卡琳娜循環(huán)在燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組的應(yīng)用研究

李雯+++韓旭

摘 要：火電廠為了響應(yīng)國家節(jié)能的號召，在不斷地進行改進，通過節(jié)能降耗提高電廠自身經(jīng)濟效益。文章是將朗火電廠朗肯循環(huán)結(jié)合卡琳娜循環(huán)，實現(xiàn)更大化的節(jié)能。目前350MW超臨界燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組，在抽汽回熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)置了外置式蒸汽冷卻器結(jié)構(gòu)用來節(jié)能，文章則是利用卡琳娜循環(huán)代替外置式高加蒸汽冷卻器，將第3級抽汽作為卡琳娜循環(huán)的熱源，進一步利用第3段抽汽的過熱度，降低不可逆損失，提高機組熱效率。經(jīng)計算比較，卡琳娜循環(huán)給電廠帶來的效益更可觀，一年可帶來約600萬的額外收入，其回收期約為7.3年。

關(guān)鍵詞：卡琳娜循環(huán)；蒸汽冷卻器；火電廠

引言

現(xiàn)代電廠機組利用給水抽汽回熱循環(huán)，將蒸汽從汽輪機抽出并在給水加熱器中凝結(jié)放熱。抽汽中大部分熱量傳遞至經(jīng)過加熱器的給水，使進入鍋爐省煤器的給水的比沒有給水加熱器的純凝汽循環(huán)中獲得的溫升要高的多，因此減少了鍋爐對能量的要求，提高了總的循環(huán)效率。目前350MW超臨界燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組，在抽汽回熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)置了外置式蒸汽冷卻器結(jié)構(gòu)用來提高效率，效果顯著。本文思想是基于利用卡琳娜循環(huán)原理，利用3級抽汽過熱度降低能耗，與目前超臨界燃煤機組抽汽回熱循環(huán)加外置式蒸汽冷卻器作比較。通過分析比較，利用卡琳娜循環(huán)進一步降低3級抽汽過熱度有更大的經(jīng)濟效益。

1 帶有卡琳娜循環(huán)的電廠新設(shè)計

1.1 卡琳娜循環(huán)

卡琳娜循環(huán)是以氨水混合物作為工質(zhì)的新型動力循環(huán)。基本原理跟朗肯循環(huán)相同。

1.2 電廠新結(jié)構(gòu)設(shè)計的原因及設(shè)計圖

以350MW超臨界燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組為例，在THA工況下，第3段抽汽溫度達到475.6度，而壓力僅為2.193MPa，此時該蒸汽過熱度達到257.99度。由于3號高加進口水溫只有180度左右，故此種換熱是不經(jīng)濟的。并且3號高壓加熱器處于高溫和高壓差等最為惡劣的工作環(huán)境，因此也成為回熱設(shè)備中故障率最高的高加，因此有必要降低第3級抽汽的過熱度，這樣不僅可以提高回熱系統(tǒng)的熱效率，還可以提高機組運行的安全性和可靠性[1]。故在電廠原系統(tǒng)結(jié)合卡琳娜循環(huán)，將第三段抽汽作為卡琳娜循環(huán)的低溫熱源。加卡琳娜循環(huán)的電廠系統(tǒng)簡化圖如圖1。

圖1中展示出了電廠優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其利用3段抽汽過熱度的簡化卡琳娜循環(huán)布置圖，該系統(tǒng)氨蒸發(fā)器熱源為3段抽汽。循環(huán)工質(zhì)氨水混合物在氨蒸發(fā)器中被加熱，然后進入分離器進行汽水分離，過熱的氨水蒸汽進入汽輪機膨脹做功，帶動發(fā)電機發(fā)電。分離器分離出來的稀氨水進入回熱器加熱部分氨水混合物，然后與汽輪機排汽混合進入冷凝器。氨水混合物通過給泵分為兩路，一路進入氨蒸發(fā)器被加熱，另一路進入回熱器被加熱，兩路氨水混合物在出口匯合進入分離器，完成整個卡琳娜循環(huán)[2]。

1.3 卡琳娜循環(huán)跟電廠朗肯循環(huán)的比較

相同熱源時卡琳娜循環(huán)與朗肯循環(huán)的T-S圖[3]：

由圖2可看出，在定壓吸熱階段，朗肯循環(huán)曲線與熱源曲線偏差較大，可知熱源放熱過程與水工質(zhì)的吸熱過程偏差較大，不利于水工質(zhì)的吸熱效率，原因在于朗肯循環(huán)是以水為工質(zhì)，水的等溫蒸發(fā)特性，使循環(huán)的平均吸熱溫度偏低，熱源的不可逆損失增大，朗肯循環(huán)效率變低。由圖3看出在定壓吸熱階段，卡琳娜循環(huán)與熱源溫度曲線接近于平行，可知熱源的放熱過程與氨水混合物的吸熱過程比較匹配，原因在于卡琳娜循環(huán)以氨水混合物為工質(zhì)，有變溫蒸發(fā)的特點，可以使得汽化過程與熱源的放熱過程更好的匹配，降低換熱過程中的不可逆損失，提高余熱利用效率，并且氨的沸點遠比水的沸點低，在較低的溫度下就可以汽化，而且對于低沸點的工作流體，汽輪機入口壓力可以更高可降低運行成本[4]。通過對比卡琳娜循環(huán)與朗肯循環(huán)可知，在中低溫條件下，卡琳娜循環(huán)的效率高于朗肯循環(huán)效率。

1.4 卡琳娜循環(huán)經(jīng)濟分析

若選定卡琳娜循環(huán)工況參數(shù)為：汽輪機進口溫度95℃、進口壓力1.489MPa、背壓0.12MPa、冷卻水溫度15℃、循環(huán)熱效率12%，則利用3段抽汽過熱度能達到發(fā)電量為4MW。若是這樣，卡琳娜循環(huán)的汽輪機功率為4MW，一年按發(fā)電5000h計算，發(fā)電量可達2000萬kw·h，保守按上網(wǎng)電價0.3元/kw·h，利潤可達600萬元。

投資情況：按卡琳娜循環(huán)發(fā)電建設(shè)成本11000元/kw[5]計算，回收期約為7.3年。

2 國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)分析

2.1 設(shè)置外置式蒸汽冷卻器

現(xiàn)在國內(nèi)電廠通過設(shè)置外置式高加蒸汽冷卻器，利用第3段抽汽的初溫去加熱1號高加的出水，此時3段抽汽過熱度降低到100度左右，從外置式蒸汽冷卻器出來的蒸汽繼續(xù)加熱3號高加給水，這樣實現(xiàn)了能級的梯度利用。不僅對3號高加起到保護作用，而且減少了該過程的不可逆損失，降低了電廠的能耗?？傊?，蒸汽冷卻器是現(xiàn)有提高大容量、高參數(shù)機組熱經(jīng)濟性的有效措施。

串聯(lián)外置式蒸汽冷卻器后系統(tǒng)圖[6]如圖4。

由圖4可看出，水流程為除氧器給水經(jīng)過給水泵升壓，依次流經(jīng)3號高加、2號高加、1號高加、外置式蒸汽冷卻器，最后進入鍋爐。3段抽汽先在外置式蒸汽冷卻器里加熱1號高加出口的給水，抽汽溫度降低一定的過熱度后，進入3號高壓加熱器。2段抽汽加熱3號高加的出水，1段抽汽加熱2號高加的出水，這樣實現(xiàn)溫差最小化，降低了不可逆損失。

2.2 對高加外置式蒸汽冷卻器經(jīng)濟評價

經(jīng)濟分析：

年發(fā)電時間按5000h計算，加蒸汽冷卻器后約節(jié)約848.75噸標準煤，按每噸煤500元計，安裝蒸汽冷卻器帶來的效益約為43.3875萬元。

初期投資：針對350MW超臨界機組，蒸汽冷卻器初期投資約70萬元，系統(tǒng)管道組件加土地利用月增加投資35萬元[7]，粗略計算，蒸汽冷卻器的回收期約為2.5年。

3 卡琳娜循環(huán)與蒸汽冷卻器的效益比較

不考慮投資的情況下，設(shè)置蒸汽冷卻器給電廠每年帶來的效益是42.3875萬元，而卡琳娜循環(huán)每年能給電廠帶來約600萬元的利益。蒸汽冷卻器提高效益的方式在于提高了鍋爐的給水溫度，增大了電廠的全廠熱效率，從而降低電廠的煤耗。而卡琳娜循環(huán)則是用原來加熱給水的過熱蒸汽作為卡琳娜循環(huán)的熱源，通過增加電廠的發(fā)電量來增加電廠收益。

粗略的考慮投資，蒸汽冷卻器初投資105萬，回收期約為2.5年，而卡琳娜循環(huán)投資按11000元/kw計算，回收期約7.3年。在二者相差的4.8年期間，蒸汽冷卻器帶來的效益可達206萬元左右，但等卡琳娜循環(huán)過了回收期，開始產(chǎn)生效益后，一年即可超過蒸汽冷卻器帶來的效益，所以相比之下，卡琳娜的優(yōu)勢是很大的。

4 結(jié)束語

（1）卡琳娜循環(huán)的熱循環(huán)效率比朗肯循環(huán)的效率高，因為卡琳娜循環(huán)與熱源溫度曲線較匹配，對熱源的利用率較高。

（2）卡琳娜循環(huán)可取代電廠的外置式蒸汽冷卻器，利用第3段抽汽帶來的效益更高，每年通過多發(fā)2000萬kw·h，每年可為電廠帶來600萬元效益。

（3）考慮到卡琳娜循環(huán)的投資問題，若按一年發(fā)電5000h，大約7.3年可回收成本。

參考文獻

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[7]孔德浩.某電廠高加外置式蒸汽冷卻器設(shè)置的探討[J].中國科技縱橫，2014（8）.