采用吸收式熱泵技術(shù)供熱空冷機(jī)組煤耗率升高分析及優(yōu)化

宗緒東

摘 要：某電廠2×135 MW直接空冷機(jī)組進(jìn)行了吸收式熱泵余熱回收機(jī)組供熱改造，熱網(wǎng)二級(jí)站進(jìn)行了吸收式熱泵換熱機(jī)組改造。運(yùn)行初期機(jī)組供熱節(jié)能效果良好。但運(yùn)行6年后，供熱季機(jī)組供電煤耗率大幅度升高，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性降低。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行診斷、排查，分析查找了供電煤耗率升高原因，制定了針對(duì)性的運(yùn)行調(diào)整、檢修治理和優(yōu)化改造方案，實(shí)施后取得了良好的效果，從而保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：吸收式熱泵；煤耗率；效率

中圖分類(lèi)號(hào)：TK12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

空冷供熱機(jī)組存在2個(gè)影響能耗升高的問(wèn)題：一是汽輪機(jī)抽汽在加熱熱網(wǎng)回水的過(guò)程中存在較大的傳熱溫差，不符合能量梯級(jí)利用的原則，造成較大的不可逆?zhèn)鳠釗p失；二是大量汽輪機(jī)乏汽余熱經(jīng)過(guò)空冷島冷卻排放，造成冷源損失。清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心提出了“吸收式換熱”的概念和“基于吸收式換熱的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術(shù)”。

山西某空冷熱電廠于2010年12月采用吸收式熱泵技術(shù)進(jìn)行了供熱改造，投運(yùn)初期運(yùn)行節(jié)能效果良好，但運(yùn)行6年后供熱季全廠供電煤耗率同比大幅度上升38 g/kW·h以上。針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)診斷分析，查找了煤耗率異常升高的原因，提出了綜合優(yōu)化治理方案。經(jīng)實(shí)施后徹底解決了這一問(wèn)題，保證了機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 電廠機(jī)組供熱系統(tǒng)配置及煤耗率現(xiàn)狀

1.1 電廠機(jī)組供熱系統(tǒng)配置

電廠配置2臺(tái)CKZ135-13.24/535/535/0.245型超高壓、一次中間再熱、單抽、單軸、雙排汽凝汽式直接空冷汽輪機(jī)組。

2010年12月，電廠采用吸收式熱泵技術(shù)進(jìn)行了供熱改造，并對(duì)用戶(hù)二級(jí)站進(jìn)行了配套改造。在廠區(qū)熱網(wǎng)加熱首站安裝兩臺(tái)余熱回收機(jī)組，用每臺(tái)汽輪機(jī)的五段抽汽驅(qū)動(dòng)回收汽輪機(jī)部分排汽（約占低壓缸排汽量的1/3左右）用來(lái)加熱熱網(wǎng)回水，然后進(jìn)入二級(jí)尖峰加熱器，由汽輪機(jī)五段抽汽進(jìn)行二次加熱后通過(guò)熱網(wǎng)循環(huán)水泵輸送到用戶(hù)側(cè)二級(jí)站，加熱器疏水并入機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)；在用戶(hù)側(cè)二級(jí)站根據(jù)需要安裝8臺(tái)吸收式換熱機(jī)組、板式換熱器，經(jīng)換熱后熱網(wǎng)回水進(jìn)入廠區(qū)余熱回收機(jī)組。二級(jí)站吸收式換熱機(jī)組能夠在不改變二次網(wǎng)供回水溫度流量的前提下，降低一次網(wǎng)回水溫度至30 ℃左右，從而實(shí)現(xiàn)了大溫差換熱。單臺(tái)機(jī)組供熱系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 電廠機(jī)組煤耗率現(xiàn)狀分析

2016年11月該電廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)綜合供電煤耗率完成372.92 g/kW·h，比2015年同期升高44.6 g/kW·h，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。

2 原因分析

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行診斷發(fā)現(xiàn)：余熱回收機(jī)組大幅度效率降低，無(wú)法充分回收汽輪機(jī)排汽余熱是供電煤耗率升高的主要原因；汽輪機(jī)組維持較高背壓運(yùn)行，造成低壓缸效率降低是供電煤耗率升高的次要原因。

2.1 余熱回收機(jī)組效率降低后果及原因

2.1.1 造成余熱回收機(jī)組熱量減少、煤耗率升高

2015年、2016年11月，1號(hào)、2號(hào)機(jī)組余熱回收機(jī)組供熱量所占比例分別為53.51 %、31.277 %。2016年比2015年余熱回收機(jī)組供熱量同比降低22.233個(gè)百分點(diǎn)；二級(jí)加熱器系統(tǒng)供熱量比例由46.69 %增加至68.72 %，同比升高22.03個(gè)百分點(diǎn)。綜合考慮回水溫度、熱泵和二級(jí)加熱站系統(tǒng)三方面的影響，1號(hào)、2號(hào)機(jī)組2016年11月供電煤耗同比升高約26.46 g/kW·h。

（1）余熱回收機(jī)組供熱量降低，造成系統(tǒng)吸收汽輪機(jī)排汽量大大減少，增加了汽輪機(jī)冷源損失，導(dǎo)致供電煤耗升高約39.97 g/（kW·h）。根據(jù)2016年11月余熱回收機(jī)組供熱量（計(jì)算值）同比降低92 031 GJ計(jì)算，電廠余熱回收機(jī)組供熱量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)表2。

（2）余熱回收機(jī)組供熱量降低后，導(dǎo)致二級(jí)加熱器五段抽汽量增加，抽汽熱電比升高，抽汽增加影響煤耗率降低約13.51 g/kW·h。

在供熱工況下，熱電比對(duì)供電煤耗率的影響值計(jì)算方法：bgr=kgr1×R1+kgr2×R2，式中bgr為供熱影響值，g/（kW·h）；kgr1、kgr2分別為工業(yè)和采暖抽汽的修正系數(shù)；R1、R2分別為工業(yè)和采暖抽汽的熱電比。根據(jù)電廠抽汽參數(shù)和機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，kgr2取1.4。

2016年11月二級(jí)加熱器供熱量同比增加約70774.298GJ，二級(jí)加熱器熱電比同比升高約9.65 GJ/萬(wàn)kWh，因抽汽供熱量增加使機(jī)組煤耗率降低約13.51 g/kW·h，熱電比變化對(duì)煤耗率影響計(jì)算數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表3。

2.1.2 余熱回收機(jī)組效率偏低原因

2.1.2.1 余熱回收機(jī)組前置換熱器結(jié)垢嚴(yán)重

2015年夏季1號(hào)、2號(hào)機(jī)排汽背壓較高，機(jī)組帶負(fù)荷困難。為降低背壓，將電廠循環(huán)水（轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備冷卻水）引入1號(hào)、2號(hào)余熱回收機(jī)組，用來(lái)冷卻部分低壓缸排汽。由于循環(huán)水水質(zhì)較差，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致1號(hào)、2號(hào)余熱回收機(jī)組前置換熱器結(jié)垢嚴(yán)重，換熱系數(shù)大幅度降低，造成余熱回收機(jī)組效率降低。

2.1.2.2 熱網(wǎng)回水溫度偏高

2016年10月～11月熱網(wǎng)回水溫度比2015年同期偏高5.94 ℃左右，導(dǎo)致余熱回收機(jī)組效率降低。分析原因：一是用戶(hù)二級(jí)站6臺(tái)吸收式換熱機(jī)組故障停用（維護(hù)費(fèi)用較高），被迫切換至板式換熱器運(yùn)行，二級(jí)站熱網(wǎng)系統(tǒng)換熱效果變差；二是二級(jí)站為兼顧部分用戶(hù)供熱效果，采用循環(huán)水高流速運(yùn)行。

2.2 汽輪機(jī)排汽背壓控制偏高，煤耗率升高

為保持1號(hào)、2號(hào)余熱回收機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行及空冷島防凍要求，1號(hào)、2號(hào)汽輪機(jī)維持較高背壓運(yùn)行（21 kPa以上），背壓比正常值偏高約10 kPa，導(dǎo)致低壓缸效率降低，影響供電煤耗升高約12 g/（kW·h）。

3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)及優(yōu)化方案

為驗(yàn)證余熱回收機(jī)組效率降低的原因是煤耗率升高造成的，筆者進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行調(diào)整試驗(yàn)，并制定了針對(duì)性的優(yōu)化方案。

3.1 試驗(yàn)情況及分析

2016年12月14日，進(jìn)行了1號(hào)、2號(hào)機(jī)提高背壓、降低背壓調(diào)整試驗(yàn)。

3.1.1 空冷島風(fēng)機(jī)降速試驗(yàn)

逐漸將1號(hào)、2號(hào)機(jī)空冷島各運(yùn)行風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降至0 rpm，1號(hào)、2號(hào)機(jī)背壓分別上升約9 kPa以上，低壓缸排汽溫度上升10 ℃以上，觀察1號(hào)、2號(hào)機(jī)余熱回收機(jī)組出水溫度無(wú)變化，說(shuō)明余熱回收機(jī)組回收熱量未發(fā)生變化。

3.1.2 空冷島風(fēng)機(jī)升速試驗(yàn)

逐漸提高2號(hào)機(jī)空冷島各運(yùn)行風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)2號(hào)真空泵，2號(hào)機(jī)背壓逐漸降至15 kPa左右，觀察2號(hào)機(jī)余熱回收機(jī)組出水溫度無(wú)變化，說(shuō)明余熱回收機(jī)組回收熱量未發(fā)生變化。

通過(guò)上述試驗(yàn)證明1號(hào)、2號(hào)機(jī)余熱回收機(jī)組目前吸收乏汽能力有限，驗(yàn)證了其效率降低是煤耗率升高的主要原因。

3.2 優(yōu)化方案

鑒于1號(hào)、2號(hào)機(jī)余熱回收機(jī)組換熱效率明顯降低，采取以下優(yōu)化方案，降低機(jī)組供電煤耗率。

3.2.1 運(yùn)行優(yōu)化方案

1號(hào)、2號(hào)機(jī)在保證空冷島不結(jié)凍的前提下，應(yīng)提高各變頻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，降低凝汽器背壓至經(jīng)濟(jì)背壓運(yùn)行，提高汽輪機(jī)低壓缸效率。

3.2.2 檢修治理方案

檢查運(yùn)行中將1號(hào)、2號(hào)機(jī)余熱回收機(jī)組能否與供熱系統(tǒng)隔離，隔離后對(duì)系統(tǒng)冷卻管道進(jìn)行機(jī)械疏通后再進(jìn)行酸洗處理；如果不能隔離，應(yīng)在供熱季結(jié)束后進(jìn)行檢修。

3.2.3 技術(shù)改造方案

利用機(jī)組大修機(jī)會(huì)，將1號(hào)、2號(hào)機(jī)改造為高背壓循環(huán)水供熱。高背壓供熱就是提高汽輪機(jī)的排汽壓力運(yùn)行以提高汽輪機(jī)的排汽溫度，利用汽輪機(jī)排汽加熱供熱循環(huán)水實(shí)現(xiàn)對(duì)外供熱?？绽錂C(jī)組由于夏季運(yùn)行背壓高，進(jìn)行高背壓供熱改造要簡(jiǎn)單得多，由于本身汽輪機(jī)排汽面積小，葉片短，一般可以適應(yīng)背壓在35 kPa長(zhǎng)期運(yùn)行。因此進(jìn)行改造時(shí)，只需加裝一個(gè)換熱器，低壓轉(zhuǎn)子不必進(jìn)行更換。但低壓缸末級(jí)葉片如果經(jīng)常處于小流量、高背壓、小容積、大負(fù)沖角工況下，汽流會(huì)對(duì)葉片產(chǎn)生一種強(qiáng)大的擾動(dòng)力，使葉片產(chǎn)生非共振強(qiáng)迫振動(dòng)，產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力會(huì)大幅上升。當(dāng)相對(duì)容積流量減小到0.25～0.15左右時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)峰值，該峰值產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力比正常運(yùn)行大5～10倍，造成末級(jí)葉片振動(dòng)增大，嚴(yán)重的可導(dǎo)致末級(jí)葉片斷裂，因此建議配套低壓缸末級(jí)進(jìn)汽容積流量監(jiān)控軟件。

進(jìn)行高背壓供熱改造后，運(yùn)行中保留部分空冷島防凍蒸汽，其他90 %以上的乏汽余熱全部回收，供電煤耗率預(yù)計(jì)降至200 g/kW·h以下，經(jīng)濟(jì)性大大提高。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某空冷電廠采用吸收式熱泵技術(shù)供熱改造機(jī)組運(yùn)行煤耗率異常升高進(jìn)行分析，能夠得到如下結(jié)論：

（1）采用吸收式熱泵技術(shù)供熱機(jī)組，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)電廠側(cè)余熱利用機(jī)組及用戶(hù)側(cè)吸收式換熱機(jī)組的維護(hù)工作，保證換熱效率。

（2）空冷機(jī)組采用吸收式熱泵技術(shù)供熱改造，由于要兼顧抽取乏汽量和防凍，排汽背壓維持較高，降低機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

（3）直接空冷機(jī)組進(jìn)行高背壓循環(huán)水供熱改造，回收乏汽量大，系統(tǒng)簡(jiǎn)單且改造維護(hù)費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)性更好，但應(yīng)配套低壓缸末級(jí)進(jìn)汽容積流量監(jiān)控軟件。

參考文獻(xiàn)

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