300 MW直接空冷機(jī)組乏汽余熱利用改造技術(shù)探討

侯春平

（中國(guó)大唐集團(tuán)公司山西分公司,山西 太原 030002）

300 MW直接空冷機(jī)組乏汽余熱利用改造技術(shù)探討

侯春平

（中國(guó)大唐集團(tuán)公司山西分公司,山西 太原 030002）

直接空冷機(jī)組乏汽余熱利用改造技術(shù)可顯著提高機(jī)組的綜合能源利用效率,某電廠經(jīng)過(guò)對(duì)乏汽余熱利用改造技術(shù)進(jìn)行綜合對(duì)比,確定采用吸收式熱泵技術(shù)回收乏汽余熱。項(xiàng)目實(shí)施后對(duì)機(jī)組乏汽余熱利用效果進(jìn)行了評(píng)估,試驗(yàn)結(jié)果表明熱泵性能達(dá)到了保證要求。經(jīng)過(guò)2個(gè)供暖季的運(yùn)行考驗(yàn),熱泵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠,改造取得了預(yù)期效果。

300 MW；直接空冷機(jī)組；乏汽余熱利用；吸收式熱泵

0 引言

電廠直接空冷技術(shù)因其具有占地面積小、換熱效率高、設(shè)備維護(hù)方便、運(yùn)行可靠、節(jié)水的特點(diǎn)在我國(guó)富煤貧水地區(qū)得到了廣泛使用[1-2]，但經(jīng)濟(jì)性較濕冷機(jī)組明顯偏差，其中冷端損失是熱力循環(huán)中的最大損失，對(duì)于直接空冷機(jī)組一般可占到燃料總發(fā)熱量的40%以上。乏汽熱量對(duì)于電廠來(lái)說(shuō)是廢熱排放，但對(duì)于僅需低品位熱源的建筑采暖而言，則構(gòu)成巨大的能源浪費(fèi)[3]。因此，充分利用直接空冷機(jī)組乏汽余熱供熱，可以有效提高電廠的綜合能源利用效率，符合節(jié)能減排的國(guó)策，不僅對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和改善不斷惡化的大氣環(huán)境能起到重要的推動(dòng)作用，而且可對(duì)提高城市居民的生活質(zhì)量做出重要的貢獻(xiàn)，具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境效益。

1 某火力熱電廠設(shè)備現(xiàn)狀

山西省太原市某電廠是我國(guó)十九世紀(jì)五十年代建設(shè)的大型火力熱電廠，現(xiàn)有裝機(jī)容量186萬(wàn)kW,擔(dān)負(fù)著供電、供熱的雙重任務(wù)，是太原市極為重要的電、熱源點(diǎn)。該電廠六期2×300 MW機(jī)組為上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的亞臨界、單軸、一次中間再熱、雙缸雙排汽、直接空冷、供熱凝汽式汽輪機(jī)，供熱壓力可在0.25 ～0.7 MPa間調(diào)整，型號(hào)為CZK300-16.7/0.4/538/538；直接空冷系統(tǒng)換熱單元按照10×3方式布置，分為21個(gè)順流管束冷卻單元和9個(gè)逆流管束冷卻單元，配置3臺(tái)電動(dòng)蝶閥，抽真空系統(tǒng)由3臺(tái)水環(huán)真空泵組成；熱網(wǎng)供熱半徑為20.4 km，供、回水溫度為130/70 ℃，系統(tǒng)循環(huán)水量約9 000 t/h，熱網(wǎng)站設(shè)4個(gè)加熱器，其加熱汽源為2臺(tái)機(jī)組的5段抽汽。

為了滿足城市日益增長(zhǎng)的供暖需求，電廠對(duì)六期機(jī)組進(jìn)行了基于吸收式熱泵的乏汽余熱利用改造，有效提高了電廠供熱能力，取得了良好的效果。

2 余熱回收供熱技術(shù)簡(jiǎn)介

汽輪機(jī)乏汽余熱的特點(diǎn)是品位低，一般達(dá)不到直接供熱的品位要求，必須設(shè)法適當(dāng)提高其溫度。目前常見(jiàn)的方法有以下幾種。

2.1 汽輪機(jī)高背壓運(yùn)行供熱技術(shù)

a）高背壓運(yùn)行機(jī)組類似于背壓式供熱機(jī)組，其通過(guò)的新汽量決定于用戶熱負(fù)荷的大小，所以發(fā)電功率受用戶熱負(fù)荷的制約，不能分開獨(dú)立的進(jìn)行調(diào)節(jié)，即其運(yùn)行是“以熱定電”，因此適用于用戶熱負(fù)荷比較穩(wěn)定的供熱系統(tǒng)。

b）凝汽式汽輪機(jī)改造為高背壓運(yùn)行循環(huán)水供熱時(shí)，需對(duì)排汽缸結(jié)構(gòu)、軸向推力的改變、末級(jí)葉輪的改造等方面做嚴(yán)格校核和一定改動(dòng)后方可以實(shí)行，避免危及運(yùn)行安全。

c）汽輪機(jī)背壓提高后，會(huì)影響汽輪機(jī)組的發(fā)電效率。

2.2 “NCB”新型機(jī)組供熱技術(shù)

針對(duì)300 MW以上大型供熱機(jī)組制造廠家提出了“NCB”供熱汽輪機(jī)模式，其特點(diǎn)是在抽凝供熱機(jī)組的基礎(chǔ)上，采用2根軸分別帶動(dòng)2臺(tái)發(fā)電機(jī)。

在非供熱期，供熱抽汽控制閥全關(guān)、低壓缸調(diào)節(jié)閥全開，汽輪機(jī)呈純凝工況（N）運(yùn)行，具有純凝式汽輪機(jī)發(fā)電效率高的優(yōu)點(diǎn)；在正常供熱期，供熱抽汽控制閥、低壓缸調(diào)節(jié)閥都處于調(diào)控狀態(tài)，汽輪機(jī)呈抽汽工況（C）運(yùn)行，具有抽凝汽輪機(jī)優(yōu)點(diǎn)，不僅對(duì)外抽汽供熱而且還可以保持高的發(fā)電效率；在高峰供熱期，供熱抽汽控制閥全開、低壓缸調(diào)節(jié)閥全關(guān)，汽輪機(jī)呈背壓工況（B）運(yùn)行，具有背壓供熱汽輪機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，可做到最大供熱能力，低壓缸部分處于低速盤車狀態(tài)，可隨時(shí)投運(yùn)。但應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)要受兩方面的局限。

a）現(xiàn)運(yùn)行供熱機(jī)組均為單軸汽輪機(jī)，如果改造為雙軸汽輪機(jī)，需要解決排汽缸結(jié)構(gòu)、軸向推力改變等因素的影響，同時(shí)需要完成汽輪機(jī)葉輪的改造等工作，改造難度偏大。

2014年1月4—5日，水利部在小浪底水利樞紐管理中心召開全國(guó)水利廳局長(zhǎng)會(huì)議，全面貫徹落實(shí)黨的十八大和十八屆二中、三中全會(huì)精神，按照中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議、中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議和中央農(nóng)村工作會(huì)議要求，總結(jié)2013年水利工作，部署水利改革攻堅(jiān)和加快發(fā)展任務(wù)，安排2014年水利重點(diǎn)工作。

b）即使能夠完成改造，供熱機(jī)組在采暖季需為背壓工況運(yùn)行，為保持其穩(wěn)定高效工作，需要較大容量的調(diào)峰熱源，而以目前熱網(wǎng)運(yùn)行狀況是很難實(shí)現(xiàn)的。

2.3 壓縮式熱泵回收汽機(jī)冷端余熱技術(shù)

利用壓縮式熱泵回收汽機(jī)冷端余熱主要有2種方式，一種是敷設(shè)單獨(dú)的管道，將機(jī)組冷端余熱引至用戶，在用戶熱力站等處設(shè)置分布式電動(dòng)壓縮式熱泵，這種方式能夠收到一定的節(jié)能效果，但是管道投資大，輸送泵能耗高，因此無(wú)法遠(yuǎn)距離輸送，供熱半徑僅限制在電廠周邊一定范圍以內(nèi)；另一種方式是在電廠內(nèi)集中設(shè)置電動(dòng)壓縮式熱泵，這種供熱形式造成廠用電耗量大，在能源轉(zhuǎn)換效率上不是最好的方式。

2.4 吸收式熱泵回收汽機(jī)冷端余熱技術(shù)

目前，基于吸收式熱泵的乏汽余熱回收技術(shù)以其高效節(jié)能和具有顯著經(jīng)濟(jì)效益的特點(diǎn)，尤為引人注目[7-8]。常以溴化鋰溶液作為工質(zhì)，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，不破壞大氣臭氧層，可回收利用各種低品位的余熱或廢熱，達(dá)到節(jié)能、減排、降耗的目的，且具有高效節(jié)能的特點(diǎn)。電廠進(jìn)行乏汽余熱回收利用時(shí)在熱網(wǎng)首站內(nèi)設(shè)置吸收式熱泵機(jī)組，以汽輪機(jī)抽汽為驅(qū)動(dòng)能源，驅(qū)動(dòng)機(jī)組內(nèi)溴化鋰溶劑循環(huán)做功，產(chǎn)生制冷效應(yīng)，回收乏汽中的余熱。消耗的驅(qū)動(dòng)蒸汽熱量與回收的乏汽余熱量一同加入到熱網(wǎng)水中，從而達(dá)到把低溫?zé)嵩吹臒崃刻崛〉街袦責(zé)嵩粗腥サ哪康摹?/p>

3 乏汽余熱利用改造方案

3.1 系統(tǒng)方案

經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比各種改造方案，并結(jié)合電廠的實(shí)際現(xiàn)狀，該電廠確定建設(shè)蒸汽型吸收式熱泵回收熱電廠乏汽余熱。熱泵回收的乏汽接自汽輪機(jī)的排汽管道，在驅(qū)動(dòng)蒸汽的作用下釋放熱量加熱熱網(wǎng)循環(huán)水。熱泵的乏汽凝結(jié)水和驅(qū)動(dòng)蒸汽的凝結(jié)水分別自流至排汽裝置。熱泵的驅(qū)動(dòng)蒸汽接自每臺(tái)機(jī)組的原供熱抽汽母管。熱泵的抽真空管道接至主機(jī)A真空泵入口抽真空母管，由A真空泵單獨(dú)進(jìn)行抽真空。熱泵循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)口置于熱網(wǎng)循環(huán)泵出口母管上，減少熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)的影響，提高熱網(wǎng)的安全性。2臺(tái)機(jī)組各加裝2臺(tái)制熱量為95.5 MW的熱泵，其中每臺(tái)熱泵吸收汽輪機(jī)乏汽量為61.48 t/h，對(duì)應(yīng)每臺(tái)熱泵回收乏汽的熱量為82.5 MW。汽輪機(jī)乏汽余熱回收系統(tǒng)如圖1所示。

3.2 空冷島安全可靠性

3.2.1 空冷島防凍措施

由于熱泵系統(tǒng)余熱回收過(guò)程中，可能只有第二列前半部分散熱器有少量進(jìn)汽，為了防止空冷島在冬季出現(xiàn)凍結(jié)問(wèn)題，采取了如下主要措施。

a) 從系統(tǒng)方面完善措施：在各排逆流區(qū)的抽空氣管加裝電動(dòng)隔絕閥，并在第一、二、三列蒸汽隔絕閥兩側(cè)加裝差壓變送器，用于自動(dòng)控制抽空氣管新加裝電動(dòng)隔絕閥開度，控制蒸汽隔絕閥兩側(cè)差壓基本平衡，差壓小于10 Pa，避免隔絕汽閥不嚴(yán)時(shí)少量蒸汽進(jìn)入空冷三角區(qū)而結(jié)凍。同時(shí)在乏汽隔絕閥后安裝疏水罐和疏水管路以及電動(dòng)閥門，并與熱泵凝結(jié)水系統(tǒng)相連接，電動(dòng)閥門設(shè)計(jì)成具有水位監(jiān)測(cè)自動(dòng)排水控制邏輯，漏入隔絕閥后的蒸汽凝結(jié)成水及時(shí)排出。

b) 根據(jù)排汽溫度和凝結(jié)水溫度，按照機(jī)組空冷島運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

3.2.2 空冷島乏汽安全切換

a) 每臺(tái)機(jī)組配備2組熱泵，熱泵自身的運(yùn)行穩(wěn)定性很高，一般情況下熱泵同時(shí)發(fā)生故障的幾率幾乎為0，因此不會(huì)發(fā)生因?yàn)闊岜米陨韱?wèn)題導(dǎo)致的熱力系統(tǒng)劇烈波動(dòng)。

b) 即使市政熱網(wǎng)水系統(tǒng)管道爆裂，也完全有足夠的時(shí)間進(jìn)行暖塔，之后將乏汽從熱泵切換到空冷島上。

圖1 汽輪機(jī)乏汽余熱回收系統(tǒng)

4 改造效果

為了對(duì)機(jī)組乏汽余熱利用效果進(jìn)行評(píng)估，改造后進(jìn)行了3個(gè)工況下的性能試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)機(jī)組熱網(wǎng)循環(huán)水流量為4 500 t/h，采用主機(jī)真空泵（A泵）獨(dú)立抽熱泵機(jī)組真空系統(tǒng)， 試驗(yàn)主要結(jié)果如表1所示。

表1 熱泵性能試驗(yàn)主要結(jié)果表

從表1中可以看出在3個(gè)試驗(yàn)工況下修正后熱泵吸收乏汽熱量分別為84. 76 MW、84. 29 MW、87. 35 MW，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的吸收乏汽熱量（82. 5 MW）；在主機(jī)不同運(yùn)行背壓下熱泵的COP值分別為1.805、1.741、1.812, 均達(dá)到設(shè)計(jì)要求的COP值，熱泵性能達(dá)到了保證要求。

該廠機(jī)組乏汽余熱利用改造方案實(shí)施后，至今已經(jīng)過(guò)2個(gè)供暖季的運(yùn)行考驗(yàn)，熱泵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，節(jié)能效果明顯，乏汽余熱利用改造對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定供熱起到良好的保障作用。為了進(jìn)一步提高機(jī)組的供熱能力，電廠擬在七期機(jī)組乏汽余熱利用改造時(shí)在熱力站處也安裝吸收式換熱機(jī)組，在不改變二次網(wǎng)供回水溫度的前提下，降低一次網(wǎng)回水溫度至20 ℃左右，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的大溫差輸送，從而有效將提高熱源供熱能力、增加管網(wǎng)輸送能力以及熱電廠的節(jié)能增效有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。

5 結(jié)束語(yǔ)

a) 電廠通過(guò)進(jìn)行基于吸收式熱泵的乏汽余熱利用改造，增加了機(jī)組的供熱能力，達(dá)到了擴(kuò)大供熱面積、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗減排和提高經(jīng)濟(jì)效益的目的，從而為同類型直接空冷機(jī)組乏汽余熱利用工作的開展提供參考。

b) 乏汽余熱利用改造后性能試驗(yàn)結(jié)果表明熱泵運(yùn)行的性能參數(shù)均達(dá)到保證值的要求，余熱利用機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯，保障了熱網(wǎng)的供熱需求。

c) 在熱力站處安裝吸收式換熱機(jī)組后，可實(shí)現(xiàn)熱力管網(wǎng)的大溫差輸送，從而為進(jìn)一步提高熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)的效率奠定了基礎(chǔ)。

[1] 李武全，徐海云，石誠(chéng).我國(guó)大型空冷電站評(píng)估報(bào)告[J].電力建設(shè)，2009(8):77-79.

[2] 王佩璋. 我國(guó)火電空冷機(jī)組發(fā)展的4個(gè)階段和裝機(jī)規(guī)模[J].發(fā)電設(shè)備，2009(1):69-72.

[3] 商繼鵬，陳淑琴. 乏汽綜合利用改造技術(shù)在300 MW直接空冷機(jī)組中的應(yīng)用分析[J].山西電力，2011(3):37-39.

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Technology Reform for Waste Heat Utilizaiton of 300 MW Direct Air Cooling Unit

HOU Chunping

（Shanxi Branch Company of China Datang Corporation, Taiyuan, Shanxi 030002, China）

The reform for waste heat utilization technology can remarkably improve the energy utilization efficiency of the direct air cooling unit. Several technologies for waste heat utilization are contrasted in a power plant, and finally absorption heat pump technology was adopted for waste heat recovery. The efficiency of the waste heat utilization after reform was evaluated and the result proves that the performace of the heat pump has reached expectation. After trial running for 2 heating seasons, the heat pump system is proved to operate stably and reliably, having reached the expected result.

300 MW; direct air cooling unit; waste heat utilization; absorption heat pump

TK115

B

1671-0320（2016）04-0044-04

2016-04-01，

2016-06-10

侯春平（1969），男，山西太原人，1995年畢業(yè)于太原職工大學(xué)工民建專業(yè)，工程師，從事電廠發(fā)電及新能源工作。