電廠(chǎng)循環(huán)水余熱利用改造中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方案

竇鵬飛

(華電(北京)熱電有限公司，北京 100055)

1 問(wèn)題的提出

隨著熱泵技術(shù)的推廣普及，業(yè)內(nèi)常用溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)回收循環(huán)水余熱來(lái)實(shí)現(xiàn)供熱方式的優(yōu)化。目前，熱泵技術(shù)在燃?xì)鉄犭姀S(chǎng)已得到了廣泛應(yīng)用，但在循環(huán)水余熱利用改造項(xiàng)目過(guò)程中還存在著一些實(shí)際問(wèn)題，主要是由于熱泵系統(tǒng)與電廠(chǎng)原有的熱網(wǎng)水、循環(huán)冷卻水、蒸汽等多個(gè)系統(tǒng)相連接，涉及范圍較廣、設(shè)計(jì)復(fù)雜。對(duì)于已建成的電廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，受場(chǎng)地等條件的限制，再實(shí)施這樣的大型技術(shù)改造項(xiàng)目，具有很高的難度。本文對(duì)鄭常莊熱電廠(chǎng)循環(huán)水余熱利用項(xiàng)目中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了細(xì)致的分析和梳理，提出的問(wèn)題具有典型性，為其他燃?xì)鉄犭姀S(chǎng)進(jìn)行同類(lèi)項(xiàng)目改造提供借鑒和參考。

2 改造背景

鄭常莊熱電廠(chǎng)現(xiàn)有2臺(tái)容量為254 MW的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組，3臺(tái)供熱能力為419 GJ/h的燃?xì)饧夥鍩崴疇t，全廠(chǎng)總供熱能力為2 260 GJ/h，總供熱面積達(dá)到1 200萬(wàn)m2，年發(fā)電約1 900 GW·h，是北京市重要熱源之一。

對(duì)于燃?xì)鉄犭姀S(chǎng)來(lái)說(shuō)，汽輪機(jī)的排汽冷凝熱通過(guò)循環(huán)水吸收后直接排入大氣，這部分余熱量非常大。在夏季純凝工況下，冷卻塔散熱損失占到了能耗總量的37%，在冬季供熱工況下，這部分損失也占到了10%，如果能把這部分熱量全部回收利用，總能源利用率可達(dá)到87%左右，2種工況下的能源消耗情況見(jiàn)表1。另一方面，由于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的供熱能力不足，在高寒期需要采用燃?xì)饧夥鍩崴疇t來(lái)進(jìn)一步加熱熱網(wǎng)回水，以達(dá)到供熱之需要，每年消耗大量天然氣，供熱經(jīng)濟(jì)性較差。

表1 2種工況下的能源消耗情況 %

溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)在回收循環(huán)水余熱方面具有以下5個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：(1)在不改造汽輪機(jī)的情況下，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組供熱與非供熱工況的快速切換；(2)在不改變熱網(wǎng)原有運(yùn)行方式的前提下，可額外增加供熱能力；(3)在驅(qū)動(dòng)蒸汽量足夠的情況下，可全部回收循環(huán)水余熱來(lái)供熱，降低能耗指標(biāo)；(4)循環(huán)水實(shí)現(xiàn)閉式循環(huán)，無(wú)散熱損失，可大大降低循環(huán)水補(bǔ)水量；(5)熱泵系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備少，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

3 改造流程

根據(jù)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的特點(diǎn)，采用溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)，利用來(lái)自2臺(tái)余熱鍋爐的低壓補(bǔ)汽(0.58 MPa)作為溴化鋰吸收式熱泵的驅(qū)動(dòng)熱源，回收1臺(tái)汽輪機(jī)凝汽器循環(huán)冷卻水的余熱。對(duì)原供熱系統(tǒng)進(jìn)行重新整合，調(diào)節(jié)后進(jìn)入熱泵，通過(guò)原有系統(tǒng)和余熱鍋爐熱網(wǎng)換熱器的流量分配來(lái)綜合調(diào)節(jié)熱網(wǎng)供水溫度，從而實(shí)現(xiàn)全廠(chǎng)供熱方式的優(yōu)化，其改造流程如圖1所示。

圖1 改造流程圖

4 改造中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方案

4.1 熱泵房的選址

由于場(chǎng)地條件的限制，若新增加一個(gè)大型建筑物，對(duì)于已建成的電廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，難度較大。鄭常莊熱電廠(chǎng)位于北京市西四環(huán)內(nèi)，現(xiàn)有場(chǎng)地已沒(méi)有向外擴(kuò)張的可能，因此，在熱泵房的布置上具有相當(dāng)大的難度。

通過(guò)調(diào)查研究，筆者提出如下解決方案：第1步，確定熱泵房的結(jié)構(gòu)及占地面積。根據(jù)設(shè)計(jì)院的規(guī)劃，熱泵房跨度為15.0 m，柱距為5.0 m×7.5 m，總長(zhǎng)度為37.5 m，凈空高度8 m；控制配電間面積為60.0 m2，疏水泵及疏水箱布置在地下-3.0 m，面積為52.5 m2。第2步，確定熱泵房選址的基本原則。(1)按照GB 50229—2006《火力發(fā)電廠(chǎng)與變電站設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和原能源部能源辦〔1992〕726號(hào)文 《防止電力生產(chǎn)事故二十項(xiàng)重點(diǎn)要求》的相關(guān)規(guī)定，熱泵房應(yīng)與天然氣站、天然氣管道、氨罐區(qū)域和高壓電纜等設(shè)施保持安全距離。(2)熱泵房應(yīng)盡可能布置在主廠(chǎng)房附近，便于驅(qū)動(dòng)蒸汽系統(tǒng)、熱網(wǎng)水系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的接入。(3)查看地下管線(xiàn)布置情況，盡可能避免熱泵房基礎(chǔ)與地下管線(xiàn)沖突。第3步，根據(jù)熱泵房設(shè)計(jì)要求和選址原則，在現(xiàn)有廠(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)選擇可用的場(chǎng)地， 廠(chǎng)區(qū)布置如圖2所示。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有廠(chǎng)區(qū)條件的分析，筆者提出2個(gè)可選方案：方案1是布置在熱水爐房西側(cè)綠化帶，方案2是布置在廠(chǎng)區(qū)東北角綠化帶。第4步，對(duì)2個(gè)可選方案進(jìn)行比較，確定最佳方案。對(duì)比2個(gè)方案后，認(rèn)為方案1距離主廠(chǎng)房更近且與天然氣管線(xiàn)有足夠的安全距離，管線(xiàn)布置與現(xiàn)有系統(tǒng)主管道沒(méi)有沖突，因此確定方案1為最佳方案，熱泵房布置在熱水爐房西側(cè)綠化帶區(qū)域?yàn)橐恕?/p>

圖2 廠(chǎng)區(qū)布置圖

4.2 熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽的選擇和接入問(wèn)題

熱泵的運(yùn)行必須要有高溫?zé)嵩醋鳛轵?qū)動(dòng)力，熱泵對(duì)驅(qū)動(dòng)蒸汽參數(shù)有嚴(yán)格的要求：驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力應(yīng)達(dá)到0.48 MPa，溫度為155.0～165.0 ℃，且過(guò)熱度不高于15.0 ℃。既要求蒸汽有一定的過(guò)熱度，又要求過(guò)熱度不能太高，因?yàn)檫^(guò)熱度太高會(huì)影響熱泵內(nèi)蒸汽凝結(jié)換熱的效率，同時(shí)也危及熱泵的安全運(yùn)行。

根據(jù)以往燃煤機(jī)組改造的經(jīng)驗(yàn)，可采用汽輪機(jī)供熱抽汽作為熱泵驅(qū)動(dòng)汽源。對(duì)于鄭常莊熱電廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，供熱抽汽壓力僅為0.05 MPa，溫度111.4 ℃，在這樣的條件下，驅(qū)動(dòng)蒸汽參數(shù)完全不能滿(mǎn)足熱泵設(shè)計(jì)要求。因此，如何才能找到可用的驅(qū)動(dòng)汽源已成為一項(xiàng)必須要解決的技術(shù)問(wèn)題。

通過(guò)調(diào)查研究，筆者提出如下解決方案：既然供熱抽汽參數(shù)不能滿(mǎn)足要求，只能突破常規(guī)、另辟蹊徑。鄭常莊熱電廠(chǎng)汽輪機(jī)為雙壓抽汽凝汽式機(jī)組，供汽分為高壓和低壓2部分，其中低壓補(bǔ)汽壓力為0.55 MPa，溫度為210.0 ℃，單臺(tái)機(jī)組流量為52.9 t/h，其參數(shù)能夠滿(mǎn)足熱泵的設(shè)計(jì)要求。因此，筆者提出了采用低壓補(bǔ)汽作為熱泵驅(qū)動(dòng)汽源的全新模式。在采用低壓補(bǔ)汽作為熱泵驅(qū)動(dòng)汽源的條件下，在具體應(yīng)用過(guò)程中還需要解決以下3個(gè)問(wèn)題：(1)低壓補(bǔ)汽不進(jìn)入汽輪機(jī)后是否會(huì)對(duì)汽輪機(jī)造成影響。(2)低壓補(bǔ)汽溫度過(guò)高；(3)單臺(tái)機(jī)組的低壓補(bǔ)汽流量過(guò)小，不能全部回收1臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水余熱。

針對(duì)第1個(gè)問(wèn)題，咨詢(xún)了設(shè)備廠(chǎng)家(上海汽輪機(jī)廠(chǎng))，對(duì)技術(shù)改造的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析后，筆者認(rèn)為不會(huì)對(duì)機(jī)組的安全產(chǎn)生影響。

針對(duì)第2個(gè)問(wèn)題，筆者認(rèn)為可增加噴水減溫裝置，把溫度降至155.0～160.0 ℃后再送入熱泵。

針對(duì)第3個(gè)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)具體測(cè)算，如果將2臺(tái)機(jī)組的低壓補(bǔ)汽分別引入2組熱泵作為驅(qū)動(dòng)汽源，可以全部回收1臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水余熱。

根據(jù)以上的分析結(jié)果，最終確定了熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽的接入方案：采用2臺(tái)余熱鍋爐低壓補(bǔ)汽作為熱泵驅(qū)動(dòng)汽源，這樣#1，#2機(jī)組總進(jìn)汽量446.8 t/h不變，采暖抽汽參數(shù)不變，流量306.0 t/h，汽輪機(jī)排汽量138.0 t/h。2臺(tái)機(jī)組的補(bǔ)汽分別從汽輪機(jī)補(bǔ)汽入口管引出，沿主廠(chǎng)房外墻引入熱泵房，蒸汽管道引出后增加噴水減溫裝置，采用凝結(jié)水作為減溫水源，將原210.0 ℃的過(guò)熱蒸汽降溫至160.0 ℃再經(jīng)調(diào)整閥分別進(jìn)入4臺(tái)吸收式熱泵。

4.3 熱泵疏水溶氧超標(biāo)問(wèn)題

驅(qū)動(dòng)蒸汽在熱泵發(fā)生器內(nèi)冷凝換熱后形成疏水，2組熱泵的疏水首先匯入疏水集箱，再由疏水泵分別回收至2臺(tái)機(jī)組。由于疏水集箱長(zhǎng)期處于微負(fù)壓狀態(tài)且沒(méi)有任何隔絕空氣的手段，造成熱泵疏水溶氧嚴(yán)重超標(biāo)，最高達(dá)到200 μg/L以上，溶氧超標(biāo)會(huì)使金屬產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，對(duì)余熱鍋爐的使用壽命和安全性都有很大影響。

通過(guò)調(diào)查研究，筆者提出如下解決方案：首先對(duì)熱泵疏水進(jìn)入集箱的位置進(jìn)行改造，先將熱泵疏水進(jìn)水管位置抬高，再將接口引至液面以下，這樣就避免了疏水管與空氣的直接接觸，改造后熱泵疏水溶氧下降至100 μg/L。疏水集箱第1步改造示意如圖3所示。

圖3 疏水集箱第1步改造示意圖

經(jīng)過(guò)第1步改造后，雖然熱泵疏水溶氧有了一定的改善，但仍不能達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，為此又進(jìn)行了第2步改造：將熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽引入到疏水罐頂部空間，維持罐頂微正壓，使溶氧下降至合格范圍內(nèi)(50 μg/L以下)，疏水集箱第2步改造示意如圖4所示。

圖4 疏水集箱第2步改造示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

雖然熱泵技術(shù)比較成熟，但在應(yīng)用中還要根據(jù)不同電廠(chǎng)的實(shí)際情況來(lái)制訂切實(shí)可行的改造方案。本文通過(guò)對(duì)鄭常莊熱電廠(chǎng)循環(huán)水余熱利用項(xiàng)目中3個(gè)典型問(wèn)題的分析，分別提出了切實(shí)可行的解決方案，其經(jīng)驗(yàn)可為今后同類(lèi)燃?xì)鉄犭姀S(chǎng)進(jìn)行循環(huán)水余熱利用改造提供借鑒。

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