供熱能力充足和供熱能力不足兩方面討論熱泵系統的經濟性。
3.3技術路線
(1)根據溴化鋰溶液的焓-濃度圖或溴化鋰水溶液的比焓值計算方程，確定熱泵系統各典型狀態點的焓值;
(2)以熱泵系統各換熱器爲關鍵部件，建立吸收式熱泵回收循環水餘熱的模型，根據熱平衡列出各換熱器的熱負荷方程，由各狀態點的焓值，求得各具體換熱部件的換熱負荷，再由整個系統的熱平衡方程式求出系統的熱力系數;
(3)在供熱負荷和蒸汽初終參數不變的情況下，求出供暖抽汽量和熱泵驅動熱源抽汽量，在供熱不足的情況下直接以熱泵回收的循環水餘熱量討論經濟性，在機組供熱充足的情況下，計算出安裝熱泵系統所節省的抽汽量，求出機組增加的功率，算出節省煤量，得出其節能收益;
四、本選題在研究過程中可能遇到的困難和問題，提出解決的初步設想
可能遇到的困難和問題：熱泵的實際執行過程中會受到很多因素的影響，使得模型的建立與計算十分困難。分析節能效益時，單純的從熱量角度出發，得到的結果可能與實際收益相差太大，能否找到一種相對準確的評判其經濟性的方法。
解決的初步設想：首先要熟悉並瞭解溴化鋰溶液的性質及溴化鋰吸收式熱泵的工作原理，在對熱泵系統進行建模時，忽略一些影響因素，做出一些理想假設。對於其節能效益的分析時，從供熱能力或供熱需求方面進行探討。在遇到具體問題要仔細查閱相關資料，向學長和老師請教。
五、本選題研究的進度安排及預期達到的目標
5.1研究的進度安排
(1)20XX.09-20XX.10 瞭解課題，查閱資料，撰寫開題報告;
(2)20XX.11-20XX.01 完成開題報告，開始着手對熱泵系統建立模型;
(3)20XX.03-20XX.05 對模型進行計算並進行經濟性分析，完成小論文;
(4)20XX.06-20XX.07 中期答辯;
(5)20XX.09-20XX.03 撰寫畢業論文，準備畢業答辯。
5.2預期達到的目標
(1)透過學習瞭解熱泵的原理和在電廠中的應用;
(2)研究熱泵系統各部件換熱，對其進行熱負荷計算並完成經濟性分析;
(3)發表2-3篇較高水平論文;
(4)順利完成碩士研究生論文。
六、參考文獻
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