一種用于汽輪機(jī)除氧器的加熱蒸汽梯級利用系統(tǒng)

崔建新

（北京湘環(huán)時代科技有限公司，北京 102300）

0 引言

目前，我國的能源利用率在33%左右，比發(fā)達(dá)國家低10 個百分點，產(chǎn)值耗能比世界平均水平高出兩倍多，導(dǎo)致我國的能源消耗總量大、污染物排放量高，對全球氣候及環(huán)境影響備受國際社會關(guān)注。為實現(xiàn)到2020 年單位GDP 二氧化碳排放比2005 年下降40%～45%的目標(biāo)，我國確定了“十三五”節(jié)能減排指導(dǎo)思想及目標(biāo)?！笆濉惫?jié)能減排總體要求：全面貫徹黨的十八大和十八屆三中、四中、五中、六中全會精神，深入貫徹習(xí)近平總書記系列重要講話精神，認(rèn)真落實黨中央、國務(wù)院決策部署，緊緊圍繞“五位一體”總體布局和“四個全面”戰(zhàn)略布局，牢固樹立創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念，落實節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境基本國策，以提高能源利用效率和改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為目標(biāo)，以推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略為動力，堅持政府主導(dǎo)、企業(yè)主體、市場驅(qū)動、社會參與，加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，確保完成“十三五”節(jié)能減排約束性目標(biāo)，保障人民群眾健康和經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境改善雙贏，為建設(shè)生態(tài)文明提供有力支撐。

“十三五”節(jié)能減排目標(biāo)：到2020 年，全國萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比2015 年下降15%，能源消費(fèi)總量控制在50 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤以內(nèi)；全國化學(xué)需氧量、氨氮、二氧化硫、氮氧化物排放總量分別控制在2001 萬噸、207 萬噸、1580 萬噸、1574 萬噸以內(nèi)，比2015 年分別下降10%、10%、15%和15%；全國揮發(fā)性有機(jī)物排放總量比2015 年下降10%以上。

1 除氧器概述

除氧器是發(fā)電廠、熱電聯(lián)產(chǎn)工程及余熱利用工廠的主要設(shè)備之一，其中熱力除氧器的主要功能是利用利用亨利或道爾頓定律將溶解在水中的氧器離析出來，達(dá)到除去水中氧氣的效果。熱力除氧器的加熱蒸汽來自汽輪機(jī)的抽汽、排汽，或從鍋爐引來的蒸汽（加熱介質(zhì)）來加熱凝結(jié)水、補(bǔ)充水[1]。按壓力大小，熱力除氧可以分為高壓式、中壓式、大氣式和真空式：高壓除氧器工作壓力為0.618 MPa（對應(yīng)出水溫度160 ℃），適用于進(jìn)水溫度高于150 ℃的高壓鍋爐，而中壓除氧器、大氣式除氧器和真空式除氧器的工作壓力分別為0.3～0.4 MPa（對應(yīng)出水溫度133～143 ℃）、0.118 MPa（對應(yīng)水溫104 ℃）和0.06～0.09 MPa（除氧器內(nèi)壓力）。

由于背壓汽輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)工程中，外供蒸汽無法回收，因此系統(tǒng)中需要向除氧器補(bǔ)充大量的除鹽水。

2 某廠采用除氧器加熱蒸汽梯級利用系統(tǒng)分析

2.1 某廠運(yùn)行中存在的問題

山西某熱電廠的除氧器加熱蒸汽運(yùn)行工況偏離設(shè)計值，背壓機(jī)組外供蒸汽不回收，除氧器的補(bǔ)水率為100%補(bǔ)水，供汽量不足、壓力偏低，將除氧器除氧之后的給水溫度提高到158 ℃極為困難[2]。其次，由于電廠采用的是背壓式汽輪機(jī)，除鹽水補(bǔ)充水溫度較低（一般為25～30 ℃），除氧器出水溫度較高，因此除鹽水在除氧器中的換熱溫差較大，造成除氧器加熱蒸汽的能源浪費(fèi)。

2.2 采用除氧器加熱蒸汽梯級利用系統(tǒng)分析

由于背壓汽輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)工程中外供蒸汽無法回收，因此系統(tǒng)需要向除氧器補(bǔ)充大量的除鹽水。除鹽水補(bǔ)充水溫度較低（一般為25～30 ℃），除氧器出水溫度較高，高壓除氧器工作壓力為0.618 MPa，適用于進(jìn)水溫度高于150 ℃的高壓鍋爐，中壓除氧器工作壓力為0.3～0.4 MPa，除鹽水補(bǔ)充水溫升較高，所需要的除氧器加熱蒸汽參數(shù)較高，浪費(fèi)能源。本系統(tǒng)可以充分利用原除氧器加熱蒸汽的汽化潛熱來做功、發(fā)電，由于增加了前置大氣除氧器，首先將除鹽水的溫度從30 ℃升高到104 ℃，提高中壓/高壓除氧器的補(bǔ)水溫度，降低了除氧器的加熱蒸汽量，從而增加主機(jī)的發(fā)電量。其次，由于采用前置除氧器及功熱汽輪機(jī)，對除鹽水補(bǔ)充水的除氧更加充分，同時也彌補(bǔ)了熱電廠廠用電較高的缺點。

本系統(tǒng)是在原有除氧器的補(bǔ)充水系統(tǒng)上，增加前置大氣除氧器及功熱汽輪機(jī)，利用原除氧器和新增的前置大氣除氧器之間的加熱蒸汽壓差來進(jìn)行發(fā)電，因此本系統(tǒng)包括新增大氣除氧器、功熱汽輪發(fā)電機(jī)、前置大氣除氧器凝結(jié)水泵。

（1）蒸汽系統(tǒng)。功熱汽輪發(fā)電機(jī)的進(jìn)汽取自原中壓/高壓除氧器加熱蒸汽管道，經(jīng)汽輪機(jī)電動主汽門、自動主汽門及調(diào)速汽門進(jìn)入功熱汽輪機(jī)，汽輪機(jī)排汽排至新增大氣除氧器。

（2）補(bǔ)水系統(tǒng)。本系統(tǒng)新增的前置大氣除氧器與原系統(tǒng)除氧器采用串聯(lián)加熱補(bǔ)水系統(tǒng)。前置大氣除氧器的補(bǔ)水引自原系統(tǒng)除氧器除鹽水補(bǔ)充水進(jìn)水母管，并在補(bǔ)水管道上加裝調(diào)節(jié)閥組。

（3）凝結(jié)水系統(tǒng)。本系統(tǒng)的前置大氣除氧器凝結(jié)水經(jīng)過凝結(jié)水泵加壓后，送至原系統(tǒng)除氧器除鹽水母管靠除氧器側(cè)。在前置大氣除氧器和原系統(tǒng)除氧器除鹽水補(bǔ)充水管道上加裝有旁路，保障本系統(tǒng)與原系統(tǒng)可切換運(yùn)行以及系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性。前置大氣除氧器凝結(jié)水泵出口設(shè)置有凝結(jié)水再循環(huán)管路，以滿足低負(fù)荷運(yùn)行時調(diào)節(jié)原除氧器水位的需求。

3 本系統(tǒng)適用的領(lǐng)域及運(yùn)行說明

3.1 與原系統(tǒng)的對比

（1）除氧器加熱蒸汽梯級利用系統(tǒng)增加了前置大氣除氧器加熱除鹽水補(bǔ)充水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、功熱汽輪機(jī)同步或異步發(fā)電系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)較原系統(tǒng)復(fù)雜，占地面積大，投資高。

（2）除氧器加熱蒸汽梯級利用系統(tǒng)充分利用原除氧器加熱蒸汽的汽化潛熱在功熱汽輪發(fā)電機(jī)做功發(fā)電降低原有電廠或余熱利用工廠的廠用電率，增加了企業(yè)的利潤。對除鹽水補(bǔ)充水進(jìn)行更有效的熱力除氧，減少管道的維修費(fèi)用。

3.2 適用領(lǐng)域

由于本系統(tǒng)新增前置大氣除氧器（工作壓力0.118 MPa，對應(yīng)出水溫度104 ℃），并利用原除氧器與新增前置大氣除氧器的壓差來發(fā)電，因此本系統(tǒng)適用在采用中壓除氧器或高壓除氧器的熱電廠中。本系統(tǒng)中功熱汽輪機(jī)的發(fā)電，可以通過升壓變壓器送到高壓電網(wǎng)、與國家電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)同步運(yùn)行，也可以直接并入到廠用高壓母線進(jìn)行孤網(wǎng)運(yùn)行。因此，功熱汽輪機(jī)可以配置同步發(fā)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)。本系統(tǒng)適用的領(lǐng)域除背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)自備電廠之外，還有余熱利用向外供蒸汽的鋼廠、水泥廠、石化企業(yè)、焦化廠等工業(yè)余熱利用單位。

3.3 運(yùn)行說明

本系統(tǒng)中除鹽水補(bǔ)充水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)及加熱蒸汽系統(tǒng)上分別設(shè)置流量測量裝置。系統(tǒng)投入運(yùn)行時，根據(jù)除鹽水補(bǔ)充水量及水溫調(diào)節(jié)前置大氣除氧器的加熱蒸汽流量，即調(diào)節(jié)功熱汽輪機(jī)的進(jìn)汽調(diào)節(jié)汽門，來保證汽輪機(jī)排汽流量滿足大氣除氧器的加熱蒸汽流量。當(dāng)功熱汽輪機(jī)故障或檢修時，關(guān)閉功熱汽輪機(jī)進(jìn)出口蒸汽隔離閥，及前置大氣除氧器除鹽水進(jìn)口電動閥及調(diào)節(jié)閥和凝結(jié)水至原除氧器隔離閥，開啟除鹽水補(bǔ)充水旁路隔離閥，保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

（1）主機(jī)增加的發(fā)電利潤。經(jīng)過對低壓除氧器熱平衡（未考慮全廠汽水損失的補(bǔ)水）計算得出低壓除氧器的進(jìn)汽量為49 t/h，經(jīng)過低壓除氧器加熱的補(bǔ)水溫度提升至104 ℃之后進(jìn)入到中壓除氧器，此時，中壓除氧器所需的加熱蒸汽量為7.4 t/h，主機(jī)的抽汽較原來增加6.2 t/h。根據(jù)平衡圖汽輪機(jī)額定工況下的汽耗為10.38 kg/（kW·h），因此，增加的蒸汽在主機(jī)內(nèi)增加發(fā)電量為597.3 kW。上網(wǎng)電價按0.375 元/（kW·h）（含稅）計算，則主機(jī)增加的發(fā)電利潤為163.3 萬元。

（2）鍋爐增加的煤耗費(fèi)用。增加的這部分蒸汽所需鍋爐的煤耗為0.903 t/h，則全年增加耗煤量為6582.87 t。標(biāo)煤價格按600 元/t 計算，則增加煤耗費(fèi)用為394.972 2 萬元。

（3）功熱汽輪機(jī)的發(fā)電利潤。功熱汽輪機(jī)的綜合發(fā)電功率為3750 kW，主機(jī)利用小時數(shù)按照7290 h 計算，功熱汽輪機(jī)的全年發(fā)電量為27 337 500 kW·h。購電電價按照0.52 元/（kW·h）（含稅）計算，則功熱汽輪機(jī)增加的發(fā)電利潤為1421.55 萬元。

綜上所述，采用除氧器加熱蒸汽梯級利用系統(tǒng)所增加的全年收益為1189.877 8 萬元。

5 結(jié)束語

節(jié)約資源是我國的基本國策。國家實施節(jié)約與開發(fā)并舉、把節(jié)約放在首位的能源發(fā)展戰(zhàn)略，鼓勵工業(yè)企業(yè)采用熱電聯(lián)產(chǎn)、余熱余壓利用等先進(jìn)的用能監(jiān)測和控制等技術(shù)。本系統(tǒng)體現(xiàn)了高壓或中壓除氧器加熱蒸汽的汽化潛熱利用的節(jié)能技術(shù)思路，符合能源節(jié)約與資源綜合利用技術(shù)范疇，采用除氧器加熱蒸汽梯級利用系統(tǒng)，不僅能節(jié)約能源并且可以節(jié)省工程的投資費(fèi)用。

綜上所述，隨著國家對節(jié)能環(huán)保的大力提倡，本系統(tǒng)在熱電聯(lián)產(chǎn)電廠、鋼廠、水泥廠、石化企業(yè)、焦化廠等工業(yè)余熱利用單位的節(jié)能領(lǐng)域會有很大的發(fā)展空間，將帶來更高的效益和能源綜合利用率。