供熱改造中能源梯級利用技術(shù)研究

商永強(qiáng)

(華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450046)

供熱改造中能源梯級利用技術(shù)研究

商永強(qiáng)

(華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450046)

提出采用背壓式汽輪機(jī)回收熱電廠供熱抽汽的余壓進(jìn)行發(fā)電，用背壓機(jī)排出的蒸汽供給熱網(wǎng)加熱器，組成供熱蒸汽余壓回收系統(tǒng)。該系統(tǒng)可高效利用供熱抽汽的熱能，增加供熱機(jī)組的發(fā)電量，降低機(jī)組廠用電率，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

供熱機(jī)組；背壓式汽輪機(jī)；能源梯級利用；余壓利用

0 引言

目前的火力發(fā)電廠供熱改造主要是通過在汽輪機(jī)的中低壓缸聯(lián)通管上打孔抽汽。抽汽從中低壓缸聯(lián)通管接出后，一般直接引入熱網(wǎng)加熱器對熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行換熱[1]。國產(chǎn)300.00 MW，600.00 MW純凝機(jī)組中壓缸排汽壓力在0.60～1.20 MPa之間，此壓力遠(yuǎn)高于熱網(wǎng)加熱器所需求的供熱抽汽壓力。另外，我國供熱循環(huán)水設(shè)計(jì)供水溫度為130.0 ℃，回水溫度70.0 ℃，對應(yīng)的采暖蒸汽壓力約在0.27 MPa?？紤]熱網(wǎng)加熱器端差并留有適當(dāng)裕量，采暖蒸汽參數(shù)保持在0.30 MPa(對應(yīng)飽和蒸汽溫度133.5 ℃)左右即可滿足要求。因此，如果將高品位的抽汽直接用來加熱循環(huán)水，存在著較大的余壓損失，會造成能源的浪費(fèi)，系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差[2]。

凝汽式機(jī)組供熱改造有2種方案可供選擇：一種為傳統(tǒng)供熱改造方案，即機(jī)組抽汽直接進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器進(jìn)行換熱；另一種為背壓機(jī)發(fā)電供熱改造方案，即機(jī)組抽汽先進(jìn)入背壓式汽輪機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，排汽再進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器進(jìn)行換熱。本文結(jié)合某工程具體實(shí)例對這2種方案進(jìn)行論述比較。

1 傳統(tǒng)供熱改造方案

本方案為常規(guī)供熱改造方案。2臺機(jī)組的加熱系統(tǒng)和疏水系統(tǒng)采用母管制。加熱蒸汽系統(tǒng)設(shè)置3臺高壓熱網(wǎng)加熱器和2臺低壓熱網(wǎng)加熱器。高壓熱網(wǎng)加熱器直接采用機(jī)組抽汽作為加熱汽源；低壓熱網(wǎng)加熱器采用循環(huán)水泵驅(qū)動用背壓式汽輪機(jī)排汽(0.30 MPa)作為加熱汽源。

為了充分利用工質(zhì)并減少熱量損失，熱網(wǎng)加熱器蒸汽冷卻為疏水后，送到機(jī)組的除氧器進(jìn)行回收。疏水系統(tǒng)設(shè)置4臺高壓熱網(wǎng)加熱器疏水泵，3用1備運(yùn)行；設(shè)置2臺低壓熱網(wǎng)加熱器疏水泵，1用1備運(yùn)行。

熱網(wǎng)回水經(jīng)過熱網(wǎng)循環(huán)水泵升壓后，進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器，由采暖抽汽將熱網(wǎng)回水由70.0 ℃加熱至130.0 ℃，最后送至廠區(qū)供熱管網(wǎng)。供熱首站內(nèi)設(shè)置4臺熱網(wǎng)循環(huán)水泵，不設(shè)備用。熱網(wǎng)循環(huán)水泵采用背壓機(jī)驅(qū)動，可以滿足不同熱負(fù)荷下的調(diào)節(jié)要求。傳統(tǒng)供熱改造方案系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)供熱改造方案系統(tǒng)流程

該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)為：技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，大部分電廠供熱設(shè)計(jì)或改造均采用此種方式；系統(tǒng)簡單可靠，可滿足熱負(fù)荷需求；供熱首站占地面積較小，土建工程量較??；供熱首站內(nèi)系統(tǒng)布置簡單；系統(tǒng)運(yùn)行簡單。

該系統(tǒng)缺點(diǎn)為：加熱蒸汽參數(shù)略高(0.80 MPa，340.7 ℃)，屬于高品質(zhì)能源，直接用于換熱造成有效能源損失較大，有一定浪費(fèi)[3]。

2 背壓機(jī)發(fā)電供熱改造方案

該方案與傳統(tǒng)供熱改造方案的最主要區(qū)別是在系統(tǒng)中增設(shè)了4臺背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組。加熱蒸汽系統(tǒng)設(shè)置高壓熱網(wǎng)加熱器和低壓熱網(wǎng)加熱器。高壓熱網(wǎng)加熱器直接采用機(jī)組抽汽作為加熱汽源，低壓熱網(wǎng)加熱器采用背壓機(jī)排汽作為加熱汽源。當(dāng)抽汽從汽輪機(jī)組接出后，由于蒸汽參數(shù)較高，先進(jìn)入背壓式汽輪機(jī)拖動小發(fā)電機(jī)發(fā)電，然后背壓汽輪機(jī)排汽再進(jìn)入2臺低壓熱網(wǎng)加熱器對熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行加熱。循環(huán)水泵驅(qū)動用背壓式汽輪機(jī)排汽作為低壓熱網(wǎng)加熱器加熱汽源。

當(dāng)抽汽參數(shù)較低不滿足背壓式發(fā)電機(jī)組運(yùn)行條件時(shí)，可投入減溫減壓旁路，將降低參數(shù)后的蒸汽直接送入熱網(wǎng)換熱器。循環(huán)水采取分段加熱方式，熱網(wǎng)回水70.0 ℃先進(jìn)入低壓熱網(wǎng)加熱器升溫至105.0 ℃，再進(jìn)入高壓熱網(wǎng)加熱器升溫至130.0 ℃。疏水系統(tǒng)和熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)置同傳統(tǒng)供熱改造方案。背壓機(jī)發(fā)電供熱改造方案系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 背壓機(jī)發(fā)電供熱改造方案系統(tǒng)流程

該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)為：充分利用高品位能源進(jìn)行發(fā)電，低品位能源換熱，實(shí)現(xiàn)了能源的梯級利用；增加了發(fā)電量，進(jìn)一步提高系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性。

該系統(tǒng)缺點(diǎn)為：系統(tǒng)在電廠中實(shí)際運(yùn)行業(yè)績較少；背壓機(jī)進(jìn)汽參數(shù)較低，設(shè)備尺寸大、制造難度大；系統(tǒng)復(fù)雜，工程初投資增大；供熱首站占地面積較大，土建工程量增大；供熱首站內(nèi)系統(tǒng)布置難度較大；增加了系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜性；對外供熱能力略有降低。

3 經(jīng)濟(jì)性對比

傳統(tǒng)方案將全部加熱蒸汽用來換熱，增大了機(jī)組的對外供熱能力，但同時(shí)能源余壓損失較大；背壓機(jī)發(fā)電供熱改造方案先將較高參數(shù)的蒸汽接入背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，然后再利用背壓機(jī)排汽進(jìn)入熱網(wǎng)換熱器對循環(huán)水進(jìn)行換熱，在滿足換熱要求同時(shí)增加了發(fā)電量，較好地實(shí)現(xiàn)了能源梯級利用，能源利用效率較高[4]。

為了便于2個(gè)方案的經(jīng)濟(jì)性對比，上述2個(gè)方案部分參數(shù)設(shè)定如下：抽汽壓力，0.80 MPa；抽汽溫度，340.7 ℃；額定抽汽質(zhì)量流量，660 t/h(2臺機(jī)組)；背壓機(jī)相對內(nèi)效率，75%；熱網(wǎng)循環(huán)水泵驅(qū)動背壓機(jī)相對內(nèi)效率，68%；熱網(wǎng)回水溫度，70.0 ℃；熱網(wǎng)供水溫度，130.0 ℃；采暖天數(shù)，120 d。

傳統(tǒng)供熱改造方案與背壓機(jī)方案經(jīng)濟(jì)性對比見表1。

表1 經(jīng)濟(jì)性對比

上述計(jì)算結(jié)果為理想情況，即機(jī)組在整個(gè)采暖期內(nèi)均為額定采暖負(fù)荷運(yùn)行，背壓機(jī)全部投入?？紤]到實(shí)際運(yùn)行時(shí)，供熱負(fù)荷會有波動，實(shí)際年收益應(yīng)少于此值;本計(jì)算結(jié)果僅對收益部分進(jìn)行對比，未考慮背壓機(jī)方案投資增加部分。

由表1可以看出，在額定抽汽負(fù)荷情況下，采用背壓機(jī)方案，對外供熱能力約降低26.93 MW，增加發(fā)電能力26.14 MW。按照全年120 d采暖期滿負(fù)荷運(yùn)行計(jì)算，年最大可增加收益約2268.12萬元。

4 節(jié)能與環(huán)保

能源梯級利用是能源合理利用的1種方式。不管是一次能源還是余能資源，均應(yīng)按其品位逐級加以利用。在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，高、中參數(shù)蒸汽先用來發(fā)電，低溫余熱用來向住宅供熱。所謂能量品位的高低，是用可轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的大小來度量的。由于熱能不可能全部轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，因此與機(jī)械能、電能相比，其品位較低。熱功轉(zhuǎn)換效率與溫度高低有關(guān)，高溫?zé)崮艿钠肺桓哂诘蜏責(zé)崮?。一切不可逆過程均朝著降低能量品位的方向進(jìn)行。能源的梯級利用可以提高整個(gè)系統(tǒng)的能源利用效率，是節(jié)能的重要措施[5-6]。

在背壓機(jī)方案中，可以充分利用抽汽的高品位能量進(jìn)行發(fā)電，降低至較低參數(shù)后再送至熱網(wǎng)換熱器進(jìn)行換熱，實(shí)現(xiàn)了能量的梯級利用，提高了能源利用效率。

傳統(tǒng)供熱改造方案與背壓機(jī)發(fā)電供熱改造方案節(jié)能指標(biāo)比較見表2。

表2 節(jié)能指標(biāo)對比

從表2可以看出，背壓機(jī)發(fā)電供熱改造方案由于增加了發(fā)電量，機(jī)組供熱能力略有下降。年均發(fā)電標(biāo)煤耗可降低6.42 g/(kW·h)，年可節(jié)約耗煤量約17 899 t。

假設(shè)按照某種煤質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，年可降低CO2排放量約6.37萬t，減少SO2排放量約16.43 t，減少NOx排放量約16.43 t，減少煙塵排放量約3.30 t。由此可見，采用背壓機(jī)發(fā)電供熱改造方案后，可一定程度降低大氣污染物排放量和灰渣排放量。

5 結(jié)束語

綜上所述，傳統(tǒng)供熱改造方案應(yīng)用較多，技術(shù)成熟，可靠性高，但蒸汽余壓損失較大，能源利用不充分；在當(dāng)前中低壓聯(lián)通管抽汽參數(shù)較高的情況下，背壓機(jī)發(fā)電供熱改造方案實(shí)現(xiàn)了能源梯級利用，降低了機(jī)組廠用電率，增加了電廠上網(wǎng)電量，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢明顯，并且能夠降低污染物排放量，有利于區(qū)域環(huán)境的改善。

[1]呂紅纓，朱寧.300 MW 供熱機(jī)組選型問題的探討[J].重慶電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2006,11(2):8-10.

[2]胡玉清，馬先才.我國熱電聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].黑龍江電力,2008,30(1):79-80.

[3]李紅華.提高對多種品位能量利用的認(rèn)識,促進(jìn)能量高效利用[J].節(jié)能，2007(1):14-16.

[4]紀(jì)軍，劉濤，金紅光.熱力循環(huán)及總能系統(tǒng)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略思考[J].中國科學(xué)基金，2007(6):327-332.

[5]林汝謀，金紅光，蔡睿賢.燃?xì)廨啓C(jī)總能系統(tǒng)及其能的梯級利用原理[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2008，28 (1):1-12.

[6]金紅光，張國強(qiáng)，高林，等.總能系統(tǒng)理論研究進(jìn)展與展望[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45(3):39-48.

(本文責(zé)編：劉炳鋒)

2016-12-07；

2017-05-03

TK 262

B

1674-1951(2017)05-0074-03

商永強(qiáng)(1981—)，男，河南滎陽人，高級工程師，從事熱力發(fā)電設(shè)計(jì)方面的工作(E-mail:shangyq@chec.com.cn)。