利用蒸汽引射器的熱電聯(lián)供系統(tǒng)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性

于洪浩， 李 飛， 徐丁華， 蘇湛航， 趙 建

(1.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 第一設(shè)計(jì)研究院， 天津 300381;2.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 第六設(shè)計(jì)研究院， 天津 300381)

1 概述

本文提出利用蒸汽引射器(以下簡(jiǎn)稱引射器)對(duì)2臺(tái)額定發(fā)電能力660 MW發(fā)電機(jī)組(抽汽凝氣式)進(jìn)行余熱回收供熱改造，通過消耗部分中壓缸抽汽，引射低壓缸排汽，提高低壓缸排汽品位，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱網(wǎng)回水的逐級(jí)升溫。

本文中的壓力均為絕對(duì)壓力，項(xiàng)目所在地為銀川，大氣壓力取89.61 kPa。中壓缸抽汽、引射器出口混合汽為過熱蒸汽，低壓缸排汽、引射器中間蒸汽為飽和蒸汽，凝汽器出口凝結(jié)水、引射器噴水(來自凝汽器)為飽和水。對(duì)于過熱蒸汽，根據(jù)過熱蒸汽溫度、壓力，采用IAPWS-IF97軟件對(duì)其比焓進(jìn)行計(jì)算[1]。對(duì)于飽和蒸汽、飽和水，根據(jù)溫度確定其比焓[2]。雖然引射器出口混合汽為稍過熱蒸汽，但過熱度非常有限，在確定其比焓時(shí)，按飽和蒸汽處理。

2 項(xiàng)目概況

某電廠配置2臺(tái)額定發(fā)電功率660 MW發(fā)電機(jī)組，采用超臨界燃煤鍋爐供蒸汽。發(fā)電機(jī)組額定工況進(jìn)汽參數(shù)為：566 ℃、24.2 MPa、1 918.03 t/h。

供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷(考慮熱網(wǎng)輸配效率)為1 605 MW，設(shè)計(jì)供、回水溫度為125、25 ℃，供熱介質(zhì)設(shè)計(jì)質(zhì)量流量為13 800 t/h，供暖期采用質(zhì)調(diào)節(jié)。供暖室外計(jì)算溫度、平均溫度按GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A確定，供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度取18 ℃，供暖期為151 d，室外溫度的延續(xù)時(shí)間按無因次綜合公式法確定[3]。供暖期室外溫度、延續(xù)時(shí)間、熱負(fù)荷、供水溫度見表1。

表1 供暖期室外溫度、延續(xù)時(shí)間、熱負(fù)荷、供水溫度

續(xù)表1

3 熱電聯(lián)供系統(tǒng)流程

3.1 運(yùn)行策略

熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況的工藝流程見圖1。隨著室外溫度升高，供暖熱負(fù)荷減小，通過減少中壓缸抽汽量降低熱網(wǎng)加熱器輸出熱功率。當(dāng)熱網(wǎng)加熱器完全退出后，根據(jù)實(shí)際供暖熱負(fù)荷調(diào)整引射器本體的電動(dòng)控制閥，調(diào)整引射器自用中壓缸抽汽、低壓缸排汽、噴水質(zhì)量流量，從而調(diào)整引射器前置凝汽器的輸出熱功率。

供暖期，1、2號(hào)前置凝汽器按設(shè)計(jì)熱負(fù)荷運(yùn)行，保持2號(hào)機(jī)組中壓缸設(shè)計(jì)抽汽質(zhì)量流量不變(350 t/h)，通過調(diào)整1號(hào)機(jī)組中壓缸抽汽量調(diào)整熱網(wǎng)加熱器的輸出熱功率。

圖1 熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況的工藝流程

3.2 設(shè)計(jì)工況下的工藝流程

由1、2號(hào)汽輪機(jī)中低壓缸連通管分別抽汽，抽汽參數(shù)均為0.5 MPa、265 ℃。1號(hào)汽輪機(jī)中壓缸抽汽量為753 t/h，2號(hào)汽輪機(jī)中壓缸抽汽量為350 t/h，總抽汽量為1 103 t/h。除324 t/h中壓缸抽汽供引射器使用外，其余779 t/h中壓缸抽汽供熱網(wǎng)加熱器使用。

通過管道將低壓缸排汽從1、2號(hào)凝汽器中引出，分別進(jìn)入1、2號(hào)前置凝汽器(分別設(shè)置于1、2號(hào)凝汽器附近)逐級(jí)加熱熱網(wǎng)回水。1號(hào)機(jī)組低壓缸排汽壓力為7 kPa，排汽量為625 t/h。2號(hào)機(jī)組低壓缸排汽壓力為31 kPa，排汽量為1 114 t/h。1號(hào)機(jī)組部分低壓缸排汽(質(zhì)量流量為170 t/h)進(jìn)入1號(hào)前置凝汽器加熱熱網(wǎng)回水，其余低壓缸排汽(質(zhì)量流量為455 t/h)由1號(hào)凝汽器冷凝。2號(hào)機(jī)組部分低壓缸排汽(質(zhì)量流量為894 t/h)進(jìn)入2號(hào)前置凝汽器加熱熱網(wǎng)回水，其余低壓缸排汽(質(zhì)量流量為220 t/h)進(jìn)入引射器。

引射器自用中壓缸抽汽經(jīng)噴水(來自1號(hào)凝汽器出口凝結(jié)水)降溫后進(jìn)入引射器，引射2號(hào)機(jī)組部分低壓缸排汽后，排出壓力為71.3 kPa的混合汽(質(zhì)量流量為571 t/h)，作為引射器前置凝汽器供汽。

熱網(wǎng)回水分別經(jīng)1號(hào)前置凝汽器、2號(hào)前置凝汽器、引射器前置凝汽器、熱網(wǎng)加熱器，溫度由25 ℃升至125 ℃。

3.3 設(shè)備選型

① 1、2號(hào)前置凝汽器

1、2號(hào)前置凝汽器高溫側(cè)進(jìn)口蒸汽溫度取1、2號(hào)汽輪機(jī)低壓缸排汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，即39.0、69.9 ℃。在設(shè)計(jì)時(shí)，將1號(hào)前置凝汽器低溫側(cè)出口與高溫側(cè)進(jìn)口傳熱端差取7.4 ℃，即1號(hào)前置凝汽器低溫側(cè)出口供熱介質(zhì)溫度為31.6 ℃。將2號(hào)前置凝汽器低溫側(cè)出口與高溫側(cè)進(jìn)口的傳熱端差取3 ℃，即1號(hào)凝汽器低溫側(cè)出口供熱介質(zhì)溫度為66.9 ℃。1、2號(hào)前置凝汽器高溫側(cè)出口凝結(jié)水溫度為飽和溫度39.0、69.9 ℃。

前置凝汽器熱功率Φf的計(jì)算式為：

Φf=qm,L(hL-hw)

(1)

式中Φf——前置凝汽器熱功率，kW

qm,L——進(jìn)入前置凝汽器的低壓缸排汽質(zhì)量流量，kg/s

hL——低壓缸排汽比焓，kJ/kg

hw——前置凝汽器高溫側(cè)出口凝結(jié)水比焓，kJ/kg

1、2號(hào)機(jī)組的低壓缸排汽比焓分別為2 571.8、2 625.9 kJ/kg，1、2號(hào)前置凝汽器高溫側(cè)出口凝結(jié)水比焓分別為163.4、292.4 kJ/kg。將已知參數(shù)代入式(1)，可計(jì)算得到1、2號(hào)前置凝汽器的設(shè)計(jì)熱功率分別為106.1、579.5 MW。

② 引射器

引射器工作原理見圖2。對(duì)于熱電廠，引射器通過少量中壓汽缸抽汽抽引低壓缸排汽，與低壓缸排汽相比，混合后的蒸汽(以下稱為混合汽)品位有所提高。在引射器入口前對(duì)中壓缸抽汽(過熱蒸汽)進(jìn)行噴水(取自1號(hào)前置凝汽器高溫側(cè)出口凝結(jié)水)的作用是為中壓缸抽汽降溫，將中壓缸抽汽處理成稍過熱蒸汽。引射器在工作過程中遵循質(zhì)量守恒、能量守恒，考慮通過引射器的氣體流速較快，近似將引射器的工作過程視為絕熱。

圖2 引射器工作原理

計(jì)算引射器前置凝氣器熱功率的方程組為：

(2)

qm,c=qm,a+qm,b+qm,s

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

qm,a——引射器自用中壓缸抽汽的質(zhì)量流量，kg/s

qm,s——引射器噴水的質(zhì)量流量，kg/s

qm,c——引射器混合汽、引射器前置凝汽器出口凝結(jié)水的質(zhì)量流量，kg/s

qm,b——引射器自用低壓缸排汽的質(zhì)量流量，kg/s

hc——引射器混合汽的比焓，kJ/kg

hb——引射器自用低壓缸排汽比焓，kJ/kg

ha——引射器自用中壓缸抽汽比焓，kJ/kg

hs——引射器噴水的比焓，kJ/kg

μ——引射比

Φ——引射器前置凝氣器的熱功率，kW

引射器前置凝汽器低溫側(cè)供熱介質(zhì)出口溫度設(shè)定為90 ℃，引射器前置凝汽器(采用混合式凝汽器，低溫側(cè)出口與高溫側(cè)進(jìn)口的傳熱端差可實(shí)現(xiàn)0.2～0.5 ℃)低溫側(cè)出口與高溫側(cè)進(jìn)口的傳熱端差取0.5 ℃，可確定引射器前置凝汽器高溫側(cè)進(jìn)口蒸汽飽和溫度為90.5 ℃，對(duì)應(yīng)飽和蒸汽壓力(即引射器混合汽pc)為71.3 kPa。

根據(jù)以上已知參數(shù)，采用式(2)～(7)可計(jì)算得到引射器自用中壓缸抽汽質(zhì)量流量qm,a為324 t/h、引射器自用低壓缸排汽的質(zhì)量流量qm,b為220 t/h，引射器噴水的質(zhì)量流量qm,s為27 t/h，引射器混合汽、引射器前置凝汽器出口凝結(jié)水的質(zhì)量流量qm,c為571 t/h。

③ 熱網(wǎng)加熱器

根據(jù)熱網(wǎng)加熱器低溫側(cè)進(jìn)出口供熱介質(zhì)溫度及質(zhì)量流量，可計(jì)算得到熱網(wǎng)加熱器的設(shè)計(jì)熱功率為562 MW。

4 能耗分析

4.1 供暖期運(yùn)行參數(shù)

供暖期，1、2號(hào)前置凝汽器低壓缸排汽質(zhì)量流量保持170、894 t/h，保持2號(hào)機(jī)組中壓缸抽汽質(zhì)量流量為350 t/h，通過調(diào)整1號(hào)機(jī)組中壓缸抽汽量調(diào)整熱網(wǎng)加熱器的輸出熱功率。

以室外溫度0 ℃為例進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)室外溫度為0 ℃時(shí)，供暖熱負(fù)荷為1 010 MW，1、2號(hào)前置凝汽器的輸出熱功率保持106.1、579.5 MW。由此可計(jì)算得到，引射器前置凝汽器實(shí)際熱負(fù)荷為324.4 MW。此時(shí)，引射器前置凝汽器低溫側(cè)出口供熱介質(zhì)溫度為88 ℃，引射器前置凝汽器低溫側(cè)出口與高溫側(cè)進(jìn)口的傳熱端差仍取0.5 ℃，可確定引射器前置凝汽器高溫側(cè)進(jìn)口蒸汽飽和溫度為88.5 ℃，對(duì)應(yīng)飽和壓力為66.3 kPa。通過查表，可確定引射器引射比為0.72。根據(jù)已知參數(shù)，由式(2)～(7)可計(jì)算得到引射器自用中壓缸抽汽質(zhì)量流量為287 t/h，引射器自用低壓缸抽汽質(zhì)量流量為223 t/h，引射器噴水的質(zhì)量流量為24.1 t/h，引射器混合汽的質(zhì)量流量為534 t/h。此時(shí)，熱網(wǎng)加熱器退出運(yùn)行，引射器用低壓缸抽汽質(zhì)量流量比設(shè)計(jì)工況稍過量影響不大。采用以上方法，對(duì)不同室外溫度條件下的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行計(jì)算(見表2)。表2中tout代表引射器前置凝汽器低溫側(cè)供熱介質(zhì)出水溫度，單位為℃。qm,n代表熱網(wǎng)加熱器自用中壓缸抽汽質(zhì)量流量，單位為t/h。

由表2可知，隨著室外溫度上升，引射器前置凝汽器低溫側(cè)供熱介質(zhì)出水溫度不斷下降，室外溫度大于或等于0 ℃時(shí)，熱網(wǎng)加熱器退出運(yùn)行。由表1、2可計(jì)算得到，供暖期中壓缸總抽汽量為193×104t，供暖期低壓缸總排汽量為456×104t。

續(xù)表2

4.2 供暖期耗煤量

① 總耗煤量

1、2號(hào)機(jī)組供暖期總耗熱量Qsum,h的計(jì)算式為：

(8)

式中Qsum,h——1、2號(hào)機(jī)組供暖期總耗熱量，MJ

ti——第i個(gè)室外溫度的延續(xù)時(shí)間(見表1)，h

Pi,1、Pi,2——第i個(gè)室外溫度下1、2號(hào)機(jī)組發(fā)電功率，MW

qi,1、qi,2——第i個(gè)室外溫度下1、2號(hào)機(jī)組單位發(fā)電量耗熱量，MJ/(MW·h)

抽汽工況下，機(jī)組發(fā)電功率、單位發(fā)電量耗熱量根據(jù)機(jī)組中壓缸抽汽質(zhì)量流量查汽輪機(jī)抽汽工況熱平衡圖(由汽輪機(jī)生產(chǎn)廠家提供)獲得。不同室外溫度下，1、2號(hào)中壓缸抽汽質(zhì)量流量由表2數(shù)據(jù)計(jì)算得到。由表1中各室外溫度延續(xù)時(shí)間及不同中壓缸抽汽質(zhì)量流量對(duì)應(yīng)的機(jī)組發(fā)電功率，可計(jì)算得到供暖期1、2號(hào)機(jī)組總發(fā)電量為47.4×108kW·h。

1、2號(hào)機(jī)組供暖期總耗煤量msum,c的計(jì)算式為：

(9)

式中msum,c——1、2號(hào)機(jī)組供暖期總耗煤量，kg

η1——鍋爐熱效率，取0.92

η2——電廠管道效率，取0.98

QL——標(biāo)準(zhǔn)煤低位發(fā)熱量，MJ/kg，取29.308 MJ/kg

根據(jù)已知參數(shù)，由式(9)可計(jì)算得到供暖期1、2號(hào)機(jī)組總耗煤量為133.56×104t。

② 供熱耗煤量

供暖期供熱耗煤量m的計(jì)算式為：

(10)

式中m——供暖期供熱耗煤量，kg

Qh——供暖期總供熱量，MJ

由表1數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到供暖期總供熱量為1 537×104GJ，進(jìn)而由式(10)計(jì)算得到供暖期供熱耗煤量為58.17×104t。

③ 發(fā)電耗煤量

供暖期發(fā)電耗煤量為總耗煤量與供熱耗煤量的差，可計(jì)算得到供暖期發(fā)電耗煤量為75.39×104t。由供暖期1、2號(hào)機(jī)組總發(fā)電量，可計(jì)算得到供暖期單位發(fā)電量耗煤量為159.1 g/(kW·h)。

4.3 節(jié)煤量

將熱電分供系統(tǒng)作為比較對(duì)象，計(jì)算分析熱電聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)煤量。熱電分供系統(tǒng)采用傳統(tǒng)燃煤鍋爐房供熱，燃煤電廠發(fā)電。

熱電分供系統(tǒng)燃煤鍋爐熱效率按80%計(jì)算，鍋爐房管道效率按0.98計(jì)算，根據(jù)供暖期供熱量可計(jì)算得到熱電分供系統(tǒng)供暖期耗煤量為66.89×104t。熱電分供系統(tǒng)的單位發(fā)電量耗熱量按銘牌工況的8 584.7 kJ/(kW·h)計(jì)算，發(fā)電量仍取熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)電量47.4×108kW·h，可計(jì)算得到熱電分供系統(tǒng)發(fā)電耗煤量為153.99×104t。由以上數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到熱電分供系統(tǒng)供暖期總耗煤量為220.88×104t。最終計(jì)算得到，熱電聯(lián)供項(xiàng)目供暖期節(jié)煤量為87.32×104t。

5 結(jié)輪

結(jié)合工程實(shí)例，提出利用蒸汽引射器對(duì)2臺(tái)額定發(fā)電能力為660 MW的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行余熱回收，采用中壓缸抽汽，引射低壓缸排汽，提高低壓缸排汽品位，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱網(wǎng)回水的梯級(jí)升溫。對(duì)熱電聯(lián)供系統(tǒng)工藝流程、設(shè)備選型進(jìn)行分析。針對(duì)典型供暖期，對(duì)熱電聯(lián)供系統(tǒng)供暖期總耗煤量、供熱耗煤量、發(fā)電耗煤量進(jìn)行測(cè)算。將規(guī)模相當(dāng)?shù)臒犭姺止┫到y(tǒng)(采用傳統(tǒng)燃煤鍋爐房供熱，燃煤電廠發(fā)電)作為比較對(duì)象，測(cè)算熱電聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)煤量，熱電聯(lián)供系統(tǒng)供暖期節(jié)煤量為87.32×104t。