純凝汽式機組大旁路供熱技術(shù)改造

呂 太，張力夫，劉振華，姚貫升

（東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012）

0 引言

隨著城市化的發(fā)展，建筑面積逐年增加，北方地區(qū)采暖面積增長迅速，現(xiàn)有的供熱條件下供熱熱源嚴重不足，這就需要污染嚴重的小鍋爐供熱或居民燃煤取暖，造成資源浪費和環(huán)境污染，并且大部分北方地區(qū)裝機負荷遠遠大于用電負荷，造成很多大型機組沒有發(fā)電負荷而停機備用，現(xiàn)有資源沒有得到有效的利用。結(jié)合大唐供熱公司長春市熱負荷調(diào)研報告，2015～2020年該供熱公司新增采暖熱面積約2 346萬m2，需要建設(shè)新的供熱機組才能滿足供熱需求，但是又存在大型發(fā)電機組低負荷運行甚至停機的現(xiàn)實情況。

以滿足供熱需求為前提，目前效率最高的供熱方式為熱電聯(lián)產(chǎn)［1-2］，該方式使能量得到了階梯利用，效率最高，但該類型機組在供熱的同時必須發(fā)電，并且建設(shè)該類型新機組不但緩解不了機組停機與供熱不足之間的矛盾，而且會使之加劇。燃煤鍋爐［3-4］集中供熱也是目前的主流供熱方式，鍋爐設(shè)備容量在10 t／h以上，供熱能力可達到要求，投資費用低，但鍋爐燃燒效率低，煙氣中的粉塵、硫化物和氮化物得不到有效處理，污染十分嚴重，帶來很大的環(huán)境壓力。長春市2016年全年P(guān)M2.5在100 μg／m3以上的污染天數(shù)為119天，其中PM2.5超過250 μg／m3的嚴重污染天數(shù)為49天，98%是在供暖期內(nèi)，由此可見由于冬季供暖所引發(fā)的環(huán)境問題十分嚴重。燃氣鍋爐［5-6］也是一種較理想的供熱熱源，可以實現(xiàn)只供熱不發(fā)電，由于天然氣為清潔能源，燃燒產(chǎn)物大部分為二氧化碳，不會帶來環(huán)境污染問題，同時天然氣的燃燒效率比較高，可以達到85%以上，缺點是天然氣價格比較高，燃氣鍋爐建設(shè)和運行費用比較高。綜上所述，目前急需一種可滿足供熱需求，同時可減輕大型機組停機壓力、對環(huán)境污染小的供熱方式。

針對供熱不足與大型機組閑置之間的矛盾，提出對現(xiàn)有的閑置純凝汽式機組的大旁路進行改造，在采暖期，蒸汽由大旁路經(jīng)過降壓處理引入到熱網(wǎng)加熱器直接進行供熱；在非供暖期，維持原來凝汽式機組正常發(fā)電。利用等效電法比較該技術(shù)與其他供熱技術(shù)能量轉(zhuǎn)換效率的高低，從經(jīng)濟效益和環(huán)境效益對比研究其合理性與可行性。

1 改造旁路供熱技術(shù)

以長春某電廠的200 MW純凝汽式機組為例進行改造，該機組型號為 HG－670／140－YM14，鍋爐蒸發(fā)量為670 t／h，主蒸汽溫度為540℃，壓力為13.73 MPa?？紤]到大旁路的富裕量，供熱改造對發(fā)電機組原來的系統(tǒng)幾乎沒有影響，如圖1所示，不需要改動大旁路，只需要在旁路尾端加裝減溫減壓裝置、熱網(wǎng)加熱器等就可以滿足供熱。采暖期內(nèi)，抽取670 t／h的蒸汽進入旁路，其中20 t／h的蒸汽用以滿足電廠自身用汽要求，650 t／h的蒸汽進入減溫減壓器后，最終在熱網(wǎng)加熱器中進行換熱，機組運行所需用電由其他機組提供；供暖期結(jié)束后，調(diào)整閥門使蒸汽進入汽輪機正常發(fā)電，由純供熱機組恢復純凝汽式發(fā)電機組。

機組改造后供熱基本參數(shù)和供熱能力如表1所示。

表1 200 MW機組改造后數(shù)據(jù)

圖1 改造旁路供熱系統(tǒng)

2 不同供熱方式比較

以長春市大唐某供熱公司的供熱區(qū)域作為研究對象，新增供熱面積為2 346×104m2，隨著城市的發(fā)展供熱面積還會增加，而長春位于北方地區(qū)，采暖期長達167天，合計小時數(shù)為4 008 h。室外采暖計算溫度-21.1℃，采暖室外平均溫度-7.6℃，室內(nèi)采暖平均溫度18℃，綜合采暖熱指標取55 W／m2，最大采暖熱負荷為1 290.3 MW，該電廠的最大供熱能力無法滿足熱用戶需求，只能由小鍋爐進行供熱，污染比較嚴重。

以目前的供熱形式來看，為了滿足該地區(qū)供熱需求，可以采取電加熱爐供熱、建設(shè)燃氣鍋爐、建設(shè)燃煤鍋爐和改造純凝汽式機組旁路直接供熱等幾種方式，以下從能量轉(zhuǎn)換效率、初始投資、運行費用和環(huán)境效益等方面對比評價，找出最合理的供熱方式。

2.1 能量轉(zhuǎn)換效率

能量是有品質(zhì)的，所以對比能耗的高低不能僅僅對比能量的多少，必須有統(tǒng)一的參考，等效電法就是以其他形式能量轉(zhuǎn)化為電能為標準，對比不同形式能量的品質(zhì)高低。原則上來講，不同形式的化學能都可以轉(zhuǎn)換為電能，但是由于轉(zhuǎn)換方式和設(shè)備的原因，存在一定的效率，即折電系數(shù)。利用式（1）就可以計算出不同形式能源轉(zhuǎn)換為電能時的折電系數(shù)

式中溫度采用絕對溫度。各種形式的能源在理論上是可以完全轉(zhuǎn)化為熱能的，但是由于實際工程技術(shù)的限制，不可能完全轉(zhuǎn)化為電力，在轉(zhuǎn)化過程中都是在一定的溫度限度內(nèi)進行的，因此結(jié)合實際情況，按照當前技術(shù)下最高做功溫度作為計算該形式能源轉(zhuǎn)換系數(shù)的工作溫度。天然氣的做功溫度在1 500℃以下，因此計算時取1 500℃。利用燃煤發(fā)電時，是利用蒸汽推動汽輪機做功，所以溫度不取燃燒溫度，而是取蒸汽溫度，目前技術(shù)下蒸汽溫度在700℃以下，因此取計算溫度為700℃。計算出能源形式的折電系數(shù)如表2所示。

表2 等效電法下折電系數(shù)

在表2中可以看出，在轉(zhuǎn)換為高品質(zhì)的電能時，品質(zhì)由低到高依次是熱水、煤炭、天然氣和電能，并且能質(zhì)差別越大，之間轉(zhuǎn)換率越低，比如煤炭中的能量品質(zhì)低于天然氣，折電系數(shù)僅為48.29%，低于天然氣的折電系數(shù)64.36%，熱水的折電系數(shù)最低，僅為23.2%。反過來，作為供熱熱源時，不同形式的能源轉(zhuǎn)換為低品質(zhì)的熱能時，轉(zhuǎn)換效率有所不同。以提供相同的熱量1500 kWh為基準，并結(jié)合表2中各種能量轉(zhuǎn)換電能的效率，分別比較電加熱爐、燃氣鍋爐、燃煤鍋爐和旁路改造供熱這幾種方式的能量轉(zhuǎn)換效率，計算結(jié)果如表3所示。

表3 等效電法下不同采暖方式的能量轉(zhuǎn)換效率

表3中計算的各種能量形式作為熱源時的轉(zhuǎn)換效率，是在考慮能量品質(zhì)的前提下計算出來的，可以看出能量品質(zhì)越高，轉(zhuǎn)換為低品質(zhì)的熱能時轉(zhuǎn)換效率越低。以電能為例，能量品質(zhì)最高，可以完全轉(zhuǎn)換為熱能，但是在考慮能量品質(zhì)的前提下，作為供熱熱源時的效率僅為23.2%，是由于品質(zhì)的喪失使其轉(zhuǎn)換效率下降；而同樣作為低品質(zhì)的煤炭能源，在直接轉(zhuǎn)換為熱能時效率高于天然氣和電能，這主要是因為該能源與熱能的品質(zhì)接近，避免了由于能量品質(zhì)降低帶來的能量損失；同樣以煤炭為主的供熱熱源，燃煤鍋爐的供熱效率為36.7%，低于旁路改造機組的41.1%，這是由于兩種鍋爐的效率不同導致的，燃煤鍋爐房鍋爐的本身結(jié)構(gòu)和燃燒方式使鍋爐效率低，而旁路改造鍋爐可以維持純凝汽式機組時的高效率燃燒。

2.2 初始投資和運行費用

2.2.1 初始投資

供熱的初始投資［7］主要由以下幾個方面組成：鍋爐主機費、供熱所需的配套輔機費、土地征用費、鍋爐土建投資費以及其他費用等。與其他供熱方式相比，改造旁路供熱技術(shù)對原來的機組改動很小，就是在大旁路尾端加裝減溫減壓裝置，以及按照供熱面積加裝相應的熱交換器。結(jié)合長春某電廠實際改造，改造費用為1 000萬元，1臺200 MW純凝汽式機組大旁路擴容改造之后，在100%容量下，供熱能力為1891.99 GJ／h，綜合采暖熱指標為 55 W／m2時，可供熱面積為95.56萬m2，單位采暖面積建設(shè)費用為10.5元／m2。而電加熱爐、燃氣鍋爐和燃煤鍋爐的建設(shè)是從無到有，必須考慮到鍋爐主機費、輔機費用、土建投資和土地征用等費用，導致燃煤鍋爐單位面積初始投資為59.11元／m2，燃氣鍋爐58.27元／m2，都高于改造旁路供熱方式初始投資。

2.2.2 運行費用

運行費用包括燃料費、水電費和折舊費等，為了方便比較，將主要比較幾種方式的燃料費用，并折算成單位采暖面積所需費用。首先計算單位面積燃料消耗量，與供熱指標、供熱時間、燃料熱值、管網(wǎng)效率和鍋爐效率有關(guān)：

式中：M為單位面積燃料消耗量；D為采暖天數(shù)，167 d／a（吉林地區(qū)取暖時間）；q為綜合采暖熱指標，W／m2；hj為燃料熱值，kWh／kg 或 kWh／m3；η1管網(wǎng)效率，%；η2鍋爐熱效率，%。

結(jié)合式（2）和不同的供熱形式間燃料熱值、效率等因素，計算幾種供熱方式的運行費用如表4所示。

表4 不同供熱方式燃料消耗量及運行費用

表4計算比較了電加熱爐、燃氣鍋爐、燃煤鍋爐和旁路改造供熱這4種供熱方式的運行費用。結(jié)果表明電加熱爐的運行費用最高，高達到119.41元／m2；燃氣鍋爐的燃燒效率比較高，但是由于天然氣價格高，所以運行費用接近燃煤鍋爐的2倍；燃煤鍋爐和改造鍋爐都是燃用煤炭，但是兩種方式的鍋爐效率不一樣，鍋爐的燃燒效率為70%左右，而旁路改造技術(shù)的鍋爐效率可以達到89%，運行成本僅為25.36 元 ／m2。

2.3 環(huán)境效益

結(jié)合表4中單位面積年燃料消耗量，在供熱面積為2 346×104m2時，供暖期燃料消耗量分別為：燃煤鍋爐 9.454×105t；燃氣鍋爐為 5.529×108m3；改造鍋爐為 7.436×105t。

燃煤鍋爐的SO2排放量

式中：GSO2為 SO2排放量，t；0.8 為煤炭中的硫分，包括可燃硫與不可燃硫，其中可燃硫占80%；S為收到基全硫質(zhì)量分數(shù)，取值0.3%；B為煤耗量，t；ηS為脫硫效率，%。

燃煤中的N與空氣中的O2進行反應，產(chǎn)生NOx，其中90%為NO，其余主要為NO2，NOx排放量為

式中：GNOx為 NOx排放量，t；B 為煤耗量，t；N 為收到基氮含量，取值0.73%；b為燃料中N的轉(zhuǎn)換率，取值為50%；ηN為脫硝率，鍋爐沒有脫硝設(shè)備，改造鍋爐取90%。

燃煤灰塵排放量為

式中：Gy為灰塵排放量，t；B 為煤耗量，t；Aar為煤的收到基灰分，取值17.05%；αfh為飛灰中純灰量占燃料總灰量的份額，取25%；Rfh為飛灰中可燃物的質(zhì)量分數(shù)，取30%；ηc為除塵器效率，鍋爐除塵效率取97%，改造鍋爐取99.88%。

針對燃氣鍋爐，NOx排放量為 22.2 mg／m2，SO2排放量為 2.8 g／m2，煙塵排放量為 4.63 g／m2。并結(jié)合式（3）～（5），將3種供熱方式的污染物排放量整理如圖2所示。

圖2 不同供熱方式的污染物排放

通過計算比較可以看出，燃煤鍋爐由于燃燒效率低，煙氣處理設(shè)備不夠完善，污染物的排放量最大；天然氣為清潔能源，所以NOx和SO2的生成量就比較小，污染物的排放量比較低；旁路改造機組仍保留脫硫除塵等設(shè)備，污染物的排放也在國家環(huán)保范圍之內(nèi)，所以污染物排放量與燃氣接近，甚至比燃氣鍋爐還要低。

3 結(jié)語

通過等效電法進行分析比較，不同品質(zhì)能源間轉(zhuǎn)換時，品質(zhì)差別越大效率越低；作為供熱熱源時，旁路改造供熱技術(shù)轉(zhuǎn)換效率最高，為41.1%。

通過4種供熱方式的對比得出，旁路改造供熱技術(shù)污染物排放量比較低，與燃氣鍋爐接近；初始投資最低，僅為10.5元／m2，遠遠低于其他供熱方式；運行費用最低，為25.36元／m2。

對純凝汽式機組旁路進行改造，對現(xiàn)有資源利用實現(xiàn)有效利用，并且在供暖期緩解北方供暖不足與裝機負荷過大而停機之間的矛盾，同時可以緩解北方冬季棄風現(xiàn)象的發(fā)生。