基于蒸汽噴射式熱泵的火電廠除氧器乏汽回收系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性分析

陳海平，于鑫瑋，魯光武，高 沛，張學(xué)鐳

（1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院 國(guó)家火力發(fā)電工程技術(shù)研究中心，北京102206；2.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，保定071003）

近年來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)火電廠深層次的節(jié)能要求，除氧器的排汽余熱利用日益受到重視.一般，除氧器排出的蒸汽是除氧器用汽量的5%左右，其排汽溫度約為180℃［1］.若除氧器的排汽直接進(jìn)入大氣，既浪費(fèi)工質(zhì)，又損失熱量；同時(shí)，對(duì)于建在市區(qū)的火電廠，除氧器的排汽還會(huì)導(dǎo)致噪聲污染和機(jī)房頂蒸汽繚繞（俗稱(chēng)“冒白龍”），除氧器的排汽產(chǎn)生的噪聲高達(dá)125dB［2］，對(duì)周邊的環(huán)境影響極大.目前，應(yīng)用較多的是將除氧器的排汽引入凝汽器進(jìn)行回收，某火電廠600 MW 超臨界機(jī)組即采用此種方式.雖然這種方式可以有效回收工質(zhì)，但是除氧器排汽的熱能卻未能得到有效利用，且增加了凝汽器的熱負(fù)荷，進(jìn)而影響其真空度.

除氧器排汽造成了大量工質(zhì)損失以及熱能的浪費(fèi)，進(jìn)而使除氧器的補(bǔ)水量激增，導(dǎo)致除鹽水制水成本增加.若能回收這部分排汽，則節(jié)能效果較為顯著.近幾年發(fā)展起來(lái)的噴射式熱泵技術(shù)在除氧器乏汽回收方面取得了較好的效果.根據(jù)驅(qū)動(dòng)介質(zhì)的不同，噴射式熱泵技術(shù)可以分為射液式和射汽式2種，均能很好地回收除氧器中的乏汽，從而得到出口壓力較為穩(wěn)定的中溫、中壓蒸汽以用于廠用輔助蒸汽或工業(yè)用汽，從而減少采用高壓蒸汽通過(guò)節(jié)流降壓而造成高品位汽源的浪費(fèi).本文通過(guò)蒸汽噴射式熱泵將除氧器乏汽直接回收到低壓加熱器，系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，且易于維修管理.筆者以某火電廠600 MW機(jī)組為例，對(duì)噴射式熱泵技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究，以期為除氧器乏汽的高效再利用以及電廠的節(jié)能降耗提供科學(xué)依據(jù).

1 除氧器的乏汽回收系統(tǒng)

以N600-24.2／566／566型燃煤火電機(jī)組為例，對(duì)除氧器乏汽的回收進(jìn)行了研究與分析，機(jī)組的熱力系統(tǒng)及其除氧器乏汽回收系統(tǒng)的工藝流程見(jiàn)圖1.額定（THA）工況下的主蒸汽、給水以及排汽參數(shù)見(jiàn)表1，回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)汽水參數(shù)見(jiàn)表2.除氧器的乏汽回收系統(tǒng)主要由蒸汽噴射式熱泵、除氧器自動(dòng)排氧裝置、回收蒸汽壓力自動(dòng)控制裝置、熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽調(diào)節(jié)閥、測(cè)溫裝置、壓力變送器以及流量測(cè)量裝置等組成.

圖1 乏汽回收系統(tǒng)的工藝流程示意圖Fig.1 Flow diagram of the recovery exhaust steam heating system

表1 額定工況下的機(jī)組參數(shù)Tab.1 Parameters of the unit under rated conditions

依據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，在額定工況下，機(jī)組循環(huán)吸熱量Q0、主蒸汽等效焓降H0以及第1～第4段抽汽系數(shù)的計(jì)算結(jié)果分別為：

表2 回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)的汽水參數(shù)Tab.2 Parameters of steam and water in the regenerative heating system

式中：αzr為再熱蒸汽份額；Π 為各種附加成分引起的做功損失.

第1～第4段抽汽系數(shù)α1、α2、α3和α4分別為：

除氧器的乏汽份額按除氧器用汽量的5%計(jì)算，αfq＝5%α4＝0.002 59，除氧器的排汽壓力為0.03 MPa，焓hfq＝2 624kJ／kg.

在額定負(fù)荷下，除氧器的乏汽流量Dfq＝4.3 t／h，根據(jù)以下能量守恒方程計(jì)算得到.

式中：Dqd為驅(qū)動(dòng)蒸汽或再熱冷段蒸汽進(jìn)入蒸汽噴射式熱泵的流量，取10t／h（驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力為2.5 MPa、蒸汽溫度為320 ℃時(shí)，10t／h的流量便能驅(qū)動(dòng)蒸汽噴射式熱泵）；hqd為驅(qū)動(dòng)蒸汽焓，kJ／kg；Dfq為除氧器的乏汽流量，t／h；hfq為除氧器的乏汽焓，kJ／kg；hex為蒸汽噴射式熱泵出口蒸汽焓，kJ／kg；（Dqd＋Dfq）為蒸汽噴射式熱泵出口蒸汽流量，t／h.

經(jīng)計(jì)算，可得到蒸汽噴射式熱泵出口蒸汽焓hex為2 870kJ／kg，出口蒸汽流量為14.3t／h.經(jīng)過(guò)蒸汽噴射式熱泵后的出口混合蒸汽壓力達(dá)到0.9 MPa，出口蒸汽溫度為230 ℃，出口蒸汽的份額αex為0.008 60，驅(qū)動(dòng)蒸汽的份額αqd為0.006 01.

2 蒸汽噴射式熱泵

2.1 工作原理和結(jié)構(gòu)

蒸汽噴射式熱泵即蒸汽噴射壓縮器，是一種以高壓蒸汽為動(dòng)力，不消耗機(jī)械能或電能，提高低壓蒸汽參數(shù)和質(zhì)量，并將低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱能進(jìn)而使低壓蒸汽回收和再次利用的節(jié)能設(shè)備.圖2給出了蒸汽噴射式熱泵結(jié)構(gòu)示意圖.從圖2可知，蒸汽噴射式熱泵由噴嘴、接受室、混合室和擴(kuò)壓室4部分組成.驅(qū)動(dòng)蒸汽以很高的速度從噴嘴噴出，進(jìn)入接受室把低壓吸入蒸汽吸走，驅(qū)動(dòng)蒸汽的一部分動(dòng)能傳給低壓吸入蒸汽，并與低壓吸入蒸汽一同進(jìn)入混合室進(jìn)行充分混合，經(jīng)過(guò)混合的蒸汽進(jìn)入擴(kuò)壓室，壓力升高，在到達(dá)擴(kuò)壓室出口時(shí)形成一定壓力的壓縮蒸汽，出口蒸汽壓力較為穩(wěn)定［3］.

圖2 蒸汽噴射式熱泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of the steam ejector heat pump

2.2 優(yōu)點(diǎn)

采用蒸汽噴射式熱泵對(duì)除氧器乏汽回收系統(tǒng)的乏汽進(jìn)行回收具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）蒸汽噴射式熱泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，因而其壽命長(zhǎng)、運(yùn)行可靠.（2）操作方便且維修容易，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，并能保持出口壓力穩(wěn)定.（3）采用蒸汽噴射式熱泵不消耗電能和機(jī)械能，因而節(jié)能顯著.（4）安裝方便，既可以水平安裝又可以垂直安裝，并且與管路的連接均為法蘭連接，因此拆卸十分方便.（5）由于液位控制穩(wěn)定，因而管道內(nèi)的汽蝕和振動(dòng)大為減少.

2.3 主要性能指標(biāo)及參數(shù)

蒸汽噴射式熱泵的性能指標(biāo)是引射系數(shù)μ，其計(jì)算公式為

式中：Dfq為吸入蒸汽的流量，t／h；Dqd為驅(qū)動(dòng)蒸汽的流量，t／h.

引射系數(shù)的數(shù)值與蒸汽噴射式熱泵的主要參數(shù)有關(guān)［4-5］.蒸汽噴射式熱泵的主要參數(shù)［6］包括膨脹比pp／ph和壓縮比pc／ph，其中pp為驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力，ph為吸入蒸汽壓力，pc為混合蒸汽壓力.

3 乏汽回收系統(tǒng)的能耗特性分析

3.1 乏汽回收系統(tǒng)運(yùn)行能耗計(jì)算模型的構(gòu)建

3.1.1 改造前系統(tǒng)的能耗分析

除氧器的乏汽直接排到空氣中既浪費(fèi)了工質(zhì)又浪費(fèi)了熱量.對(duì)于600 MW 超臨界機(jī)組，按除氧器排汽量4.3t／h、年滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行5 500h計(jì)算，每年浪費(fèi)工質(zhì)23 650t，相當(dāng)于消耗2 120t標(biāo)準(zhǔn)煤，即平均每度電多消耗標(biāo)準(zhǔn)煤0.64g.由此可見(jiàn)，對(duì)除氧器乏汽回收再利用的節(jié)能潛力很大.

乏汽回收系統(tǒng)改造前，原方案是將除氧器的乏汽排到凝汽器，雖然工質(zhì)已被再利用，但是其熱量卻未能得到有效利用.由于回收工質(zhì)并未改變加熱器中主凝結(jié)水的流量，因此其做功損失可以看成有工質(zhì)攜帶的熱量排出系統(tǒng)，可按等效熱降應(yīng)用法則進(jìn)行計(jì)算：

因此，原方案的主蒸汽凈等效焓降為：

3.1.2 改造后系統(tǒng)的能耗分析

采用等效焓降法［7-8］建立除氧器乏汽回收系統(tǒng)運(yùn)行能耗的分析與計(jì)算模型.

蒸汽噴射式熱泵出口的蒸汽依次排到第5段的抽汽（方案4）、排到第6段的抽汽（方案3）、排到第7段的抽汽（方案2）以及排到第8段的抽汽（方案1）.

再熱冷段蒸汽出系統(tǒng)屬于蒸汽攜帶熱量出系統(tǒng)，其做功損失為αqd（hqd-hc＋σ）；蒸汽攜帶熱量進(jìn)入系統(tǒng)的一部分為純熱量αex（hex-hi），另一部分為帶工質(zhì)的熱量αexhex.由于純熱量被利用到抽汽效率為的能級(jí)上，因而所做的功為αex（hex-hi）η0i，被頂替的i段抽汽返回汽輪機(jī)做的功為αex（hi-hc）.由此可見(jiàn)，蒸汽攜帶熱量的全部做功為上述2部分的代數(shù)和：

循環(huán)吸熱量變化值為：

因此，系統(tǒng)改造后蒸汽的等效焓降為：

3.2 乏汽回收系統(tǒng)的運(yùn)行能耗熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

改造后，汽輪機(jī)的絕對(duì)內(nèi)效率為：

汽輪機(jī)絕對(duì)內(nèi)效率的相對(duì)提高值為：

式中：η0為原方案汽輪機(jī)的絕對(duì)內(nèi)效率.

電廠的供電熱效率為：

式中：ηb為鍋爐效率，ηb＝93%；ηp為管道效率，ηp＝99%；ηm為汽輪機(jī)機(jī)械效率，ηm＝98.5%；ηg為發(fā)電機(jī)效率，ηg＝99%；ξnp為廠用電率，ξnp＝7%.

全廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率為：

全廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率相對(duì)增加值為：

式中：Δbscp為全廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率絕對(duì)增加值.

3.3 回收系統(tǒng)的運(yùn)行能耗熱經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果

表3列出了回收系統(tǒng)改造前后各個(gè)方案的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo).從表3可以看出：與原方案相比，方案4每發(fā)1度電將節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤0.30g，節(jié)能效果比較顯著，而其他3 個(gè)方案的節(jié)能效果均不如原方案.但是，考慮到回收系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況，由于除氧器的乏汽回收系統(tǒng)難免有漏汽等損失，因此必須考慮其回收率λ，一般最低的回收率能達(dá)到50%，因此回收系統(tǒng)經(jīng)改造后，各個(gè)方案的新蒸汽等效焓降增加值計(jì)算公式為：

表4給出了回收系統(tǒng)改造后不同乏汽回收率下各個(gè)方案的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo).

從表3和表4可以看出：方案1、方案2以及方案3的熱經(jīng)濟(jì)性均不如原方案好，蒸汽噴射式熱泵的出口蒸汽為較高參數(shù)的蒸汽，與較低參數(shù)的第8段、第7段和第6段抽汽來(lái)加熱凝結(jié)水，屬于“大馬拉小車(chē)”.在方案4（即熱泵出口蒸汽進(jìn)入第5段抽汽）下，當(dāng)除氧器的乏汽回收率為50%時(shí)，每發(fā)1度電可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤0.12g，如果乏汽能夠得到全部回收，則每發(fā)1度電節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤的最大理論值可達(dá)到0.3g.除氧器乏汽回收系統(tǒng)經(jīng)改造后（方案4）的乏汽回收率每增加10%，電廠的平均供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率降低0.04g／（kW·h）.因此，除氧器乏汽的高效回收有利于節(jié)能降耗.

表3 回收系統(tǒng)改造前后各個(gè)方案的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)Tab.3 Thermo-economic index of each scheme before and after system retrofit

表4 系統(tǒng)改造后不同乏汽回收率下各個(gè)方案的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)Tab.4 Thermo-economic index of each scheme at different exhaust steam recovery rates after system retrofit

由回收系統(tǒng)改造后采用不同方案和不同乏汽回收率下的δηi 和δbscp數(shù)據(jù)（見(jiàn)表4）可以得到汽輪機(jī)絕對(duì)內(nèi)效率相對(duì)提高值和供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率相對(duì)增加值與乏汽回收率λ之間的關(guān)系（見(jiàn)圖3和圖4）.

圖3 采用不同方案時(shí)汽輪機(jī)絕對(duì)內(nèi)效率相對(duì)提高值與λ之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between relative increment of cycle efficiency andλfor different schemes

圖4 不同方案供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的相對(duì)增加值與λ之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between relative increment of coal consumption rate andλfor different schemes

從圖3和圖4可以看出：方案4比其他3種方案的循環(huán)熱效率相對(duì)增加值都高，而其供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率相對(duì)增加值比其他3種方案的小，并且方案4在乏汽回收率超過(guò)50%時(shí)，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率相對(duì)增加值為負(fù)，即方案4的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率小于原方案；而且可以明顯地看到，隨著乏汽回收率的增加，循環(huán)熱效率相對(duì)增加值增大，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率相對(duì)增加值減小.因此，可以得出：乏汽回收系統(tǒng)的密封程度直接關(guān)系到回?zé)嵯到y(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性，在改造時(shí)應(yīng)盡量讓系統(tǒng)的密封程度達(dá)到最佳，以減少漏汽損失，從而使乏汽得到高效回收，提高整個(gè)熱力系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性，減小煤耗，同時(shí)也有利于環(huán)境保護(hù)，真正達(dá)到既節(jié)能又減排的雙重效果.

4 結(jié) 論

（1）除氧器乏汽回收系統(tǒng)改造方案4（除氧器乏汽通過(guò)蒸汽噴射式熱泵回收到5號(hào)低壓加熱器內(nèi)）的節(jié)能效果最顯著，在保證除氧器乏汽回收率高于50%時(shí)，其節(jié)能效果優(yōu)于原方案，每發(fā)1度電比原方案節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤0.3g（最大理論值），按機(jī)組年運(yùn)行5 500h計(jì)算，每年可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤990t.

（2）由于除氧器距離5號(hào)低壓加熱器較近，因此布置管道較短，不僅節(jié)省了管道材料，而且管道熱損失也較少.

（3）通過(guò)蒸汽噴射式熱泵將除氧器乏汽回收到5號(hào)低壓加熱器中，能夠降低除鹽水制水成本和煤耗，但同時(shí)也對(duì)除氧器乏汽回收系統(tǒng)的密封性提出了更高要求.

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