能量梯級(jí)利用在熱電聯(lián)產(chǎn)中的應(yīng)用

戈志華,胡學(xué)偉,楊志平

(華北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,北京 102206)

1 能量品位的概念

能量的形式多種多樣,能量不僅在數(shù)量上具有守恒性 ,而且在質(zhì)量上具有品位性,在其轉(zhuǎn)換與傳遞過(guò)程中,存在品位的差異。熱能是能量轉(zhuǎn)換與傳遞的主要形式之一。電能、機(jī)械能可全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?而熱能卻只能部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或電能,即電能、機(jī)械能的品位比熱能高。在熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能過(guò)程中,高溫高壓熱源比低溫低壓熱源轉(zhuǎn)換潛力大。說(shuō)明溫度高或壓力高的熱能品位高[1]。分析能源結(jié)構(gòu)并根據(jù)能量品位不同合理分配能量,優(yōu)化能源利用方式,可減少能量品位的降低,達(dá)到節(jié)約能源,提高能源效率的目的。

1988年,吳仲華教授從能量轉(zhuǎn)化的基本定律出發(fā),闡述熱能的梯級(jí)利用與品位概念和基于能的梯級(jí)利用的總能系統(tǒng)。提出了著名的 “溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”原則,包括:通過(guò)熱機(jī)把能源最有效地轉(zhuǎn)化成機(jī)械能時(shí),基于熱源品位概念的“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”原則;把熱機(jī)發(fā)電和余熱利用或供熱聯(lián)合時(shí),大幅度提高能源利用率的“功熱并供的梯級(jí)利用”原則;把高溫下使用的熱機(jī)與中低溫下工作的熱機(jī)有機(jī)聯(lián)合時(shí),“聯(lián)合循環(huán)的梯級(jí)利用”原則等[2,3]。

總能系統(tǒng)概念的提出,促使熱力循環(huán)研究思路發(fā)生質(zhì)變,人們不再囿于單一循環(huán)的優(yōu)劣,而更著重于把不同循環(huán)有機(jī)結(jié)合起來(lái)的各種高性能聯(lián)合循環(huán),并且把能源利用提高到系統(tǒng)高度來(lái)認(rèn)識(shí)熱機(jī)的發(fā)展應(yīng)用,即在系統(tǒng)的高度上綜合考慮能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中能的梯級(jí)利用,不同品位和形式的能的合理安排以及各系統(tǒng)構(gòu)成的優(yōu)化匹配,總體合理利用不同品位能,以獲得最好的整體效果[4]?？偰艿奶菁?jí)利用是能源高效利用的基本原理,也是相關(guān)系統(tǒng)集成創(chuàng)新的核心。

2 熱電聯(lián)產(chǎn)的發(fā)展

2.1 集中供熱是城市采暖的必然趨勢(shì)

能源成本的上漲和環(huán)境保護(hù)要求的提高,是大力發(fā)展高效而可靠的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和集中供熱系統(tǒng)的重要因素,因?yàn)樗鼈兛梢跃C合性地充分發(fā)揮設(shè)備技術(shù)能源利用自動(dòng)控制環(huán)境保護(hù)和熱介質(zhì)傳輸?shù)确矫娴默F(xiàn)代化新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)北方城市季節(jié)性特征明顯,采暖期較長(zhǎng),一般為四到六個(gè)月,因此該地區(qū)對(duì)采暖供熱的需求也較大,利用大型區(qū)域性熱電廠進(jìn)行集中供熱,能夠節(jié)約能源、減少環(huán)境污染,具有較高的熱經(jīng)濟(jì)性,它逐漸成為我國(guó)北方寒冷地區(qū)供熱的主要方式,目前這一地區(qū)的建筑70%以上采用集中供熱方式采暖,其中一半以上以熱電廠為熱源[5,6]。

隨著國(guó)內(nèi)熱電聯(lián)產(chǎn)事業(yè)的發(fā)展,國(guó)產(chǎn)超高壓200 MW供熱機(jī)組得到了較為普遍的應(yīng)用,如秦皇島熱電廠一期工程采用了兩臺(tái)哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的200 MW超高壓抽汽凝汽式汽輪機(jī),北京石景山熱電廠二期工程則采用了東方汽輪機(jī)廠的產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)十幾年的運(yùn)行證明,該級(jí)別機(jī)組技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠。同時(shí),上個(gè)世紀(jì)90年代以來(lái),國(guó)內(nèi)供熱機(jī)組的應(yīng)用也逐漸向大型化發(fā)展,上海汽輪機(jī)廠、東方汽輪機(jī)廠和哈爾濱汽輪機(jī)廠都相繼開(kāi)發(fā)了300 MW亞臨界熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī),在熱電廠已經(jīng)有了成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

2.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)行300 MW供熱機(jī)組存在問(wèn)題

對(duì)于供熱機(jī)組來(lái)講,進(jìn)入汽輪機(jī)的工作蒸汽可以分為兩股,供熱流和凝汽流。凝汽流進(jìn)入汽輪機(jī),經(jīng)通流部分各級(jí)做功、發(fā)電后進(jìn)入凝汽器,這股汽流僅用于發(fā)電;供熱流經(jīng)通流部分前幾級(jí)做功、發(fā)電后被抽出,進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器對(duì)外供熱,這股蒸汽既發(fā)電又供熱。

熱電聯(lián)產(chǎn)節(jié)能的主要原則是在多供熱的基礎(chǔ)上多發(fā)電,若增大供熱抽汽量,則進(jìn)入低壓缸的凝汽流量減少,據(jù)弗流格爾公式,低壓缸排汽參數(shù)也會(huì)因凝汽流量減少而降低,可以回收一部分冷源損失。而抽汽參數(shù)的降低可以使供熱流的做功能力增強(qiáng),在同樣供熱能力的基礎(chǔ)上多發(fā)電。因此供熱機(jī)組的發(fā)展重點(diǎn)應(yīng)著眼于挖掘機(jī)組最大供熱抽汽能力及降低抽汽參數(shù)兩方面。

目前哈汽、東汽、上汽的300 MW供熱機(jī)組(高中壓合缸)均為抽-凝供熱機(jī) (NC機(jī)),是在引進(jìn)型300 MW火電機(jī)組基礎(chǔ)上,改造設(shè)計(jì)的。最大供熱抽汽的供熱流量為500 t/h左右,此時(shí)為確保機(jī)組安全,進(jìn)入低壓缸的凝汽流流量(即最小冷卻流量)為150 t/h左右。

采暖抽汽流量較大,在汽缸上打孔抽汽在技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn),所以一般供熱抽汽口均布置在中低壓缸連通管上,原300 MW火電機(jī)組中、低壓分缸壓力為0.8 MPa。改進(jìn)設(shè)計(jì)成供熱機(jī)后,將中、低壓分缸壓力為0.5 MPa,其供熱抽汽壓力允許范圍為0.25～0.5 MPa。

采暖期內(nèi),熱網(wǎng)側(cè)供水溫度一般在100～130℃范圍內(nèi)變化,按照參數(shù)匹配原則,所要求的抽汽壓力應(yīng)在0.14～0.4 MPa范圍內(nèi),而現(xiàn)有供熱機(jī)組的抽汽壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這一范圍,這就造成了能量的品位浪費(fèi)。

3 能量梯級(jí)利用在熱電聯(lián)產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 300 MW抽凝機(jī)組實(shí)例分析

以楊柳青電廠兩臺(tái)帶基本負(fù)荷300 MW抽凝機(jī)組為例,計(jì)算供熱抽汽參數(shù)與熱網(wǎng)水參數(shù)匹配條件下對(duì)熱網(wǎng)水進(jìn)行分級(jí)加熱與現(xiàn)有機(jī)組運(yùn)行方式下熱經(jīng)濟(jì)性,進(jìn)行分析比較。原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 楊柳青電廠熱網(wǎng)加熱器基本數(shù)據(jù)Tab.1 Basic date of heater for heating network in yang liuqing thermal power station

從表1中數(shù)據(jù)可知,帶基本負(fù)荷情況下熱網(wǎng)側(cè)供水溫度為116℃,給水端差為20℃,由此可知對(duì)應(yīng)的抽汽壓力下的飽和溫度為136℃,忽略抽汽壓損,這一飽和溫度對(duì)應(yīng)的抽汽壓力為0.32 MPa,而實(shí)際運(yùn)行的供暖抽汽壓力為0.38 MPa。因?yàn)槭菍?duì)同等容量的機(jī)組進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性比較,其供熱能力一致。因此主要比較能量梯級(jí)利用與原始運(yùn)行方式兩種方案下的發(fā)電量損失。主要計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 兩種方案熱經(jīng)濟(jì)性比較Tab.2 Thermal economy comparison of two projects

經(jīng)計(jì)算,采取溫度對(duì)口兩級(jí)加熱的抽汽方案,相較于一級(jí)加熱,供熱流的做功能力損失減少3 738 GJ/h,發(fā)電量減少10 704 kW?h。供暖期4個(gè)月,上網(wǎng)電價(jià)按0.4元/kW?h計(jì),則折合成經(jīng)濟(jì)效益為1 230萬(wàn)元,即采取溫度對(duì)口,分級(jí)加熱布置供熱抽汽口,單機(jī)供暖期多發(fā)電可帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益1 230萬(wàn)元。

3.2 結(jié)果分析

現(xiàn)行300 MW NC機(jī)組供熱抽汽壓力范圍為0.25～0.5 MPa,由表中數(shù)據(jù)分析可知,采取合理的抽汽參數(shù)分級(jí)進(jìn)行采暖供熱,其經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)顯著。通過(guò)計(jì)算可得出以下結(jié)論:

(1)當(dāng)機(jī)組承擔(dān)的熱負(fù)荷較小時(shí),其優(yōu)越性體現(xiàn)的較為明顯,這是因?yàn)楫?dāng)熱網(wǎng)水側(cè)對(duì)供水要求較低時(shí),抽汽壓力要求更低,使供熱流做工能力提高,從而避免高品位熱能的浪費(fèi),因此,在參數(shù)匹配的原則下,對(duì)熱網(wǎng)水進(jìn)行分級(jí)加熱,經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)行供熱機(jī)組。

(2)通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),如果滿足參數(shù)匹配原則進(jìn)行供熱抽汽,抽汽壓力一般較低,而供熱抽汽需要的蒸汽量很大,這樣如果采取在低壓缸打孔抽汽,技術(shù)上較難實(shí)現(xiàn)。供熱抽汽的位置一般位于中低壓連通管,因此,技術(shù)重點(diǎn)應(yīng)著眼于降低中低壓分缸壓力。

(3)供熱機(jī)組的選型,要根據(jù)所在地區(qū)的實(shí)際熱負(fù)荷需求,盡可能使供熱機(jī)的供熱能力發(fā)揮到最大,并且在此基礎(chǔ)上滿足多發(fā)電。因此,分級(jí)加熱可以在不同機(jī)組上實(shí)現(xiàn),在實(shí)際熱電廠中,一般都是幾臺(tái)機(jī)同時(shí)投運(yùn),可以通過(guò)機(jī)組串聯(lián)實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)水的逐級(jí)加熱,實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)計(jì)算能量梯級(jí)利用原理應(yīng)用于300 MW抽凝機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益,可以得出以下結(jié)論:

(1)我國(guó)現(xiàn)行供熱機(jī)組一般都是在原凝汽式機(jī)組基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改造實(shí)現(xiàn)的,沒(méi)有專門針對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的產(chǎn)品,因此機(jī)組在運(yùn)行時(shí)不可避免地存在著安全隱患及經(jīng)濟(jì)效益上的弊端。

(2)能量梯級(jí)利用原理從能量品位合理匹配的角度出發(fā),有效降低得了不可逆過(guò)程的能量貶值。

(3)冷源損失的利用一直是熱電聯(lián)產(chǎn)事業(yè)亟待解決的問(wèn)題,能量梯級(jí)利用原理應(yīng)用于供熱機(jī)組,本著溫度對(duì)口,減小換熱溫差的原則,合理利用了供熱抽汽,使機(jī)組在供熱能力不變的前提下多發(fā)電,在環(huán)保和經(jīng)濟(jì)上的意義都是巨大的。

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