云岡熱電直接空冷熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用與實(shí)踐

張繼斌

（山西大唐國際云岡熱電有限責(zé)任公司，山西大同037039）

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云岡熱電直接空冷熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用與實(shí)踐

張繼斌

（山西大唐國際云岡熱電有限責(zé)任公司，山西大同037039）

大型發(fā)電機(jī)組的實(shí)際熱效率并不高，許多熱量被凝汽器循環(huán)冷卻水帶走排至大氣。電廠循環(huán)冷卻水的排水溫度較低，屬于低品位熱能，直接利用的范圍較狹窄。直接空冷機(jī)組是利用散熱器直接進(jìn)行排放，這些直接排放的熱量未加利用，就被排至大氣環(huán)境中，不但造成了環(huán)境的熱污染，還降低了機(jī)組的熱效率。通過加裝熱泵系統(tǒng)，提高了機(jī)組的運(yùn)行效率，節(jié)約了相當(dāng)可觀的燃煤，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

機(jī)組；直接；空冷；熱泵；系統(tǒng)；冷卻水；熱能；效率

0　概述

山西云岡熱電公司一期2×220 MW直接空冷機(jī)組1號機(jī)，于2003年11月投產(chǎn)，2號機(jī)于該年的12月投產(chǎn)發(fā)電。二期工程2×300 MW直接空冷機(jī)組的3號機(jī)、4號機(jī)，分別于2009年2月、11月投產(chǎn)發(fā)電。云岡熱電一期工程為2×220 MW直接空冷燃煤供熱發(fā)電機(jī)組，鍋爐為670 t/h超高壓自然循環(huán)、一次再熱、燃煤固態(tài)排渣汽包鍋爐。汽輪機(jī)為200 MW超高壓、中間再熱、空冷供熱凝汽式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)排汽采用了機(jī)械式直接空氣冷卻系統(tǒng)。云岡熱電二期工程為2×300 MW直接空冷燃煤供熱發(fā)電機(jī)組，鍋爐為亞臨界一次中間再熱自然循環(huán)汽包爐，采用單爐膛、倒U形布置、四角切圓燃燒、平衡通風(fēng)、全鋼構(gòu)架、懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置、固態(tài)排渣，燃用混煤。汽輪機(jī)為兩缸兩排汽、亞臨界、一次中間再熱、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)。采用機(jī)械式直接空氣冷卻系統(tǒng)。

在一期和二期工程中，每臺汽輪機(jī)配置1臺余熱回收機(jī)組，并列運(yùn)行，不設(shè)備用。余熱回收機(jī)組采用一體化設(shè)計(jì)，每臺熱泵均單獨(dú)設(shè)置余熱回收機(jī)房，包括1臺前置換熱器、2臺余熱回收熱泵。前置換熱器能實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)排汽與熱網(wǎng)循環(huán)水的直接換熱功能。余熱回收熱泵以溴化鋰溶液為媒介，以汽輪機(jī)供熱抽汽為驅(qū)動熱源，回收汽輪機(jī)排汽余熱，加熱熱網(wǎng)循環(huán)水。前置換熱器與余熱回收熱泵串聯(lián)連接，2臺機(jī)組的乏汽余熱回收熱泵為并聯(lián)運(yùn)行。

直接空冷熱泵的系統(tǒng)配置，是4臺機(jī)配置4臺熱泵，并配備了8臺熱網(wǎng)增壓泵，2臺凝結(jié)水泵。

1　直接空冷熱泵系統(tǒng)

一期工程2×220 MW機(jī)組熱網(wǎng)循環(huán)水的回水溫度為37℃。所有循環(huán)水的回水，首先進(jìn)入1號熱泵進(jìn)行換熱，加熱至47℃后，進(jìn)入2號熱泵進(jìn)行換熱，當(dāng)循環(huán)水溫度升至57℃時，有一半的熱網(wǎng)循環(huán)水重新回至1號熱泵進(jìn)行換熱，另一半熱網(wǎng)循環(huán)水仍在2號熱泵中進(jìn)行換熱，熱網(wǎng)循環(huán)水被加熱后，重新匯合在一起，最終被加熱至74℃后，進(jìn)入一期工程原熱網(wǎng)首站繼續(xù)加熱。

二期工程2×300 MW機(jī)組熱網(wǎng)的循環(huán)水回水溫度也是37℃，所有循環(huán)水的回水，首先進(jìn)入3號熱泵進(jìn)行換熱，加熱至46℃后，進(jìn)入4號熱泵進(jìn)行換熱，當(dāng)循環(huán)水溫度升至55℃，此時，有部分熱網(wǎng)循環(huán)水重新回至3號熱泵進(jìn)行換熱，其余部分仍在4號熱泵內(nèi)進(jìn)行換熱，熱網(wǎng)循環(huán)水被分別加熱后，重新匯合在一起，最終溫度達(dá)到73℃后，進(jìn)入二期工程原熱網(wǎng)首站繼續(xù)加熱。

2　空冷熱泵系統(tǒng)的工作原理與設(shè)計(jì)

2.1 空冷熱泵系統(tǒng)工作原理

根據(jù)電廠空冷熱泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，熱泵系統(tǒng)的布置，如圖1所示。

圖1　直接空冷熱泵系統(tǒng)示意圖

溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)，由取熱器、濃縮器、加熱器和再熱器等四個部分組成。以蒸汽為驅(qū)動熱源，溴化鋰溶液為吸收劑，水為制冷劑，利用水在真空狀態(tài)下低沸點(diǎn)沸騰的特性，提取低品位的熱量，通過回收轉(zhuǎn)換，制取采暖用的高品位熱水。

3　熱泵系統(tǒng)性能熱力試驗(yàn)

3.1 一期工程熱泵的技術(shù)參數(shù)

建設(shè)一期工程時，設(shè)計(jì)熱泵的技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1　一期工程熱泵的技術(shù)參數(shù)

3.2 二期工程熱泵的技術(shù)參數(shù)

建設(shè)二期工程時，設(shè)計(jì)熱泵的技術(shù)參數(shù)，如表2所示。

表2　二期工程熱泵的技術(shù)參數(shù)

3.3 性能試驗(yàn)?zāi)康?/p>

為了評價余熱回收機(jī)組的出力能力，通過測試，分別獲得一期工程和二期工程乏汽余熱回收機(jī)組的性能參數(shù)，主要參數(shù)包括余熱回收機(jī)組的供熱量、回收的乏汽熱量及余熱回收系統(tǒng)熱網(wǎng)的水壓損失值。

3.4 性能試驗(yàn)工況

分別在一期和二期余熱回收機(jī)組設(shè)計(jì)汽輪機(jī)排汽壓力和提高汽輪機(jī)排汽壓力的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，按4種工況條件進(jìn)行試驗(yàn)。工況背壓和試驗(yàn)時間，如表3所示。

表3　熱泵機(jī)組試驗(yàn)工況

3.5 性能試驗(yàn)計(jì)算方法

（1）數(shù)據(jù)處理

選取數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的每一工況相對穩(wěn)定的一段連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，求取平均值，作為性能計(jì)算的依據(jù)。

（2）試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算

試驗(yàn)熱泵回收乏汽余熱熱功率的計(jì)算公式為：

式（1）中：QEQ—熱泵回收乏汽余熱熱功率，MW；

GRW—熱網(wǎng)熱網(wǎng)水流量，t/h；

GWC—驅(qū)動蒸汽流量，t/h；

ho—熱泵出口熱網(wǎng)水出水焓，kJ/kg；

hi—熱泵進(jìn)口熱網(wǎng)水進(jìn)水焓，kJ/kg；

hWC—驅(qū)動蒸汽焓，kJ/kg；

hC—驅(qū)動蒸汽疏水焓，kJ/kg。

熱網(wǎng)水系統(tǒng)壓損計(jì)算公式：

式（2）中：P—熱網(wǎng)水系統(tǒng)壓損，kPa；

Pi—熱泵入口熱網(wǎng)水母管壓力，kPa；

Po—熱泵出口熱網(wǎng)水壓力，kPa。

3.6 性能試驗(yàn)的結(jié)果

一期工程2×220 MW乏汽余熱回收機(jī)組的性能試驗(yàn)結(jié)果，如表4所示。詳細(xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算（略）。

當(dāng)背壓為15 kPa試驗(yàn)工況時，2號汽輪機(jī)排汽壓力為15.95 kPa，熱網(wǎng)水流量為6 509.7 t/h，熱網(wǎng)循環(huán)水的回水溫度為47.5℃。試驗(yàn)后，實(shí)測余熱回收機(jī)組熱網(wǎng)水的出口溫度為70.47℃，總供熱量為173.69 MW，其中回收汽輪機(jī)排汽熱量為78.42 MW。熱網(wǎng)循環(huán)水的供水壓力為0.229 MPa，余熱回收機(jī)組的壓損為0.095 MPa。

當(dāng)背壓為22 kPa試驗(yàn)工況時，2號汽輪機(jī)排汽壓力為22.44 kPa，熱網(wǎng)水流量為6 548.1 t/h，熱網(wǎng)的回水溫度為47.7℃。試驗(yàn)后，測得余熱回收機(jī)組熱網(wǎng)水的出口溫度為74.16℃，總供熱量為201.33 MW，其中回收汽輪機(jī)排汽熱量114.54 MW。熱網(wǎng)循環(huán)水的回水壓力為0.228 MPa，余熱回收機(jī)組的壓損為0.095 MPa。

表4　一期工程余熱回收機(jī)組試驗(yàn)結(jié)果

二期工程2×300 MW乏汽余熱回收機(jī)組性能試驗(yàn)結(jié)果，如表5所示。詳細(xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算（略）。

當(dāng)背壓為15 kPa試驗(yàn)工況時，2號汽輪機(jī)排汽的壓力為16.52 kPa，熱網(wǎng)水流量為8 299.6 t/h，熱網(wǎng)循環(huán)水的回水溫度為41.8℃。試驗(yàn)后，二期余熱回收機(jī)組熱網(wǎng)水的出口溫度為71.5℃，總供熱量為286.27 MW，回收乏汽熱量為158.35 MW，其中4號余熱機(jī)組供熱量為177.51 MW，回收汽輪機(jī)排汽熱量為112.96 MW。熱網(wǎng)循環(huán)水的供水壓力為0.146 MPa，余熱回收機(jī)組的壓損為0.081 MPa。

表5　二期工程余熱回收機(jī)組試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)背壓為24 kPa試驗(yàn)工況時，4號汽輪機(jī)排汽壓力為24.44 kPa，熱網(wǎng)水流量為8 169.6 t/h，熱網(wǎng)回水溫度為42.4℃。試驗(yàn)后，二期余熱回收機(jī)組熱網(wǎng)水的出口溫度為76.0℃，總供熱量為319.09 MW，回收乏汽熱量為195.61 MW，其中4號余熱回收機(jī)組供熱量為229.69 MW，回收汽輪機(jī)排汽熱量為164.81 MW。熱網(wǎng)循環(huán)水回水壓力為0.201 MPa，余熱回收機(jī)組的壓損為0.077 MPa。

3.7 熱泵系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知：

（1）一期工程余熱回收機(jī)組

當(dāng)2號汽輪機(jī)排汽壓力為15.95 kPa時，回收汽輪機(jī)排汽熱量78.42 MW，余熱回收機(jī)組壓損為0.095 MPa。當(dāng)2號汽輪機(jī)排汽壓力22.44 kPa時，回收汽輪機(jī)排汽熱量114.54 MW，余熱回收機(jī)組的壓損為0.095 MPa。

（2）二期工程余熱回收機(jī)組

當(dāng)4號汽輪機(jī)排汽壓力為16.52 kPa，二期余熱回收機(jī)組總供熱量為286.27 MW，回收乏汽熱量158.35 MW，其中4號余熱機(jī)組供熱量為177.51 MW，回收汽輪機(jī)排汽熱量112.96 MW。余熱回收機(jī)組壓損為0.081 MPa。

當(dāng)4號汽輪機(jī)排汽壓力24.44 kPa時，回收乏汽熱量為195.61 MW，回收汽輪機(jī)排汽熱量164.81 MW。余熱回收機(jī)組的壓損為0.077 MPa。

4　熱泵機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益

按初步設(shè)計(jì)方案，當(dāng)機(jī)組背壓為15 kPa工況下，熱網(wǎng)回水溫度為50℃時，回收熱量為272 MW。當(dāng)熱網(wǎng)回水溫度為39℃時，回收熱量480 MW。改造方案實(shí)施后，在熱態(tài)調(diào)試過程和系統(tǒng)性能鑒定中，熱網(wǎng)回水溫度基本維持在46～50℃，回收乏汽能力為260～330 MW。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2013年2月12～16日平均回收的乏汽為277 MW。供電煤耗累計(jì)完成278.46 g/kW·h（2013年4月底），較同期煤耗311.87 g/k W·h下降33.35 g/kW·h。2013年1 ～9月發(fā)電量完成36.44億千瓦時，供熱量完成562.64萬GJ，回收乏汽257.311萬GJ。按照折標(biāo)系數(shù)0.0341 2千克標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬焦耳計(jì)算，節(jié)約標(biāo)煤8.779 5×104噸，按照2013年標(biāo)煤單價461.36 元/噸（不含稅）核算，節(jié)約資金4 051.5萬元，可見收益相當(dāng)可觀。二期余熱回收機(jī)組試驗(yàn)結(jié)果，如表6所示。

表6　二期余熱回收機(jī)組試驗(yàn)結(jié)果

5　熱泵的社會效益

（1）相比常規(guī)供熱方案，機(jī)組的耗煤量大幅減少，既節(jié)約了大量能源，同時又減少了煤、灰渣在裝卸、運(yùn)輸、貯存過程中對環(huán)境、交通及占地的影響。

（2）SO2、NOX及煙塵是造成大氣污染的重要污染源，由于排放量的減少，改善了城市的空氣質(zhì)量，如果采用燃煤鍋爐供熱，經(jīng)保守計(jì)算，回收的乏汽供熱量相當(dāng)于減少SO2排放量0.4萬噸，減少CO2排放量38.2萬噸，減少NOx排放量375.3噸，減少煙塵排放量0.31萬噸，減排灰渣6.2萬噸。

（3）降低了環(huán)境噪聲。由于燃煤鍋爐房一般分散在建筑群中，鍋爐運(yùn)行時，風(fēng)機(jī)、水泵產(chǎn)生的噪聲干擾了居民生活，新建的熱力站仍建在居住區(qū)里，但站內(nèi)設(shè)備的轉(zhuǎn)動部件少，噪音很低，對居民生活的影響將降至最低。

（4）減少了占地面積。由于不再新建燃煤鍋爐房，將大大減少城市占地，有利于城市的建設(shè)和發(fā)展。

6　結(jié)語

熱泵機(jī)組是將現(xiàn)有供熱系統(tǒng)與吸收式熱泵技術(shù)進(jìn)行了有效結(jié)合，提高了熱源的供熱能力，大幅提高了熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)的效率，有效地緩解了城市熱電聯(lián)產(chǎn)中的突出矛盾，也是熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱方式的未來發(fā)展方向。

該熱泵機(jī)組體現(xiàn)了多項(xiàng)主要的創(chuàng)新點(diǎn)。

（1）該項(xiàng)目采用的余熱回收機(jī)組，集成了低溫加熱段和中溫加熱段，相比于常規(guī)吸收式熱泵，可使換熱設(shè)備的布置更緊湊，節(jié)省了廠內(nèi)用地，大幅降低了設(shè)備投資額。

（2）在系統(tǒng)布置上，首次采用串并結(jié)合的方式，將低溫?fù)Q熱段串聯(lián)布置后，再并聯(lián)進(jìn)入余熱回收機(jī)組中溫加熱段，最后再進(jìn)入熱網(wǎng)首站加熱器進(jìn)行尖峰加熱，可大幅提升回收乏汽的能力。

（3）首次采用乏汽凝水與抽汽疏水合并的方式，取消了凝結(jié)水泵，使系統(tǒng)布置更趨簡化。

（4）在吸收式換熱機(jī)組中，梯級利用一次網(wǎng)水熱量對二次網(wǎng)進(jìn)行加熱，可在不消耗其他熱能的情況下，大幅度降低一次網(wǎng)回水溫度，提高了一次網(wǎng)的輸送能力。在相同供熱量下，降低了一次網(wǎng)的管網(wǎng)建設(shè)投資與循環(huán)水泵的耗電量。

（5）余熱回收功率為272 MW（廠內(nèi)功率），廠內(nèi)功率加廠外功率為480 MW，是目前國內(nèi)最大的余熱回收利用項(xiàng)目。

該研究成果的成功應(yīng)用，從根本上解決了供熱能力不足的問題，填補(bǔ)了城市發(fā)展與集中供熱面積規(guī)劃之間的缺口。同時，該熱泵的能源綜合利用效率很高，對于環(huán)境保護(hù)和合理利用能源，具有深遠(yuǎn)的意義。

［1］西安熱工研究院有限公司.山西大唐國際云岡熱電有限責(zé)任公司乏汽余熱利用工程性能試驗(yàn)報告［D］.2013.

［2］云岡熱電公司.山西大唐國際云岡熱電有限責(zé)任公司乏汽余熱利用工程竣工報告［D］.2013.

［3］煙臺龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司.火力發(fā)電廠熱泵技術(shù)應(yīng)用匯報［D］.2011.

［4］劉學(xué)飛.熱泵技術(shù)在火電廠節(jié)能中應(yīng)用的探討［J］.治金動力，2010（6）：26-28.

［5］蘇保青.用熱泵回收電廠冷凝熱集中供熱技術(shù)研究［J］.山西省能源與節(jié)能，2010（3）：1-20.

［6］華北電力科學(xué)研究院.供熱機(jī)組回收循環(huán)水（排汽）余熱供熱技術(shù)介紹［D］.2012.

［7］付林.江億，張世鋼，基于CO-ah循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱設(shè)計(jì)方法［J］.清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008（09）：頁碼？

［8］韓吉才.吸收式熱泵技術(shù)在熱電聯(lián)供中的應(yīng)用研［J］.中國石油大學(xué)，2009（1）：11-56.

［9］王佩璋.我國首臺200 MW火電直接空冷凝汽器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行［J］.電力設(shè)備，2004（9）：34-37.

［10］伍小林，劉邦泉.直接空冷機(jī)組有關(guān)問題探討［J］.華北電力技術(shù)，2004（5）：5-14.

Apply and Practice of Yungang Thermal Power Direct Air Cooling Heat Pump System

ZHANG Ji-bin
（Shanxi Datang International Yugang Thermal Power Co.，Ltd.Datong 037039，Shanxi，China）

The actual thermal efficiency of large thermal power plant is not high，a large amount of heat is discharged into the environment with the condenser circulating cooling water.The temperature of circulating cooling water drainage in power plant is relatively low.The energy of the drainage is low-grade heat energy，which has a narrow range of direct use of.Direct air cooling unit discharges directly with the radiator；the heat is discharged into the environment without being used.The emission of heat，not only causes heat pollution to the environment，but also reduces the energy efficiency of thermal power plant.Through the installation of heat pump system，the operation efficiency of the power plant has been improved，a considerable amount of coal has been saved and remarkable social benefits have been achieved.

unit；direct；air-cooling；heat pump；systems；cooling water；heat；efficiency

TK264.1

A

1672-0210（2016）01-0028-05

2015-10-08

張繼斌（1963-），男，碩士，高級工程師，從事熱能動力方面的研究。