幾種鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)原水加熱器運(yùn)行方案的分析比較

童曉凡，潘燈

（浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州310012）

幾種鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)原水加熱器運(yùn)行方案的分析比較

童曉凡，潘燈

（浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州310012）

針對(duì)目前鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)因原水溫度低，而利用高品質(zhì)蒸汽加熱耗費(fèi)能源的現(xiàn)象，提出利用發(fā)電廠循環(huán)冷卻水的余熱，加熱鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)的原水。分析了4種原水加熱器系統(tǒng)運(yùn)行方案，目的在于回收部分廢棄的熱量。通過(guò)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性比較，給出采用熱水加熱器和蒸汽加熱器配合使用方案，達(dá)到節(jié)能減排，同時(shí)滿足各種運(yùn)行工況需求，綜合經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)較高。

原水加熱器；循環(huán)冷卻水；余熱；吸收式熱泵

0 引言

目前發(fā)電廠鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)大多采用“超濾+反滲透”的膜法處理工藝。反滲透裝置的產(chǎn)水量與原水溫度有關(guān)，因水溫低，其產(chǎn)水量下降，同時(shí)增加反滲透裝置的電耗，因此需要對(duì)進(jìn)入鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)的原水進(jìn)行加熱。通常方法是設(shè)置蒸汽加熱器，利用從汽輪機(jī)引出的輔助蒸汽直接加熱，但這樣耗費(fèi)了可以用來(lái)發(fā)電的高品質(zhì)能源。而火力發(fā)電廠有約55%的熱量由凝汽器的循環(huán)冷卻水帶走，通過(guò)冷卻塔散發(fā)到大氣中[1]，造成循環(huán)冷卻水余熱浪費(fèi)。

本文以西北某2×660 MW間接空冷機(jī)組為例，討論回收利用一部分廢棄的循環(huán)冷卻水余熱，來(lái)滿足鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)原水加熱的要求，既能達(dá)到節(jié)能減排，又能獲得較好經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)方案。

1 鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)的加熱方式

1.1 鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水水溫的要求

西北某2×660 MW間接空冷機(jī)組的鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)采用了“超濾+反滲透+EDI”的全膜法工藝，反滲透膜對(duì)原水水溫要求較高，原水水溫主要影響反滲透膜的水通量、給水壓力和脫鹽率。在進(jìn)水壓力不變的情況下，原水水溫每下降1℃，其產(chǎn)水量減少約2%～3%，原水水溫低于5℃時(shí)，系統(tǒng)將無(wú)法運(yùn)行。在膜通量一定的前提下，水溫低將導(dǎo)致產(chǎn)水量較少，或需要更高的反滲透給水壓力維持低溫下的產(chǎn)水量，這樣容易導(dǎo)致反滲透膜被壓實(shí)。同樣，為了達(dá)到產(chǎn)水量，設(shè)計(jì)水溫越低，需要的膜數(shù)量就越多，鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)的投資就越高。

但原水水溫也不宜超過(guò)40℃，因?yàn)槟っ擕}率隨著溫度升高而降低，水溫過(guò)高會(huì)達(dá)不到設(shè)計(jì)脫鹽率。此外，反滲透膜也會(huì)隨溫度升高而發(fā)生變形及性能改變。反滲透膜合適的運(yùn)行水溫為20～25℃。

原水水溫對(duì)EDI裝置的運(yùn)行壓力和產(chǎn)水電阻有影響。當(dāng)溫度超過(guò)35℃時(shí)，EDI內(nèi)的離子交換膜對(duì)離子的吸收率降低，導(dǎo)致離子泄漏，產(chǎn)水水水質(zhì)變差。原水溫度降低時(shí)，水中離子的布朗運(yùn)動(dòng)減弱，系統(tǒng)壓力上升，同時(shí)離子透過(guò)膜的擴(kuò)散能力和與樹(shù)脂的交換能力也均下降，最終導(dǎo)致產(chǎn)水水質(zhì)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。為了達(dá)到產(chǎn)水量和水質(zhì)的要求，在進(jìn)水溫度低時(shí)需要提高EDI裝置的進(jìn)水壓力和電解能力，以提高離子的遷移動(dòng)力，這就增加了給水泵和EDI裝置的耗電量。EDI裝置的進(jìn)水溫度可控制在10～35℃，最佳運(yùn)行溫度為20～25℃。

1.2 原水換熱器的運(yùn)行工況

發(fā)電廠位于西北寒冷地區(qū)，冬季原水溫度較低，需要加熱的時(shí)間較長(zhǎng)，全膜法處理系統(tǒng)對(duì)溫度要求較高，設(shè)計(jì)考慮原水溫度控制在15～20℃。從運(yùn)行安全角度考慮，選擇了2臺(tái)表面式加熱器。鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)產(chǎn)水量為2×70 m3/h，經(jīng)計(jì)算加熱器需要加熱的水量為2×125 m3/h。2臺(tái)加熱器的運(yùn)行工況是1運(yùn)1備，發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)等特殊工況時(shí)，要求2臺(tái)設(shè)備同時(shí)運(yùn)行。

2 加熱方案的選擇

間接空冷發(fā)電廠可以利用的余熱有輔機(jī)循環(huán)冷卻水和間接循環(huán)冷卻水。

輔機(jī)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為2臺(tái)機(jī)組公用，布置在化水區(qū)域，循環(huán)水回水冬季溫度約10℃，此溫度較低，如果僅采用換熱器的形式，不使用熱泵，則只能把5℃的原水溫度加熱到8℃，不能達(dá)到鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)的運(yùn)行溫度，導(dǎo)致系統(tǒng)出力下降。

輔機(jī)循環(huán)冷卻水補(bǔ)水為水庫(kù)地表水和部分回收水，水庫(kù)地表水水質(zhì)如表1所示。

從表1可以看出：水庫(kù)地表水硬度較高，再加上輔機(jī)循環(huán)冷卻水還要采用回收水，考慮到輔機(jī)循環(huán)冷卻水的濃縮倍率，預(yù)測(cè)輔機(jī)循環(huán)冷卻水回水的碳酸鹽硬度（CaCO3）約為300 mg/L，含鹽量約1 500 mg/L，水質(zhì)較差，長(zhǎng)期使用后，加熱器表面會(huì)發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象，影響加熱器的換熱效率和壽命。因此，輔機(jī)循環(huán)冷卻水的余熱不適合用于原水加熱器。

表1 水庫(kù)地表水水質(zhì)

間接循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為每臺(tái)機(jī)組1套，循環(huán)水管分別布置在2臺(tái)機(jī)組的兩側(cè)，間接循環(huán)冷卻水回水冬季溫度約15℃，水質(zhì)為除鹽水。溫度較高且水質(zhì)較好，設(shè)計(jì)考慮回收此部分余熱。其中1臺(tái)機(jī)組的回水管離化學(xué)車(chē)間很近，另外1臺(tái)機(jī)組的回水管距離化學(xué)車(chē)間約650 m。下面分析比較幾種可行的解決方案。

2.1 直接利用間接循環(huán)冷卻水加熱原水（方案一）

間接循環(huán)冷卻水可以把冬季鍋爐補(bǔ)給水的原水溫度從5℃加熱到12℃，與采用蒸汽加熱器相比，需要增加加熱器的換熱面積。溫度變化見(jiàn)圖1所示。

圖1 利用間接循環(huán)冷卻水加熱溫度變化

本方案設(shè)置了2臺(tái)換熱器，由于有2套間接循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，而鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)是2臺(tái)發(fā)電機(jī)組的公用系統(tǒng)，為了防止1臺(tái)機(jī)組停運(yùn)，影響鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)的運(yùn)行，2臺(tái)加熱器熱源需要分別從2臺(tái)機(jī)組的間接循環(huán)冷卻水系統(tǒng)接取，并且分別回水，這樣將增加除鹽水管約1 300 m，其投資安裝費(fèi)用約為350萬(wàn)元。

當(dāng)原水溫度加熱到12℃時(shí)，鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)出力下降，為了保證每套系統(tǒng)出力達(dá)到70 t/h，系統(tǒng)將增加投資約130萬(wàn)元，同時(shí)鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)的廠用電率也增加。系統(tǒng)增加投資共計(jì)約480萬(wàn)元。

機(jī)組初期啟動(dòng)時(shí)，鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)需先投運(yùn)。如果發(fā)電機(jī)組在冬季初次啟動(dòng)，可能會(huì)發(fā)生因間接循環(huán)冷卻水未投運(yùn)導(dǎo)致加熱器不能運(yùn)行的現(xiàn)象，影響鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)運(yùn)行。因此第一臺(tái)機(jī)組如果在冬季啟動(dòng)，需要臨時(shí)的加熱熱源，如果機(jī)組在啟動(dòng)時(shí)已有采暖，可臨時(shí)利用采暖用氣在加熱器中與原水換熱，但此汽源不具有保證性；若車(chē)間未實(shí)現(xiàn)采暖，也可利用來(lái)自啟動(dòng)鍋爐的蒸汽作為加熱器熱源，即2臺(tái)加熱器中，其中1臺(tái)可以用蒸汽加熱以滿足機(jī)組啟動(dòng)要求。

2.2 直接利用蒸汽加熱器加熱原水（方案二）

設(shè)置蒸汽加熱器加熱原水，是目前鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)最常用的原水加熱方案。該方案耗費(fèi)蒸汽，可以通過(guò)加熱器出水溫度控制蒸汽用量，經(jīng)計(jì)算，將1套125 t/h的原水加熱到20℃，需要消耗約4.5 t/h的蒸汽。冬季時(shí)間越長(zhǎng)，原水需要加熱的時(shí)間也越長(zhǎng)，因此能量的消耗也就越大。如果機(jī)組在冬季初啟動(dòng)，可以利用啟動(dòng)鍋爐的蒸汽與加熱器換熱。

2.3 利用熱泵和蒸汽加熱器換熱原水（方案三）

2.3.1 吸收式熱泵

熱泵是一種以消耗部分高位能源作為補(bǔ)償條件，把低溫?zé)嵩粗械牡臀粺崮苻D(zhuǎn)化成高位熱能的節(jié)能裝置[2]。吸收式熱泵通過(guò)蒸汽驅(qū)動(dòng)，將循環(huán)冷卻水（10～40℃）中的余熱搬運(yùn)到溫度更高的熱源水中，再利用加熱器換熱。循環(huán)冷卻水經(jīng)過(guò)機(jī)組釋放熱量至熱泵，熱泵將水質(zhì)提高至供暖水品質(zhì)，從而提高了能源的品質(zhì)和利用效率。

吸收式熱泵遵循熱力學(xué)第一定律（能量守恒定律）、熱力學(xué)第二定律（熱量由低溫搬運(yùn)到高溫不會(huì)自發(fā)進(jìn)行，必須消耗其他能量），在工作狀態(tài)下需要輸入一定量的蒸汽。

以蒸汽型熱泵為例，吸收式熱泵原理即在化水車(chē)間設(shè)置蒸汽型雙效吸收式熱泵。以蒸汽熱量為驅(qū)動(dòng)能源Q1，產(chǎn)生制冷效應(yīng)，回收循環(huán)水余熱Q2，加熱熱網(wǎng)回水，得到的有用熱量（熱網(wǎng)供熱量）為消耗的蒸汽產(chǎn)生的熱量與回收的循環(huán)水余熱量之和Q1+Q2。如圖2所示。

圖2 吸收式熱泵回收余熱示意

2.3.2 吸收式熱泵工作原理

溴化鋰吸收式熱泵包括蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器、發(fā)生器、熱交換器、屏蔽泵（冷劑泵、溶液泵）和其他附件等。它以蒸汽為驅(qū)動(dòng)熱源，在發(fā)生器內(nèi)釋放熱量Qg，加熱溴化鋰稀溶液并產(chǎn)生冷劑蒸汽。冷劑蒸汽進(jìn)入冷凝器，釋放冷凝熱Qc加熱流經(jīng)冷凝器傳熱管內(nèi)的熱水，自身冷凝成液體后節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器。冷劑水經(jīng)冷劑泵噴淋到蒸發(fā)器傳熱管表面，吸收流經(jīng)傳熱管內(nèi)低溫?zé)嵩此臒崃縌e，使熱源水溫度降低后流出機(jī)組，冷劑水吸收熱量后汽化成冷劑蒸汽，進(jìn)入吸收器。被發(fā)生器濃縮后的溴化鋰溶液返回吸收器后噴淋，吸收從蒸發(fā)器過(guò)來(lái)的冷劑蒸汽，并放出吸收熱Qa，加熱流經(jīng)吸收器傳熱管的熱水。熱水流經(jīng)吸收器、冷凝器達(dá)到所需要的溫度，流出熱泵機(jī)組，至后續(xù)的反滲透系統(tǒng)。其原理如圖3所示。

圖3 吸收式熱泵工作原理

屏蔽泵的做功與以上幾種熱量相比，基本上可以忽略，因此可以列出以下平衡式：

吸收式熱泵的輸出熱量為Qa+Qc，將式（1）代入其性能系數(shù)COP得：

由式（1）、式（2）可知：吸收式熱泵的供熱量等于從低溫余熱吸收的熱量和驅(qū)動(dòng)熱源的補(bǔ)償熱量之和，即供熱量始終大于消耗的高品位熱源的熱量（COP＞1），屬于增熱型熱泵，根據(jù)不同的工況條件，COP一般在1.6～2.4。

驅(qū)動(dòng)熱源可以是燃燒天然氣，也可以是0.2～0.8 MPa的蒸汽、煙氣、熱水等。熱水的溫升幅度和加熱蒸汽的壓力有關(guān)，熱水出口溫度可高達(dá)100℃，低溫余熱的溫度不低于10℃即可利用，一般情況下，余熱熱水出口的溫度越高，熱泵機(jī)組能夠提供的熱水溫度也越高[3]。

2.3.3 系統(tǒng)選擇

本方案設(shè)置1臺(tái)吸收式熱泵和1臺(tái)蒸汽換熱器，回收間接循環(huán)冷卻水的余熱，經(jīng)計(jì)算，熱泵機(jī)組效率COP為2.4，把125 t/h鍋爐補(bǔ)給水的原水溫度加熱到20℃，僅需要消耗約33.5萬(wàn)千焦的熱量，其中約710萬(wàn)千焦熱量來(lái)自循環(huán)冷卻水的余熱。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)熱泵運(yùn)行，發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，2臺(tái)設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，熱泵維修時(shí)，蒸汽換熱器運(yùn)行。利用熱泵提高了間接循環(huán)冷卻水的熱量品位，回收其廢熱。

吸收式熱泵需要從汽機(jī)房引1路0.8 MPa的飽和蒸汽作為驅(qū)動(dòng)熱源，蒸汽量約0.98 t/h，將原水溫度從5℃加熱到20℃，熱泵機(jī)組的耗電量約37 kW，加熱器與熱泵的系統(tǒng)連接如圖4所示。

圖4 熱泵和蒸汽加熱器系統(tǒng)

2.4 利用熱水和蒸汽換熱器加熱原水（方案四）

本方案設(shè)置了1臺(tái)熱水加熱器和1臺(tái)蒸汽加熱器。利用熱水加熱器回收間接循環(huán)冷卻水的余熱，再設(shè)置蒸汽加熱器作為備用，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，使用熱水加熱器，熱水加熱器故障或機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，還可采用蒸汽加熱器。這樣可以避免發(fā)電機(jī)組在冬季初次啟動(dòng)時(shí)，加熱器沒(méi)有熱源而無(wú)法投運(yùn)的情況發(fā)生。其系統(tǒng)如圖5所示。與方案三相比，該系統(tǒng)具有流程相對(duì)簡(jiǎn)單、維護(hù)工作量小的優(yōu)點(diǎn)。

圖5 熱水加熱器和蒸汽加熱器系統(tǒng)

3 投資及運(yùn)行費(fèi)用分析

3.1 能量對(duì)比

方案一增加了鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)的耗電量，以及熱源水返回循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的提升泵耗電量；方案二消耗蒸汽；方案三的能耗是蒸汽和熱泵耗電量；方案四主要在2種工況下消耗能量：2臺(tái)換熱器同時(shí)使用和熱水換熱器無(wú)法將原水加熱到鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)所需運(yùn)行溫度，這2個(gè)工況需使用蒸汽換熱器，消耗熱能，當(dāng)原水溫度低于8℃時(shí)，需要啟用蒸汽換熱器。

鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)換熱器年運(yùn)行約2 800 h，2臺(tái)換熱器同時(shí)運(yùn)行的時(shí)間約120 h，原水溫度低于8℃約700 h。在此前提下，計(jì)算4種方案消耗的能量見(jiàn)表2所示。

表2 4種方案的能耗

3.2 投資和運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

4種方案增加投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用見(jiàn)表3。

從表2、表3可以看出，方案一消耗的能量最少，但投資費(fèi)用最高，運(yùn)行成本也最高，經(jīng)濟(jì)性較差；方案二投資最少，但能量消耗最高；方案三、四消耗的能量居中，投資費(fèi)用比方案二分別多120萬(wàn)元和85萬(wàn)元，但運(yùn)行成本相對(duì)較低，經(jīng)濟(jì)性能較好。因此，方案三、四綜合性評(píng)價(jià)相對(duì)較優(yōu)，方案三節(jié)約的能量高于方案四，方案四的運(yùn)行成本最低，系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)量也較少。

表 34種方案的投資和運(yùn)行費(fèi)用

4 結(jié)論

經(jīng)分析研究，認(rèn)為方案四較為可行，即正常運(yùn)行時(shí)利用熱水加熱器，機(jī)組啟動(dòng)等特殊情況時(shí)利用蒸汽加熱器加熱鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)原水，回收間接循環(huán)冷卻水的余熱，從而減少機(jī)組抽汽，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。采用方案四可有效降低原水加熱系統(tǒng)的運(yùn)行成本，滿足鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)的各種運(yùn)行工況，與傳統(tǒng)直接利用蒸汽加熱方式即方案二相比，方案四雖然初投資增加，但每年可節(jié)約大量電能，其運(yùn)行成本比方案二節(jié)省超過(guò)30萬(wàn)元/a，約3年可收回投資成本。

[1]周振起，馬玉杰，王靜靜，等.吸收式熱泵回收電廠余熱預(yù)熱凝結(jié)水的可行性研究[J].流體力學(xué)，2010，38（12）∶73-76.

[2]馬最良，姚楊，姜益強(qiáng).暖通空調(diào)熱泵技術(shù)[M].北京：中國(guó)建筑出版社，2008.

[3]張長(zhǎng)江.溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組在余熱供熱領(lǐng)域中的應(yīng)用[D]//中國(guó)制冷學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2009∶1267-1270.

（本文編輯：徐晗）

Comparative Analysis on Several Operation Schemes for Raw Water Heater of Boiler Feedwater Treatment System

TONG Xiaofan，PAN Deng
（Zhejiang Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012，China）

Due to low temperature of raw water in boiler feedwater treatment system，high-quality steam is used for heating that consumes too much energy.Therefore，the paper proposes to use waste heat from power plant circulating cooling water to heat raw water of boiler feedwater treatment system.The paper analyzes four operation schemes for raw water heater system，aiming to recycle part of the waste heat.Through technical and economic comparison，the paper presents a scheme of combing hot water heater with steam heater to save energy，reduce emissions as well as meet requirements of different operating conditions.The scheme is characterized by its higher integrated index of economical efficiency and performance.

raw water heater；circulating cooling water；waste heat；absorption heat pump

TK223.5

：B

：1007-1881（2016）02-0055-05

2015-08-18

童曉凡（1971），女，高級(jí)工程師，從事發(fā)電廠化學(xué)、環(huán)保工作。