火電廠外排乏汽回收方案經(jīng)濟(jì)性分析

彭永強(qiáng)，尹曉峰，李亞軍，羅斌

(湖南大唐先一能源管理有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410007）

火電廠外排乏汽回收方案經(jīng)濟(jì)性分析

Economical analysis of steam exhaust excretion recycling in thermal power plant

彭永強(qiáng)，尹曉峰，李亞軍，羅斌

(湖南大唐先一能源管理有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410007）

當(dāng)前火電廠鍋爐定排擴(kuò)容器閃蒸蒸汽、除氧器排汽等類型乏汽的回收技術(shù)在不斷更新，但因回收方式和參數(shù)設(shè)定的不同，同一汽水的回收的經(jīng)濟(jì)性存在較大的差異。本文以等效熱降理論為基礎(chǔ)，通過計(jì)算分析，對(duì)各種回收方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。

連續(xù)排污;除氧器;排汽;回收利用

在火電廠汽水熱力循環(huán)中，為保證汽水品質(zhì)或參數(shù)合格，部分具有一定溫度的汽水被迫排放掉，造成能量廢棄。主要體現(xiàn)在機(jī)組啟停排汽和運(yùn)行中鍋爐連續(xù)排污閃蒸蒸汽、除氧器排汽等，因能級(jí)相對(duì)偏低，難以繼續(xù)回收用于做功發(fā)電，統(tǒng)稱為乏汽。

當(dāng)前，機(jī)組啟停過程中的非經(jīng)常性汽水排放損失已通過高低壓旁路的應(yīng)用得到可靠回收，但除氧器排汽及鍋爐連續(xù)排污水在回收方面尚存在一定欠缺。特以除氧器排汽及鍋爐連續(xù)排污水在定排擴(kuò)容器中的閃蒸蒸汽回收為例，以等效熱降法進(jìn)行計(jì)算、分析和對(duì)比。

1 方案一 回收至除氧器

1.1 定排擴(kuò)容器頂部排汽的回收

利用凝泵出口或某級(jí)低壓加熱器出口的低溫凝結(jié)水作為冷卻介質(zhì)，與定排擴(kuò)容器頂部來的閃蒸蒸汽混合換熱，變成80～90℃的熱水 (未飽和，避免二次排汽)，最后用回收水泵加壓送入除氧器，完成汽水及熱量回收。回收裝置頂部與大氣連通，可自由排除積存的不凝結(jié)氣體。為減少汽水輸送過程的阻力耗功，回收裝置就近布置在定排擴(kuò)容器旁邊，而不采用閃蒸蒸汽輸送至汽機(jī)房的方式。方案流程圖見圖1。

圖1 定排擴(kuò)容器頂部外排蒸汽回收方案流程圖

此方案中，影響系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的因素主要有取水點(diǎn)位置和回收裝置出口的混合水溫。

以某電廠300 MW機(jī)組為例，額定工況下，連續(xù)排污水壓力18.2 MPa、溫度357.9℃、含汽率0.25、流量6 t/h，連排擴(kuò)容器壓力 0.82 MPa，定排擴(kuò)容器為大氣壓。該廠機(jī)組年利用4 500 h，上網(wǎng)電價(jià)0.45元/kWh，除鹽水制水成本5元/t。

由于5，6號(hào)低加出口水溫高于100℃，不能用作冷卻水，因此取水點(diǎn)只能在凝泵出口、8號(hào)或7號(hào)低加出口之間進(jìn)行選擇。為方便理解經(jīng)濟(jì)收益組成，進(jìn)行分步計(jì)算。首先假定不同的取水方式下，回收裝置出口混合水溫維持一致，均為95℃。按此方案進(jìn)行改造后的經(jīng)濟(jì)收益見表1。

回收裝置出口混合水溫變化時(shí)的經(jīng)濟(jì)性匯總見表2。

1.2 除氧器頂部排汽回收

除氧器頂部排汽回收方案的流程及計(jì)算過程與1.1節(jié)所述基本相同 (僅乏汽來源不同、加壓水泵安裝位置不同造成耗功量不同，無閃蒸計(jì)算)，因此具體流程圖及計(jì)算表格略。

表1 取水點(diǎn)位置對(duì)經(jīng)濟(jì)性影響對(duì)比表

表2 定排擴(kuò)容器排汽回收至除氧器年收益表

經(jīng)對(duì)某發(fā)電集團(tuán)各火電機(jī)組中直流爐、汽包爐補(bǔ)水率及排污情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，除氧器排汽約占鍋爐蒸發(fā)量的0.5%左右，因此機(jī)組額定工況下，300 MW機(jī)組除氧器排汽量約為5 t/h，經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 除氧器頂部排汽回收至除氧器年收益表

1.3 方案分析

采用此方案，系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性受到2方面因素影響:低加水流量減少使相應(yīng)抽汽量減少，增加汽輪機(jī)做功;混合水溫度低于進(jìn)入除氧器的主凝結(jié)水溫度，加熱不足而增加4號(hào)抽汽、減少了汽輪機(jī)做功。從經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果可以看出，取水點(diǎn)越靠近凝泵，混合后的熱水溫度越高，綜合效益越好。當(dāng)混合溫度低至一定值時(shí)，因回收的熱量ΔQ不足以彌補(bǔ)各級(jí)抽汽做功效率差值的影響，系統(tǒng)甚至出現(xiàn)不節(jié)能的現(xiàn)象。即使在最優(yōu)狀態(tài)下，系統(tǒng)年節(jié)能收益也很低。

此外，乏汽回收裝置與大氣連通，為減少二次排汽損失，溫度必須低于飽和溫度，含氧量會(huì)增加，對(duì)除氧效果會(huì)造成一定影響。同時(shí)，由于增加了轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，可靠性相應(yīng)有所降低，系統(tǒng)維護(hù)工作量也會(huì)增大。

2 方案二 回收至軸封加熱器

2.1 方案介紹

正常運(yùn)行時(shí)，軸封加熱器內(nèi)部為負(fù)壓狀態(tài)，所以無論是定排擴(kuò)容器還是除氧器頂部的外排乏汽都可以不經(jīng)任何加壓措施直接以管道引入。

對(duì)于定排擴(kuò)容器，為保證鍋爐事故放水、定期排污、停爐后帶壓放水等異常工況下不超壓，需保留原有排汽管道，在合適位置上加裝一個(gè)大口徑自重式逆止閥，正常運(yùn)行時(shí)該逆止閥依靠閥芯自身重力處于自由關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)鍋爐異常工況大量排水時(shí)，閃蒸蒸汽增加，頂開逆止閥直排大氣。閥芯重量選擇合理時(shí)，逆止門動(dòng)作壓力略高于外界大氣壓力，異常工況時(shí)不會(huì)對(duì)軸加系統(tǒng)造成沖擊。

方案流程圖見圖2。

圖2 定排擴(kuò)容器、除氧器頂部外排乏汽回收至軸加流程圖

2.2 經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

取機(jī)組額定工況，連續(xù)排污流量為6 t/h，當(dāng)連續(xù)排污擴(kuò)容器水位正常時(shí)，經(jīng)2次閃蒸計(jì)算，定排擴(kuò)容器頂部的外排蒸汽約0.32 t/h;除氧器頂部排汽流量取5 t/h，經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果見表4。

2.3 方案分析

此方案系統(tǒng)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)因參數(shù)設(shè)定不當(dāng)增加機(jī)組能耗的現(xiàn)象，改造年收益大于方案一，但需要注意如下2個(gè)方面:

表4 外排乏汽直接回收至軸封加熱器經(jīng)濟(jì)性匯總表

1)軸封風(fēng)機(jī)余量。 “軸加—凝結(jié)水—軸封風(fēng)機(jī)”類似于“凝汽器—循環(huán)水—真空泵”組成的系統(tǒng)，軸封風(fēng)機(jī)主要抽吸不凝結(jié)氣體及其攜帶的少量蒸汽，其中溶解蒸汽量取決于空氣量、壓力和溫度，機(jī)械攜帶蒸汽量取決于流速 (空氣量)。改造后的定排擴(kuò)容器在U型水封工作正常時(shí)，與大氣不連通，回收的蒸汽中不含空氣;正常運(yùn)行中的除氧器頂部排汽里面絕大部分為壓力蒸汽，不凝結(jié)氣體份額很小，從數(shù)量的絕對(duì)值上來看，也遠(yuǎn)小于原有的軸封回汽系統(tǒng)漏入的空氣量。5 t/h的乏汽回收至軸封加熱器時(shí)，凝結(jié)水溫度僅升高4℃左右，軸加內(nèi)壓力和疏水溫度近似不變，攜帶蒸汽量變化很小。軸封風(fēng)機(jī)在選型時(shí)一般留有一定余量，因此對(duì)軸封風(fēng)機(jī)影響相對(duì)較小。

2)軸加疏水問題。以300 MW機(jī)組為例，在正常的調(diào)峰負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，軸加回收蒸汽的量變化不大，約為1 t/h，按照0.3～2 m/s流速設(shè)計(jì)，疏水管直徑應(yīng)在12～35 mm之間。事實(shí)上，國(guó)內(nèi)大部分機(jī)組軸加疏水管道設(shè)計(jì)時(shí)流速取下限，甚至再加上余量系數(shù)，造成管內(nèi)徑選擇偏大，疏水U型水封設(shè)計(jì)也不合理、形同虛設(shè)，很多電廠只能通過維持軸加疏水手動(dòng)或電動(dòng)閥門在很小的開度來控制水位。經(jīng)粗略計(jì)算，當(dāng)回收的乏汽量不超過5.9 t/h(按管徑35 mm、流速不超過2 m/s)時(shí)，不會(huì)超出軸加疏水管通流能力，但需要將疏水閥門適當(dāng)開大。對(duì)于原有U型水封工作正常的機(jī)組，則需要根據(jù)流速、附加流動(dòng)阻力變化情況重新計(jì)算，適當(dāng)降低U型水封高度。

3 方案三 回收至低壓加熱器

3.1 方案介紹

將除氧器連續(xù)排空氣管接至五段抽汽逆止門及電動(dòng)門后，排汽被絕熱節(jié)流至汽輪機(jī)五段抽汽壓力后送入5號(hào)低壓加熱器，蒸汽冷凝后不凝結(jié)氣體析出，從5號(hào)低加抽空氣管被抽吸至凝汽器，最后通過凝汽器抽氣系統(tǒng)排出至大氣。連接管上設(shè)置一個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥及電動(dòng)隔離閥，可根據(jù)給水含氧量調(diào)整排汽流量，當(dāng)除氧器進(jìn)汽門或5號(hào)低加進(jìn)汽門關(guān)閉，聯(lián)鎖關(guān)閉該電動(dòng)隔離閥及調(diào)節(jié)閥。保留除氧器啟動(dòng)排空氣管道，作為除氧器或5號(hào)低加未正常運(yùn)行時(shí)的排汽。

將聯(lián)排擴(kuò)容器疏水加裝一個(gè)表面式冷卻器，從凝結(jié)水泵出口母管來的部分凝結(jié)水經(jīng)該冷卻器加熱升溫至與7號(hào)低加出水溫度一致，再匯入7號(hào)低加出口凝結(jié)水母管。連擴(kuò)疏水被冷卻至≤50℃，排放至汽機(jī)房?jī)?nèi)雨水井，對(duì)于開式循環(huán)水系統(tǒng)，也可以將冷卻后的疏水與凝汽器循環(huán)水出水管連接，排放至江河。冷卻水依靠3臺(tái)加熱器壓差流動(dòng)，不需要增加水泵。方案原理圖見圖3。

圖3 定排擴(kuò)容器、除氧器頂部外排乏汽回收至低加系統(tǒng)方案流程圖

3.2 經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

取機(jī)組額定工況:連續(xù)排污流量6 t/h;除氧器頂部排汽流量5 t/h，經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 外排乏汽回收至低加系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性匯總表

3.3 方案分析

此方案系統(tǒng)簡(jiǎn)單，利用效率高，經(jīng)濟(jì)收益顯著，但需要注意以下問題:

1)除氧器排汽依靠抽汽壓差進(jìn)入5號(hào)低加，相比于排大氣，節(jié)流壓降大大減小，噪聲得到很好控制，但是需根據(jù)各工況下特性參數(shù)，合理選擇連接管直徑，避免選型不當(dāng)造成金屬材料浪費(fèi)或通流能力不足。

2)除氧器或5號(hào)低加非正常運(yùn)行工況下，不宜投入除氧器排汽回收，并應(yīng)在邏輯上與除氧器與5號(hào)低加進(jìn)汽閥門連鎖，以隔離故障。

3)根據(jù)熱平衡圖，在機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行范圍內(nèi)的各種工況下，除氧器排汽經(jīng)絕熱節(jié)流后的焓值與五段抽汽焓值相差不大，僅為五段抽汽在5號(hào)低加內(nèi)放熱量的10%左右，綜合考慮抽汽流量后，除氧器排汽影響疏水量約2.5%，即使除氧器排汽流量實(shí)際偏大，對(duì)疏水量影響也很小，而電廠5號(hào)低加疏水調(diào)節(jié)門開度一般在70%左右，余量非常大，基本可以忽略對(duì)低加疏水系統(tǒng)的影響。

4)按照300 MW工況正常運(yùn)行，凝結(jié)水流量約700 t/h、含氧量15 μg/L，給水流量約900 t/h、含氧量3 μg/L，按氧氣占不凝結(jié)氣體21%進(jìn)行推算，凝汽器增加不凝結(jié)氣體流量約0.037 kg/h，而300 MW機(jī)組單臺(tái)水環(huán)式真空泵設(shè)計(jì)抽空氣能力通常為51 kg/h，占比很小，對(duì)凝汽器抽真空設(shè)備影響可以忽略。

5)除氧器排汽回收至5號(hào)低加后，不凝結(jié)氣體增多，但增加量很小，僅占五段抽汽流量比例0.000 1%，對(duì)低加換熱影響可以忽略。

6)5號(hào)低加正常運(yùn)行中蒸汽溶解攜帶空氣量極小，但為了避免長(zhǎng)期運(yùn)行積存空氣，抽空氣門仍然需要維持小開度，造成加熱蒸汽“浪費(fèi)”。除氧器排汽回收至5號(hào)低加后，參考凝汽器抽真空設(shè)備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，維持抽氣口氣體“過冷”3～5℃時(shí)，排汽量約為0.16～0.28 kg/h，即使維持抽氣口氣體過冷度在1℃的極小值，排汽量也只有0.87 kg/h，在利用原有“被浪費(fèi)”的抽空氣門開度后，對(duì)5號(hào)低加排汽影響很小。

7)由于5號(hào)低加溫度較低，換熱面為不銹鋼材質(zhì)，對(duì)汽水含氧不太敏感，不會(huì)發(fā)生氧腐蝕。

8)連續(xù)排污水經(jīng)連擴(kuò)閃蒸后的疏水直接引至7號(hào)、8號(hào)低加附近加熱凝結(jié)水，實(shí)施難度小，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，綜合效益相對(duì)較好。

4 結(jié)論

1)回收后，方案一雖然利用能級(jí)高，但欠焓太大造成能級(jí)不匹配，改造經(jīng)濟(jì)性差。

2)方案三為提出的一種新的改造思路，能級(jí)匹配且利用能級(jí)高，經(jīng)濟(jì)性最好，且實(shí)施簡(jiǎn)單、實(shí)施成本低，但國(guó)內(nèi)尚無實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，需通過試驗(yàn)手段獲取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行更進(jìn)一步的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，建議以科研項(xiàng)目方式進(jìn)行，嘗試推廣。

3)方案二經(jīng)濟(jì)性介于方案一和方案三之間，在符合條件的機(jī)組上具有一定的推廣價(jià)值。

能源使用應(yīng)遵循能級(jí)匹配、梯級(jí)利用原則。不同的能量回收方式，存在不同的能量利用效率;同一種回收方式，因參數(shù)設(shè)置不同也會(huì)造成經(jīng)濟(jì)性變化。電廠外排乏汽余熱回收不能簡(jiǎn)單地看被回收的工質(zhì)攜帶了多少熱量，更應(yīng)關(guān)注其有效利用程度，通過正確、全面分析，合理選擇回收方式，達(dá)到最佳的改造效果。

〔1〕林萬超.火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論〔M〕;1994年修訂版.

〔2〕張吉春.利用兩相流理論分析計(jì)算水封高度〔J/OL〕.

〔3〕佚名.凝結(jié)水含氧量超標(biāo)原因〔J/OL〕.

〔4〕東方汽輪機(jī)廠.N300-16.7/537/537-7型汽輪機(jī)熱力特性書〔M〕.

〔5〕徐傳海，余鋼捷.直接空冷凝汽器抽汽帶汽計(jì)算及應(yīng)用〔J/OL〕.

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.02.014

2013-06-18 改回日期:2014-02-28

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