燃?xì)夥植际侥茉凑居酂嵘疃壤眉夹g(shù)方案研究

刁培濱，徐靜靜,，余莉,，江婷,，劉廣宇，胡永鋒

(1.中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100070； 2.華電分布式能源工程技術(shù)有限公司，北京 100070)

0 引言

自國(guó)家“十三五”規(guī)劃綱要提出以來(lái)，節(jié)能減排工作一直是能源行業(yè)的要點(diǎn)。在能源問(wèn)題成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的瓶頸時(shí)，提高能源的利用率、回收低品位煙氣中的余熱，已成為我國(guó)節(jié)能減排戰(zhàn)略中最具潛力的研究方向。近年來(lái)，我國(guó)政府大力鼓勵(lì)發(fā)展分布式能源發(fā)電技術(shù)。與傳統(tǒng)電廠相比，燃?xì)夥植际侥茉礄C(jī)組容量較小、靠近用戶端，以滿足建筑或區(qū)域用能為主，常建設(shè)在城市核心區(qū)域或經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的開(kāi)發(fā)區(qū)(如商業(yè)、醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)、各種產(chǎn)業(yè)園區(qū)等)。燃?xì)夥植际侥茉凑就ㄟ^(guò)能量的梯級(jí)利用，即提高余熱的利用率，來(lái)提升天然氣的利用效率，但目前燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)中低溫?zé)煔庥酂岬睦们闆r遠(yuǎn)低于理論值。

本文結(jié)合某項(xiàng)目設(shè)計(jì)案例，從不同負(fù)荷工況、設(shè)備選型、投資及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等角度，對(duì)煙氣余熱深度利用的設(shè)計(jì)原則及方案進(jìn)行了探索。

1 項(xiàng)目概況

某分布式能源項(xiàng)目位于國(guó)內(nèi)北方某產(chǎn)業(yè)園區(qū)，主要用于滿足園區(qū)生產(chǎn)及生活配套建筑的冷、熱、生活熱水及部分用電需求，供能范圍包括數(shù)據(jù)中心、辦公區(qū)、會(huì)展中心、醫(yī)藥研發(fā)部、公寓等。項(xiàng)目主機(jī)設(shè)計(jì)容量為40 MW級(jí)：配置為1臺(tái)30 MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)、1臺(tái)臥式雙壓余熱鍋爐、1臺(tái)抽凝式汽輪機(jī)，采用“一拖一”的配置方案；調(diào)峰采用2臺(tái)蒸汽流量為15.00 t/h的燃?xì)忮仩t。

在冬季，項(xiàng)目為附近辦公區(qū)提供采暖熱水和生活熱水，采暖供/回水設(shè)計(jì)溫度為105/45 ℃：平均負(fù)荷工況下的采暖熱負(fù)荷為25.72 MW，所需采暖循環(huán)水量為366.49 t/h；最大負(fù)荷工況下的采暖熱負(fù)荷為41.56 MW，所需采暖循環(huán)水量為592.20 t/h。生活熱水熱交換器一次側(cè)熱源水的供/回水設(shè)計(jì)溫度為75/45 ℃：生活熱水平均負(fù)荷為1.62 MW，所需一次側(cè)熱源水量為46.50 t/h；生活熱水最大負(fù)荷為2.06 MW，所需一次側(cè)熱源水量為59.13 t/h。

2 方案分析

常規(guī)的煙氣余熱利用技術(shù)基本局限在煙氣的顯熱段，以期避免換熱器發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。而煙氣余熱深度利用技術(shù)則突破了這一點(diǎn)，將煙氣溫度降低至露點(diǎn)溫度以下，使煙氣中水分冷凝并釋放出潛熱，進(jìn)一步顯著提升了煙氣余熱回收效率。尤其是對(duì)于以天然氣為燃料的機(jī)組，其煙氣含水量大，水蒸氣中潛熱量高且腐蝕性低。目前強(qiáng)化傳熱和防止露點(diǎn)腐蝕方面的技術(shù)已到達(dá)應(yīng)用階段，因此，以天然氣為燃料的分布式能源系統(tǒng)可集成煙氣余熱深度利用技術(shù)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的制熱效率[1-2]。

2.1 配置原則

燃?xì)夥植际侥茉错?xiàng)目的煙氣余熱深度利用工藝需綜合考慮發(fā)電機(jī)組的種類、熱效率、余熱品質(zhì)等參數(shù)[3-5]。根據(jù)項(xiàng)目情況及燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的余熱利用特點(diǎn)，本文主要針對(duì)余熱鍋爐尾部煙氣及主機(jī)循環(huán)水低品位熱量的深度利用方案進(jìn)行研究。

方案擬采用蒸汽型吸收式熱泵(以下簡(jiǎn)稱吸收式熱泵)來(lái)加熱熱網(wǎng)循環(huán)水[6]。在熱泵入口熱網(wǎng)循環(huán)水水溫為45.0 ℃的情況下，吸收式熱泵可提取余熱鍋爐排煙和主機(jī)循環(huán)水中低品質(zhì)的熱，將熱網(wǎng)循環(huán)水加熱至75.0～77.0 ℃(余熱鍋爐排煙可利用的余熱數(shù)據(jù)見(jiàn)表1)。方案中為了不再增加熱網(wǎng)投資并充分利用余熱鍋爐的排煙熱量，擬采用分級(jí)加熱的方式對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行加熱：熱網(wǎng)循環(huán)水的一級(jí)加熱在煙氣余熱深度利用設(shè)備和循環(huán)水余熱深度利用設(shè)備內(nèi)完成，熱網(wǎng)循環(huán)水由45.0 ℃加熱至75.0 ℃；熱網(wǎng)循環(huán)水的二級(jí)加熱在余熱鍋爐尾部的水-水換熱器和汽水熱網(wǎng)換熱器內(nèi)完成，熱網(wǎng)循環(huán)水由75.0 ℃加熱至105.0 ℃。

從表1中可以看出，在排煙溫度從68.4 ℃降至35.0 ℃的過(guò)程中，濕煙氣由未飽和濕煙氣變?yōu)轱柡蜐駸煔?，并析出液態(tài)水0.943 kg/s，同時(shí)釋放出該部分水的汽化潛熱2 281.286 kW。因此經(jīng)過(guò)煙氣余熱深度利用后，煙氣可提取總熱量約為5 729.568 kW。

2.2 工藝流程及運(yùn)行模式分析

2.2.1 平均熱負(fù)荷工況

(1)熱網(wǎng)循環(huán)水一級(jí)加熱系統(tǒng)。熱網(wǎng)循環(huán)水一級(jí)加熱系統(tǒng)由并聯(lián)設(shè)置的余熱鍋爐排煙余熱深度利用裝置和主機(jī)循環(huán)水余熱深度利用裝置共同組成。在平均采暖熱負(fù)荷和平均生活熱水負(fù)荷工況下，投運(yùn)余熱鍋爐排煙余熱深度利用裝置即可滿足熱網(wǎng)循環(huán)水一級(jí)加熱的要求。項(xiàng)目共設(shè)置2臺(tái)串聯(lián)的吸收式熱泵，并相應(yīng)設(shè)置2臺(tái)串聯(lián)布置的煙氣熱水換熱器 。一級(jí)吸收式熱泵產(chǎn)出12.0 ℃的低溫水送至二級(jí)煙氣熱水換熱器，低溫水被煙氣加熱后溫度升至20.0 ℃，并返回一級(jí)吸收式熱泵；一級(jí)吸收式熱泵利用余熱鍋爐低壓蒸汽和汽輪機(jī)抽汽將熱網(wǎng)循環(huán)水的水溫由45.0 ℃加熱至60.0 ℃；二級(jí)吸收式熱泵制出24.0 ℃的低溫水送至一級(jí)煙氣熱水換熱器，低溫水被煙氣加熱水溫升至32.0 ℃，并返回二級(jí)吸收式熱泵；二級(jí)吸收式熱泵的主熱源也來(lái)自余熱鍋爐低壓蒸汽和汽輪機(jī)抽汽，熱網(wǎng)循環(huán)水的水溫由60.0 ℃加熱至75.0 ℃。兩級(jí)煙氣余熱深度利用裝置傳遞給熱網(wǎng)循環(huán)水的熱量總計(jì)14.37 MW，煙氣余熱深度利用裝置的具體技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1 余熱鍋爐排煙可利用余熱量Tab.1 Available heat in exhausted gas from waste heat boiler

注：余熱深度利用裝置設(shè)計(jì)提取余熱量考慮3%裕量。

表2 煙氣余熱深度利用吸收式熱泵參數(shù)Tab.2 Parameters of absorption heat pumps for waste heat deep utilization

續(xù)表

(2)熱網(wǎng)循環(huán)水二級(jí)加熱系統(tǒng)。為了將熱網(wǎng)循環(huán)水從75.0 ℃加熱至105.0 ℃，二級(jí)加熱系統(tǒng)并聯(lián)設(shè)置1臺(tái)余熱鍋爐尾部水-水換熱器和3臺(tái)并聯(lián)設(shè)置的汽水熱網(wǎng)加熱器。其中，水-水換熱器的一次側(cè)熱源水來(lái)自余熱鍋爐省煤器內(nèi)的給水，一次側(cè)熱源水回水送至余熱鍋爐省煤器進(jìn)口；汽水熱網(wǎng)加熱器的熱源來(lái)自余熱鍋爐低壓蒸汽和汽輪機(jī)抽汽。在平均采暖熱負(fù)荷工況，需投運(yùn)1臺(tái)汽水熱網(wǎng)加熱器，該工況下的余熱鍋爐尾部水-水換熱器和汽水熱網(wǎng)加熱器的技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表3— 4。

表3 余熱鍋爐尾部水-水換熱器技術(shù)數(shù)據(jù)Tab.3 Technical parameters of water-water heat exchanger at the end of waste heat boiler

表4 平均熱負(fù)荷工況下汽水熱網(wǎng)加熱器技術(shù)數(shù)據(jù)Tab.4 Technical parameters of heaters for steam and water heating network under maximum heating load

2.2.2 最大熱負(fù)荷工況

(1)熱網(wǎng)循環(huán)水一級(jí)加熱系統(tǒng)。在最大采暖熱負(fù)荷和最大生活熱水負(fù)荷工況下，余熱鍋爐排煙余熱深度利用裝置和主機(jī)循環(huán)水余熱利用裝置須投運(yùn)以共同滿足熱網(wǎng)循環(huán)水一級(jí)加熱的要求。余熱鍋爐排煙余熱深度利用裝置的運(yùn)行工況與平均采暖負(fù)荷工況相同。

在最大熱負(fù)荷工況下，吸收式熱泵低溫?zé)嵩磥?lái)自汽輪機(jī)凝汽器出口的主機(jī)循環(huán)水，水溫為32.0 ℃：一部分主機(jī)循環(huán)水被引至吸收式熱泵，經(jīng)過(guò)換熱后降溫至24.0 ℃，吸收式熱泵出口的主機(jī)循環(huán)水送至循環(huán)水泵入口母管；沒(méi)有進(jìn)入吸收式熱泵的主機(jī)循環(huán)水仍進(jìn)入冷卻塔冷卻。該吸收式熱泵加熱汽源仍來(lái)自余熱鍋爐低壓蒸汽和汽輪機(jī)抽汽。熱網(wǎng)循環(huán)水的水溫由45.0 ℃加熱至75.0 ℃，煙氣余熱深度利用裝置和主機(jī)循環(huán)水余熱深度利用裝置傳遞給熱網(wǎng)循環(huán)水的熱量總計(jì)22.68 MW。主機(jī)循環(huán)水余熱深度利用技術(shù)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 主機(jī)循環(huán)水余熱深度利用技術(shù)的數(shù)據(jù)Tab.5 Parameters of main engine circulating water waste heat deep utilization technology

(2)熱網(wǎng)循環(huán)水二級(jí)加熱系統(tǒng)。在最大熱負(fù)荷工況下，余熱鍋爐尾部水-水換熱器運(yùn)行工況與采暖平均負(fù)荷工況相同。為了將熱網(wǎng)循環(huán)水從75.0 ℃加熱至105.0 ℃，汽水熱網(wǎng)加熱器需投運(yùn)2臺(tái)，單臺(tái)熱網(wǎng)加熱器負(fù)荷為9.00 MW，詳細(xì)技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 最大熱負(fù)荷工況下汽水熱網(wǎng)加熱器技術(shù)數(shù)據(jù)Tab.6 Technical parameters of heaters for steam and water heating network under maximum heating load

續(xù)表

當(dāng)采暖季燃?xì)廨啓C(jī)或余熱鍋爐故障造成余熱鍋爐停運(yùn)時(shí)，需停運(yùn)煙氣余熱深度利用系統(tǒng)，投運(yùn)主機(jī)循環(huán)水余熱深度利用系統(tǒng)并同時(shí)投運(yùn)3臺(tái)汽水熱網(wǎng)加熱器，供熱負(fù)荷為38.400 MW，可滿足88%的最大采暖熱負(fù)荷和最大生活熱水熱負(fù)荷的需求。

3 投資及經(jīng)濟(jì)性分析

與常規(guī)技術(shù)方案相比，采用煙氣排煙余熱深度利用系統(tǒng)和循環(huán)水余熱深度利用系統(tǒng)后，一方面回收了余熱鍋爐尾部煙氣和主機(jī)循環(huán)水中的低品位熱量，提高了系統(tǒng)熱效率，另一方面提高了機(jī)組在采暖季的供熱能力[7]。本文以常規(guī)技術(shù)方案為基準(zhǔn)，對(duì)采用余熱深度利用技術(shù)后的項(xiàng)目初投資和運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了綜合對(duì)比分析見(jiàn)表7，表7中：設(shè)備費(fèi)用包含余熱利用設(shè)備、冷卻塔、水泵、換熱器及管道等設(shè)備費(fèi)和安裝費(fèi)；吸收式熱泵在供冷季可同時(shí)作為制冷機(jī)組使用，該費(fèi)用扣除了常規(guī)方案中制冷站該部分制冷設(shè)備的費(fèi)用；土建費(fèi)用為制冷站增大而增加的費(fèi)用。

表7 優(yōu)化方案的初投資和運(yùn)行收益分析Tab.7 Initial investment and operation expenses of the optimized scheme

由表7可以看出，項(xiàng)目采用煙氣余熱深度利用系統(tǒng)和主機(jī)循環(huán)水余熱深度利用系統(tǒng)后，在平均采暖負(fù)荷工況下可提取余熱量5 729.000 kW，按照冬季采暖小時(shí)數(shù)1 331計(jì)算(采暖季按每年11月15日至來(lái)年3月15日，每天運(yùn)行時(shí)段為07:00 — 18:00)，每年預(yù)計(jì)回收余熱量27 451 GJ。按熱價(jià)100元/GJ計(jì)算，每年預(yù)計(jì)回收余熱價(jià)值為274.51萬(wàn)元。煙道中增設(shè)的煙氣余熱深度利用熱交換器增加了煙氣阻力600 Pa，造成燃?xì)廨啓C(jī)出力降低83.000 kW，年發(fā)電量因此減少11.05×104kW·h，按上網(wǎng)電價(jià)0.68元/(kW·h)計(jì)算，年損失發(fā)電量?jī)r(jià)值為7.51萬(wàn)元。由于部分熱負(fù)荷來(lái)自排煙和主機(jī)循環(huán)水的余熱，因此減少汽輪機(jī)抽汽量8.40 t/h，汽輪機(jī)出力因此增加1 092.000 kW，年發(fā)電量因此增加145.35×104kW·h。按上網(wǎng)電價(jià)0.68元/(kW·h)計(jì)算，年增發(fā)電量?jī)r(jià)值98.83萬(wàn)元。綜上所述，采用煙氣余熱深度利用系統(tǒng)后，每年預(yù)計(jì)新增收益365.83萬(wàn)元。余熱鍋爐煙氣余熱利用系統(tǒng)和主機(jī)循環(huán)水余熱深度利用系統(tǒng)的總投資與常規(guī)方案相比新增投資約2 000.00萬(wàn)元，按折現(xiàn)率8%計(jì)算，預(yù)計(jì)7～8年可收回成本。

綜上所述，該項(xiàng)目采用余熱鍋爐煙氣余熱深度利用系統(tǒng)和主機(jī)循環(huán)水余熱深度利用系統(tǒng)后，可較大提高機(jī)組的供熱能力，同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論及建議

本文通過(guò)研究分析煙氣余熱深度利用技術(shù)途徑和機(jī)理，結(jié)合某個(gè)燃?xì)夥植际侥茉错?xiàng)目工程的典型案例，在原有的主機(jī)裝機(jī)方案基礎(chǔ)上，提出了余熱深度利用系統(tǒng)方案配置原則，分析了不同負(fù)荷工況下的工藝流程和運(yùn)行模式，對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，同時(shí)與常規(guī)技術(shù)方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析對(duì)比。從項(xiàng)目投資及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等角度對(duì)采用煙氣余熱深度利用技術(shù)的設(shè)計(jì)原則及方案進(jìn)行了初步探索，可為其他項(xiàng)目提供參考。

在項(xiàng)目有充足且較為穩(wěn)定的熱負(fù)荷需求的情況下，燃?xì)夥植际侥茉错?xiàng)目適合采用煙氣余熱深度利用系統(tǒng)，結(jié)合能源站對(duì)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性能的要求，選用合理的配置方案，項(xiàng)目將具有良好的經(jīng)濟(jì)性。另外，將煙氣溫度降至水露點(diǎn)以下，使煙氣中的水蒸氣凝結(jié)、分離，可弱化煙氣排放到大氣中產(chǎn)生的白霧現(xiàn)象，具有較好的節(jié)能環(huán)保效益[8]。