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华北电力大学孙健:多能互补系统蓄热与超高温热泵耦合技术研究

北极星储能网  来源:北极星储能网    2019/8/8 12:27:33  我要投稿  

北极星储能网讯:在采暖季的时候热电厂很难参与电网的调峰过程,而风电、太阳能这些电力随机性比较强,所以北方火电厂比较集中的趋势,和可再生能源在北方的重合,无论是时间层次、空间层次的融合,导致北方电网用来调节电网的负荷、用来消纳可再生能源的时候,它的能力是非常有限的,所以我们就想在电厂侧和整个系统做一个改造,就是在电厂侧用热泵和蓄热来解决热和电这两个互相限制的耦合关系。

— —华北电力大学能源动力与机械工程学院副教授孙建

8月8日,由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”分论坛在北京召开,北极星储能网将对论坛进行全程直播。在8日“储冷储热”分论坛上,华北电力大学能源动力与机械工程学院副教授孙建作“多能互补系统蓄热与超高温热泵耦合技术研究”报告。

孙建.jpg

华北电力大学能源动力与机械工程学院副教授孙建

以下为发言实录:

华北电力大学能源动力与机械工程学院副教授孙建:我是华北电力大学的孙建,我也是杜院长课题组的一员,我做的研究主要是倾向于热泵自身,我今天汇报的主题主要是热泵和蓄热系统进行一个组合,刚才杜院长对热电联产背景做了介绍,这里一带而过,我就把蓄热想法和方案和初步研究成果向大家汇报。

在采暖季的时候热电厂很难参与电网的调峰过程,而风电、太阳能这些电力随机性比较强,所以北方火电厂比较集中的趋势,和可再生能源在北方的重合,无论是时间层次、空间层次的融合,导致北方电网用来调节电网的负荷、用来消纳可再生能源的时候,它的能力是非常有限的,所以我们就想在电厂侧和整个系统做一个改造,就是在电厂侧用热泵和蓄热来解决热和电这两个互相限制的耦合关系。

如果是不用于热电厂的话,我们也可以把热泵用在消纳可再生能源的系统当中,比如废弃掉的风电、光电都可以通过热泵转化成热量存起来,满足供热的需求。如果脱离我们的蓄热系统的话,这个热泵也可以用来回收一些汽轮机的气,包括化工行业等的余热,实现节能减排的效果。

我们的目的是希望来解除热电厂发电和供热之间互相的耦合关系,左上角这个图是我们设想的一种流程,这个流程与常规的热电联产流程区别有两点,首先第一点电源侧,我们可以看到热电厂这一侧,常规的热电厂加热主要是靠抽水蓄能完成的,而我们这里采用了高温的热泵技术还有蓄热技术进行一个组合,它怎么工作呢?当电网需要热电厂多发电的时候,我就关闭热泵,减少自身的供电,提升发电机组的上网发电量。如果电网给我指令要求我少上网发电,我就开启热泵,消耗我的电量,同时回收我的汽轮机的乏汽,带电动热泵还有一个好处,可以回收乏汽热量,像我们常规的供水温度一共是120度去、五六十度回,五六十度的水回很难回收汽轮机的乏汽热量,而汽轮机的乏汽热量大概占热电厂总的热量的30%以上,如果我们既能实现调峰、能实现乏汽回收的话就可以起到双重的效果,所以我们加了热泵之后配合蓄热系统,既可以实心调峰功能,也可以实现一个降低热电厂的供热和发电能耗的效果。

在热力站侧我们也做了一些改进,常规的热力站只有一个普普通通的换热气,因为比如用户家里的暖气片,供水温度60度、回水温度40几度,这个热网水回水肯定也得50多度,很难回收这些乏汽热量,我们在热力站做了改进,热力站通过一个换热气再加上蓄热、再加上电动热泵。我们这么做的目的有这么几个。通过电动热泵可以把电网水的温度尤其回水的温度大幅度降低,刚刚给大家汇报热网水一般在五六水度左右,现在我们可以变成15度,供回水将近翻了一倍,有什么好处呢?原来管网供热的能力,如果流量不变的话,负荷可以增加一倍。再一个,15度的回水可以非常舒服的回到电厂回收汽轮机的乏汽热量,同时降低发电厂的能耗的效果。当然特点非常明显,热力站做了一些改造,需要一些设备的投资,而且还有耗电。

热力站由于需要电动热泵来工作,这里需要消耗一定的电量,这是我的一个劣势,带来的好处是,热电厂这侧供热成本大幅度下降,而且为了降低能耗配上了一个蓄热罐,目的是为了热泵只在低谷电的时候开启、白天的时候不开启,同样可以保持15度的回水温度。怎么工作的呢?原理其实也不复杂,白天的时候我通过晚上一晚上的运行,我现在这个罐子里面充满冷水,到了晚上再把罐子里的水拿出来再和热网水混合起来降温,再变成冷水,晚上是热水变冷水,白天是冷水变热水,有了这个热泵之后这个罐只在晚上消耗低谷点,白天高峰期不开了,可以保持这个效果。

基于这个系统,我们在F组地下也搭了试验台,是两台小的螺旋式的热泵,我们用了串联的方式,可以看到,用了这个热力站之后,它的热网水的回水温度可以降到20度或者更低的水平,常规的热网回水一般在五六十度的水平。

针对这个系统我们也可以做一下改进,比如我希望回水温度更低,我可以做成两级的或者三级的,它俩原理是一样的,只不过它是一个两级的,它是一个三级的,目的就是实现更低的热网的回收温度。

上面这个系统,是由于这个系统我们额外引申的一个系统,这个系统相当于是一个完全靠可再生能源电力供热的一个系统,这是对大气的供热系统,有一个一次管网和二次管网,比如在大型的风力发电或者光伏发电,当有比较多的弃风弃光的时候,我们考虑把它转化成热量,然后再进行供热的时候,我们就可以采用上面的系统,这个系统这一侧是热力站、这一侧是热源厂,这边可以接风力发电厂风力发电这些装置,咱们把这些波动性比较强的发电变成热量之后,在储热罐里边进行储存,热力站我们通过换热气和热泵提升热网水的供水温度和回水温度的温差,为什么这个热泵呢,因为热泵耗电,热泵的好处是,虽然耗了电但是增大了供水水的温差,如果相同的余热,温差大了,蓄热罐储存的储热量也会提升,会减少储热罐的体系,我们都是用自然分层的水的蓄热,我们想把这个温差拉大,温差拉大之后虽然这里付出了代价,但是这里获得了一定的好处。

第一第代的热力站,现在我们开始研究第二代的热力站,也是实现大温差的换热,一次回网热水120度过来,可能10度回,二次回网可能6度过、45度回,这个系统既采用了吸收式热泵,也采用了电动热泵,还采用了热泵,在相同得劲出口下比刚才的第一代热力站耗电量可能节省50%以上,全部依靠这四个换热器的功劳,这是一个吸收式的循环。它的投资肯定比第一代要稍微高一些,但是它的收益也很明显,我大幅度的降低了电热泵的耗电。

我们发现这些技术中比较核心的装备,一个是蓄热罐,一个就是热泵,我们针对热泵开展了大量的研究工作,首先我们搭建了比较完善的热泵理论循环的计算平台,这个平台是基于EES和Refprop软件实现的,可以方便模拟各种搭配的性能,我们之后也做了一些实验工作,这是我们之前配的一些工具,在100度热泵的情况下这个也用得是比较多的工况,我们混合的跟245fa做一个比较,可以看到相同的参数下我们的热工值比245fa性能要有比较明显的提升,同时在相同的换热量情况下,配的工值体积也比245fa工值体积小得多。

这也是我们计算平台的计算结果,我们可以根据用户的需求,他需要多少度的热水、多少度的冷水,我们可以非常方便的进行可选用的内部循环介质的筛选。

除了理论工作我们也做了大量的实验研究,我们搭建了一个专业的电动热泵的测试平台,这个测试平台可以测试50千瓦以下的电动热泵,凝聚温度150度以下,可以控制热侧和冷侧温度波动在0.1度以内。

这个是我们搭建的一个高温的热泵平台,这个是咱们的实验样机,这是做的第一台实验样机,基本上已经测试完毕了,我们现在第二台已经接进去了,这个系统可以给我们提供非常准确的热水温度,这是它的自控平台,我们在电脑上可以非常方便的,用鼠标垫一下就可以准确的控制水温、流量,同时测试热泵的各种性能温度、压力、流量这些参数,都可以非常方便的在电脑上实时的记录。

这是之前测试的工况,我们也是用的混合的工值,这是热水侧80度进、85度出,冷水侧是60度进、55度出,我们运行的还是比较稳定的,从上午10点多开始一直到晚上接近10点,工况还是相对比较稳定的,COP大概接近4.5的工况,各项参数都在压缩机的安全运行范围之内。

除了回水的热泵,目前我们正在做的第二台样机已经摆在那里了,我们现在在做的是超高温的空气源热泵,这个超低温是空气超低温,我说的超高温指水侧超高温,可以在零下30度环境下制取70度的热水,如果放在北京的环境下,北京采暖机一般按零这个来算,这个完全可以制取70度的热水。在零下30度空气制取70度热水系统COP达到2.2,我们为什么要做这个?因为电锅炉效率再高也只能1:1的换,而用热泵用1分电就可以变成2.2份的热,相比电锅炉来说、电蓄热来说优势是很明显的。

基于这个理念我们考虑这么来做这件事情,包括现在绿色供热、消纳可再生能源供热,现在比较常规的系数就是用电锅炉加上蓄热来实现,但是电锅炉的能源效率只能1:1,但是用空气源热泵我们可以实现1:2或者更高的转换,换句话说,满足相同的蓄热量,而我消耗这个量只是电锅炉的一半,所以说它的技术优势是比较明显的,这是我们构建的一个消纳可再生能源电力包括纯电供热的系统。

除了空气源热泵我们也开发了一些新型的热泵技术,这些热泵技术应该市面上还没有类似的技术,这个技术核心在于把吸收式的热泵和电动热泵深度的耦合,吸收式热泵工作范围比较有限,而电动热泵耗电又比较大,能不能发挥两者的优势把它变成一个新的机组我们也做了一些尝试,这是流程图,时间有限不一一展开了。这几个就是将吸收式循环和压缩式循环深度耦合的循环,目的是极大的提升了热泵的工作范围,同时又降低了它的耗电量,可以适用于各种工作范围,最高可以产生180度的热量。

这里给大家举一个例子,这是前段时间东北一个化工厂委托我们给他们出的一个方案,他是用2公斤的工业废蒸汽产生冷水,因为化工厂有比较多的需求,我们给他做了一个方案对比,跟常规的方案,常规的吸收式、常规的电动跟新的机组做一个对比,如果是制取0度以上的热量,我们可以在消耗相同的蒸汽的时候我们所产生的制冷量要显著的有所提升,跟纯电动来比,我们的运行费大概是别人的50%,如果是制取0度以下的冷水,常规的吸收式就无法工作了地如果用纯电动来做,一年运行是2千多万,咱们这个设备运行费一年1200多万,虽然咱们初投资高了点,但是运行费是非常有优势的,投资回收期大概就一两年时间,之前的项目也得到了国家很多课题的支持。跟大家汇报的系统也好、设备也好我们也申请了很多专利,大概有20几项专利。

我的报告就是这些。谢谢大家!(以上内容根据速记整理,未经嘉宾审核)

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