熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱抽汽余壓利用節(jié)能機(jī)理

王立功，許繼東，徐 鋼，陳 衡

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熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱抽汽余壓利用節(jié)能機(jī)理

王立功1，許繼東2，徐 鋼2，陳 衡2

（1.神華神東電力有限責(zé)任公司新疆米東熱電廠，新疆 烏魯木齊 830019；2.華北電力大學(xué)國(guó)家火力發(fā)電工程技術(shù)研究中心，北京 102206）

隨環(huán)境溫度上升和建筑能效的提高，一次網(wǎng)供水溫度從120~140 ℃降低到80~100 ℃，而常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱抽汽壓力一般為0.3~0.5 MPa，遠(yuǎn)高于熱網(wǎng)加熱器所需飽和蒸汽壓力（0.07~0.14 MPa），換熱過程存在較大?損，導(dǎo)致機(jī)組整體能效偏低。本文針對(duì)一種余壓利用熱網(wǎng)水加熱系統(tǒng)，即供熱抽汽先經(jīng)過余壓利用透平做功發(fā)電，再進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器加熱熱網(wǎng)水，以某300 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為研究對(duì)象，對(duì)余壓利用熱網(wǎng)水加熱系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析。結(jié)果表明：在基準(zhǔn)供熱工況下，與常規(guī)熱網(wǎng)水加熱系統(tǒng)相比，余壓利用熱網(wǎng)水加熱系統(tǒng)的?效率增加了16.9百分點(diǎn)，促使機(jī)組的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率降低19.12 g/(kW·h)，熱電聯(lián)產(chǎn)熱效率提高了2.42百分點(diǎn)，節(jié)能效益顯著。

熱電聯(lián)產(chǎn)；節(jié)能機(jī)理；梯級(jí)利用；抽汽余壓；敏感性分析；供熱

熱電聯(lián)產(chǎn)先利用高品質(zhì)蒸汽做功發(fā)電，之后將部分較低品質(zhì)的蒸汽用于供熱，實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用。在我國(guó)，典型燃煤機(jī)組的效率約為40%，而熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的總效率可高達(dá)60%~80%[1]。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組不僅能為建筑采暖提供熱網(wǎng)水加熱用汽，也可為石油、化工、輕紡、橡膠、冶金等行業(yè)提供工業(yè)用汽。由于熱電聯(lián)產(chǎn)具有能源利用率高、綜合污染物排放少等優(yōu)點(diǎn)[2]，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[3-5]。截至2016年年底，我國(guó)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的裝機(jī)容量已超過3億kW，約占火電總?cè)萘康?0％[6]；2017年，我國(guó)新核準(zhǔn)燃煤機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)容量近2 000萬(wàn)kW，同時(shí)各地還有大批有條件的純凝機(jī)組正在進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)改造。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的節(jié)能效果對(duì)于我國(guó)節(jié)能減排戰(zhàn)略意義重大。

雖然熱電聯(lián)產(chǎn)本身就是一種重要的節(jié)能技術(shù)，但是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中存在余壓余熱利用不充分等問題，有待進(jìn)行進(jìn)一步節(jié)能優(yōu)化。挖掘熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組節(jié)能潛力，提高其能源利用效率，也是我國(guó)節(jié)能減排的重要發(fā)展方向之一[7-8]。常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱方式為抽汽加熱一次網(wǎng)水[9]，即從汽輪機(jī)中、低壓缸連通管抽取蒸汽加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，供熱抽汽壓力為0.3~0.5 MPa，飽和溫度為134~152 ℃。我國(guó)一次網(wǎng)供水設(shè)計(jì)溫度一般為120~130 ℃[10]。根據(jù)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，熱網(wǎng)加熱器上端差通常保持在10 ℃左右[11]。隨著氣候變暖和建筑節(jié)能技術(shù)的推廣，我國(guó)大部分地區(qū)一次網(wǎng)供水實(shí)際溫度僅為80~ 100 ℃[12-13]，則熱網(wǎng)加熱器所需蒸汽的飽和壓力為0.07~0.14 MPa，與供熱抽汽的壓力不匹配，在加熱過程中存在較大換熱?損，造成抽汽能量利用不充分，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱效率也隨之偏低。

針對(duì)供熱抽汽壓力過高導(dǎo)致?lián)Q熱?損偏大的問題，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。戈志華等[14]提出增加背壓機(jī)，將較高壓力的抽汽先做功發(fā)電后再進(jìn)行供熱的改造模式，并進(jìn)行了理論計(jì)算和綜合經(jīng)濟(jì)效益分析，其側(cè)重于對(duì)單機(jī)型和雙機(jī)型進(jìn)行改造方案后的經(jīng)濟(jì)性分析。張穎等[15]則提出了具體的應(yīng)用方案，利用增設(shè)小汽輪機(jī)發(fā)電補(bǔ)償廠用電或者驅(qū)動(dòng)熱網(wǎng)循環(huán)水泵，并對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較。趙世飛等[16]提出了提出一種新型的增設(shè)無(wú)再熱汽輪機(jī)的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，蒸汽在高壓缸做功后，部分蒸汽不進(jìn)入鍋爐再熱器，直接進(jìn)入增設(shè)的汽輪機(jī)膨脹做功，達(dá)到設(shè)計(jì)的供熱抽汽參數(shù)時(shí)排出進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器。供熱抽汽余壓利用的節(jié)能效果顯著，在工程應(yīng)用方面已有電廠進(jìn)行了相關(guān)改造，證明了該技術(shù)的可實(shí)施性。2016年，秦皇島秦?zé)岚l(fā)電有限責(zé)任公司6號(hào)機(jī)組供熱汽輪機(jī)示范投產(chǎn)，全廠年平均廠用電率降低2.1百分點(diǎn)；2017年，河北建投宣化熱電有限責(zé)任公司和衡水恒興發(fā)電有限責(zé)任公司余壓改造項(xiàng)目相繼投產(chǎn)，全廠年平均廠用電率分別降低0.71百分點(diǎn)和0.56百分點(diǎn)。

目前，熱電聯(lián)產(chǎn)供熱抽汽余壓利用的研究及改造大都側(cè)重于改造方案的提出和熱經(jīng)濟(jì)性的分析，而其節(jié)能機(jī)理有待進(jìn)一步探索。為此，本文以中國(guó)西北地區(qū)某亞臨界300 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為案例，基于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，詳細(xì)分析供熱抽汽余壓利用改造的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱力學(xué)性能及節(jié)能效益，探究熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱抽汽余壓利用技術(shù)節(jié)能機(jī)理。

1 案例機(jī)組介紹

案例機(jī)組系統(tǒng)示意如圖1所示。案例機(jī)組的汽輪機(jī)為一次中間再熱、雙缸雙排汽、直接空冷式，回?zé)嵯到y(tǒng)包括3個(gè)高壓加熱器、3個(gè)低壓加熱器和1個(gè)除氧器。該機(jī)組采用常規(guī)抽汽加熱系統(tǒng)，供熱抽汽從中、低壓連通管抽出后，直接進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器加熱一次網(wǎng)循環(huán)水。另外，在中、低壓缸連通管上設(shè)有調(diào)節(jié)閥（LV閥），將中壓缸排汽壓力保持在0.4 MPa以上，以保證中壓缸末級(jí)葉片的安全性。

圖1 案例機(jī)組系統(tǒng)示意

該機(jī)組一次網(wǎng)供、回水設(shè)計(jì)溫度分別為130 ℃和70 ℃。由于氣候變暖和節(jié)能建筑的應(yīng)用，近年來供、回水溫度有所下降。根據(jù)該機(jī)組近5年的實(shí)際供熱運(yùn)行數(shù)據(jù)，本文選取最典型的88 ℃和50 ℃作為基準(zhǔn)工況的供、回水溫度。

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，熱網(wǎng)加熱器的上端差通常為10 ℃左右，以確保熱網(wǎng)加熱器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[16]。案例機(jī)組為了保證中壓缸末級(jí)葉片安全性，中壓缸排汽壓力應(yīng)維持在0.4 MPa及以上，且在供熱給水溫度較低時(shí)熱網(wǎng)加熱器內(nèi)部只能維持微負(fù)壓，為0.088 MPa。由此，實(shí)際情況中，不同供水溫度下供熱抽汽壓力與熱網(wǎng)加熱器所需蒸汽壓力的壓力差與供水溫度的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可以看出，在供水溫度低于86 ℃時(shí)，壓力差達(dá)到最大，為0.312 MPa?？梢姡Ｒ?guī)抽汽熱網(wǎng)水加熱系統(tǒng)仍存在著較大的節(jié)能優(yōu)化空間。

圖2 供熱抽汽壓力差與供水溫度的關(guān)系曲線

2 余壓利用加熱系統(tǒng)

為充分利用供熱抽汽過剩壓力，減小換熱過程?損，提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組效率，本文針對(duì)案例機(jī)組，在供熱抽汽管道中增設(shè)余壓透平。應(yīng)用新型熱網(wǎng)水加熱系統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組示意如圖3所示。

圖3 應(yīng)用新型熱網(wǎng)水加熱系統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組示意

抽取的加熱蒸汽（壓力為0.4 MPa以上）首先進(jìn)入余壓利用透平膨脹做功，推動(dòng)小發(fā)電機(jī)發(fā)電，膨脹后蒸汽壓力降低至約0.1 MPa或更低，然后蒸汽再進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器將熱網(wǎng)水加熱至所需溫度。新型熱網(wǎng)水加熱系統(tǒng)基于余壓利用發(fā)電系統(tǒng)回收供熱蒸汽余壓并轉(zhuǎn)化為電能，所發(fā)的電可直接接入廠用電系統(tǒng)。

3 模擬結(jié)果與討論

利用Ebsilon軟件搭建熱力系統(tǒng)模型。其中鍋爐選擇Steam_generator元件，汽輪機(jī)選擇Turbine元件，凝汽器選擇Condenser元件等進(jìn)行連接。利用模型對(duì)案例機(jī)組各個(gè)平衡圖設(shè)計(jì)工況進(jìn)行模擬，模擬驗(yàn)證結(jié)果見表1。由表1可見，計(jì)算相對(duì)誤差在0.54%以內(nèi)，證明所搭模型計(jì)算準(zhǔn)確性較好。

表1 軟件模擬計(jì)算驗(yàn)證

Tab.1 Verification of the software simulation

3.1 整體性能分析

以案例機(jī)組為研究對(duì)象，分別對(duì)常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和應(yīng)用新型熱網(wǎng)水加熱系統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)行模擬計(jì)算和性能評(píng)估，結(jié)果見表2。

表2 常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與應(yīng)用新型熱網(wǎng)水加熱系統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱力性能參數(shù)

Tab.2 Overall performances of the regular and proposed CHP units

在基準(zhǔn)供熱工況的計(jì)算中，一次網(wǎng)供、回水溫度為88 ℃和50 ℃，余壓利用透平相對(duì)內(nèi)效率設(shè)為75.0%，余壓利用發(fā)電機(jī)效率取為92.0%。由表2可見，由于增設(shè)了余壓發(fā)電裝置，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供電熱效率從49.86%上升到54.05%，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率下降了19.12 g/(kW·h)，熱電聯(lián)產(chǎn)熱效率提高了2.42百分點(diǎn)。

圖4為常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與應(yīng)用新型熱網(wǎng)水加熱系統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組各級(jí)抽汽流量的對(duì)比情況。由圖4可知，在余壓利用系統(tǒng)應(yīng)用之后，供熱抽汽在余壓利用透平膨脹做功后參數(shù)下降，于是在相同供熱負(fù)荷下，供熱抽汽流量增加了32.2 t/h，進(jìn)而 導(dǎo)致低壓缸進(jìn)汽流量下降，致使主發(fā)電機(jī)功率減小了5.9 MW，但是余壓利用系統(tǒng)增加發(fā)電出力22.7 MW，將余壓利用系統(tǒng)發(fā)電量補(bǔ)償廠用電后，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的總供電功率提高了17.4 MW，故新型熱網(wǎng)水加熱系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能效果。

圖4 應(yīng)用新型熱網(wǎng)水加熱系統(tǒng)引起的各級(jí)抽汽流量變化

3.2 節(jié)能機(jī)理

為了進(jìn)一步揭示新型余壓利用熱網(wǎng)水加熱系統(tǒng)的節(jié)能機(jī)理，基于熱力學(xué)第一定律、第二定律，繪制的常規(guī)熱網(wǎng)水加熱系統(tǒng)與新型余壓利用熱網(wǎng)水加熱系統(tǒng)在供熱抽汽加熱過程中的能流圖和?流圖如圖5、圖6所示。

圖5表明，由于余壓利用發(fā)電裝置的損耗，新型加熱系統(tǒng)中有效利用熱量的比例從92.3%下降至91.7%（發(fā)電：6.9%；供熱：84.8%），加熱過程的能量利用率減小了0.6百分點(diǎn)。

雖然加熱過程的能量利用率降低，但是從圖6可以看出，新型加熱系統(tǒng)中余壓利用裝置將抽汽余壓轉(zhuǎn)為22.7 MW電能并輸出，并且隨著蒸汽壓力的降低，加熱過程的?損失比例從38.1%下降至21.6%，使加熱過程的?效率從61.04%升高至77.94%，提高了16.9百分點(diǎn)。

圖7為熱網(wǎng)水加熱過程的圖像?示意。在新型加熱系統(tǒng)中，由于供熱抽汽在余壓利用透平中膨脹做功后參數(shù)下降，蒸汽的壓力從0.4 MPa下降至0.09 MPa，相應(yīng)的飽和溫度從144 ℃降低至98 ℃，蒸汽的卡諾因子減小了0.08，使換熱過程的?損明顯降低，與常規(guī)加熱系統(tǒng)相比，余壓利用加熱系統(tǒng)的換熱?損降低了21.9 MW。因此，余壓利用加熱系統(tǒng)中抽汽的能量利用更加合理，可明顯提高加熱過程的?效率。

圖7 常規(guī)加熱系統(tǒng)與新型加熱系統(tǒng)的加熱過程圖像?分析

Fig.7 Graphical exergy analysis of the heating processes in regular and improved systems

因此，由于增設(shè)余壓發(fā)電裝置，可以回收利用抽汽的過剩壓力，實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，提高加熱過程的?效率，進(jìn)而使熱電聯(lián)機(jī)組的供電熱效率升高4.19百分點(diǎn)，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率下降19.12 g/(kW·h)，熱電聯(lián)產(chǎn)熱效率提高2.42百分點(diǎn)。

3.3 敏感性分析

在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中，對(duì)外供電負(fù)荷、供熱負(fù)荷、中壓缸排汽壓力處于變動(dòng)中，機(jī)組的熱力性能也隨之發(fā)生改變。由于案例機(jī)組增設(shè)了LV閥控制中壓缸排汽壓力，在分析的工況中，其中壓缸排汽壓力都保持在0.4 MPa，機(jī)組余壓利用范圍穩(wěn)定。因此，本文針對(duì)供電負(fù)荷、供熱負(fù)荷2項(xiàng)參數(shù)對(duì)優(yōu)化前后熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組性能的影響進(jìn)行分析。

圖8為定供熱功率為280 MW時(shí)，常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和余壓利用熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組隨機(jī)組供電負(fù)荷變化的熱力性能特性。由圖8可以看出，隨著機(jī)組供電負(fù)荷的增加，2種熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率均上升，但供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率差值隨機(jī)組對(duì)外供電負(fù)荷的增加而減少，這說明隨著機(jī)組供電負(fù)荷增大，余壓利用系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)變小。

圖8 機(jī)組供電負(fù)荷對(duì)常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與余壓利用熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的影響

圖9為定供電負(fù)荷230 MW時(shí)，常規(guī)機(jī)組和余壓利用機(jī)組供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率隨供熱負(fù)荷的變化。

圖9 供熱負(fù)荷對(duì)常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和余壓利用熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的影響

由圖9可以看出：當(dāng)供熱負(fù)荷增加時(shí)，2種機(jī)組的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率均呈下降趨勢(shì)；與此同時(shí)，余壓利用系統(tǒng)的節(jié)能效果隨供熱負(fù)荷的升高變得更加顯著；當(dāng)供熱負(fù)荷從150 MW增大至300 MW時(shí)，2種機(jī)組的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率差值從11.82 g/(kW·h)增加至23.15 g/(kW·h)。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)常規(guī)熱網(wǎng)水加熱系統(tǒng)在供熱抽汽加熱過程存在?損過大、抽汽能量利用不充分的問題，提出基于余壓利用的熱網(wǎng)水加熱系統(tǒng)，并以某300 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為研究對(duì)象，對(duì)加熱系統(tǒng)的熱力學(xué)性能及節(jié)能機(jī)理進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論。

1）在基準(zhǔn)供熱工況下，由于余壓利用系統(tǒng)的應(yīng)用，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供電功率提高17.4 MW，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率下降19.12 g/(kW·h)，供電熱效率升高4.19百分點(diǎn)，熱電聯(lián)產(chǎn)熱效率上升2.42百分點(diǎn)。

2）與常規(guī)熱網(wǎng)水加熱系統(tǒng)相比，余壓利用熱網(wǎng)水加熱系統(tǒng)的能量利用率下降了0.6百分點(diǎn)，但余壓利用系統(tǒng)將抽汽的過剩壓力轉(zhuǎn)化為電能，使蒸汽的能量利用更加合理，因此加熱過程的?效率提高了16.9百分點(diǎn)。

3）隨著機(jī)組供電負(fù)荷降低、供熱負(fù)荷的升高，余壓利用系統(tǒng)的節(jié)能作用增大，可帶來更大的節(jié)能收益。

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Energy saving mechanism of waste pressure utilization of extraction steam for heating in combined heat and power cogeneration units

WANG Ligong1, XU Jidong2, XU Gang2, CHEN Heng2

(1. Shenhua Shendong Power Co., Ltd., Xinjiang Midong Thermal Power Plant, Urumqi 830019, China;2. National Thermal Power Engineering and Technology Research Center, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

With the increase of ambient temperature and the improvement of building energy efficiency, the supply-water temperature of the first-class heating network has decreased from 120~140 ℃ to 80~100 ℃, while the pressure of the extracted heating steam from the intermediate-pressure cylinder is generally 0.3~0.5 MPa in a conventional combined heat and power (CHP) unit, which is much higher than the needed steam pressure (0.07~0.14 MPa) of the supply-water heater. On account of superfluous steam pressure, a large exergy loss occurs in the heating process, resulting in a low energy efficiency of the unit. A heating system with waste pressure utilization (WPU) was introduced in this paper. The extraction steam firstly flows into the WPU turbine and drives the WPU generator to produce electricity, and then enters the supply-water heater to heat the supply-water. On the basis of a typical 300 MW CHP unit, the thermal performance of the new heating configuration was analyzed and assessed. The results show that, compared with the conventional heating system, the exergy efficiency of the improved heating system increased by 16.9 percentage points, which reduced the unit’s standard coal consumption rate by 19.12 g/(kW·h), and raised the overall efficiency of the unit by 2.42 percentage points. The energy-saving benefits are significant.

cogeneration, energy saving mechanism, cascade utilization, extraction residual pressure, sensitivity analysis, heat supply

TM621

A

10.19666/j.rlfd.201810217

王立功, 許繼東, 徐鋼, 等. 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱抽汽余壓利用節(jié)能機(jī)理[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(5): 8-13. WANG Ligong, XU Jidong, XU Gang, et al. Energy saving mechanism of waste pressure utilization of extraction steam for heating in combined heat and power cogeneration units[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(5): 8-13.

2018-10-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51476053)

National Natural Science Foundation of China (51476053)

王立功(1967—)，男，高級(jí)工程師，主要從事火電廠管理、運(yùn)行與節(jié)能優(yōu)化等工作。

徐鋼(1978—)，男，博士，教授，xgncepu@163.com。

（責(zé)任編輯 劉永強(qiáng)）