除氧器排氣余熱回收系統(tǒng)節(jié)能效益分析

谷永輝，張繼武，郭卓群，王庚峰

(華能吉林發(fā)電有限公司農(nóng)安生物質(zhì)發(fā)電廠，吉林 農(nóng)安 130200)

近年來(lái)，隨著國(guó)家環(huán)境保護(hù)排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，節(jié)能減排工作越來(lái)越引起各級(jí)政府和相關(guān)企業(yè)的高度重視。發(fā)電廠作為能源轉(zhuǎn)換的一個(gè)至關(guān)重要環(huán)節(jié)，開(kāi)展節(jié)能減排工作十分必要。在全國(guó)大力推行節(jié)能減排的形勢(shì)下，生物質(zhì)電廠的節(jié)能減排也引起了一些行業(yè)內(nèi)人士的高度重視。結(jié)合華能農(nóng)安生物質(zhì)發(fā)電廠原有各系統(tǒng)的實(shí)際情況，并參照國(guó)內(nèi)一些燃煤發(fā)電廠節(jié)能改造經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)充分研究和科學(xué)論證，確定對(duì)原有系統(tǒng)中的除氧器進(jìn)行有效利用，這不僅可以回收熱能，減少燃料消耗，同時(shí)還可以回收排放蒸汽的凝結(jié)水，減少除鹽水消耗，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目的[1]。

1 現(xiàn)有生物質(zhì)電廠概況

華能農(nóng)安生物質(zhì)發(fā)電廠一期工程始建于2007年7月，于2012年1月建成投產(chǎn)。一期工程裝設(shè)了1臺(tái)130 t/h高溫高壓水冷振動(dòng)爐排生物質(zhì)自然循環(huán)鍋爐，供貨商是北京隆基公司；配1臺(tái)青島捷能汽輪機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的C25-8.83/0.49型抽凝式汽輪機(jī)；發(fā)電機(jī)是濟(jì)南發(fā)電設(shè)備廠生產(chǎn)的QF-30-2型空冷發(fā)電機(jī)；除氧器是青島青力鍋爐輔機(jī)有限公司生產(chǎn)的GCM-150/50高壓(0.588 MPa)定壓運(yùn)行除氧器。

生物質(zhì)發(fā)電廠自建成投產(chǎn)后，由于是單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，沒(méi)有承擔(dān)對(duì)外供熱負(fù)荷，致使機(jī)組的發(fā)電出力受到限制[2]。為了提升機(jī)組的發(fā)電出力，從而提高電廠運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性，2015年12月對(duì)配套系統(tǒng)進(jìn)行了改造，改造后的汽輪發(fā)電機(jī)組額定出力可以達(dá)到30 MW，2017年全年發(fā)電量達(dá)到了2.17億kWh，2018年和2019年全年發(fā)電量均達(dá)到了2.2億kWh以上，機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)達(dá)到7000 h以上。

在原有除氧器排氣系統(tǒng)中，除氧器排氣管道上只裝設(shè)了一道手動(dòng)截止閥，截止閥后通過(guò)管道直接排入大氣，現(xiàn)場(chǎng)施工也是按照設(shè)計(jì)進(jìn)行施工。實(shí)際運(yùn)行中由于機(jī)組負(fù)荷變化，排氣量也發(fā)生變化，手動(dòng)截止閥無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整排汽量[3]。為此，2015年在除氧器排氣管道上的手動(dòng)截止閥之后加裝一道電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而解決了運(yùn)行中的自動(dòng)調(diào)整排氣量問(wèn)題，裝設(shè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥后仍然是通過(guò)管道直接排入大氣。

2 增設(shè)余熱回收系統(tǒng)的必要性

在生物質(zhì)電廠實(shí)際運(yùn)行中，除氧器是伴隨機(jī)組運(yùn)行而連續(xù)運(yùn)行的設(shè)備，在除氧器對(duì)空排氣中，排放少量不凝結(jié)氣體的同時(shí)，還攜帶排放了大量蒸汽。

按照生物質(zhì)電廠除氧器的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)和排汽管道規(guī)格進(jìn)行初步估算，除氧器對(duì)空排氣所排放的蒸汽流量為2 t/h。按照每年機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)7000 h計(jì)算，每年除氧器對(duì)空排氣所排放的蒸汽量為14 000 t，其對(duì)應(yīng)的熱損失為36 499.96 GJ。

為了進(jìn)一步提高生物質(zhì)電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，利用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有成熟技術(shù)，將生物質(zhì)電廠現(xiàn)有除氧器排氣中所攜帶的熱能和工質(zhì)進(jìn)行合理回收利用，這不僅符合國(guó)家現(xiàn)行相關(guān)政策，而且可以提高電廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，減少水資源消耗，降低運(yùn)行成本。因此，對(duì)現(xiàn)有除氧器排氣中所攜帶的熱能和工質(zhì)進(jìn)行合理回收利用十分必要。

3 余熱回收系統(tǒng)方案研究

就目前國(guó)內(nèi)除氧器排氣余熱回收的型式來(lái)看，主要是利用低溫水通過(guò)換熱器來(lái)回收排氣余熱，并將除氧器所排放的蒸汽凝結(jié)回收利用。具體的換熱器型式有2種：表面式換熱器，類似于汽輪機(jī)的軸封加熱器；混合式換熱器，類似于電廠的除氧器。

結(jié)合電廠原有系統(tǒng)中可利用的低溫水源情況和余熱回收后合理利用條件，以及改造后運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)過(guò)研究確定采用混合式換熱裝置，該裝置由氣水混合器和脫氣貯水罐構(gòu)成，為常壓設(shè)備。選用合適的低溫水源至關(guān)重要，經(jīng)過(guò)方案對(duì)比研究確定選用鍋爐側(cè)爐排水冷套出口的冷卻水作為冷卻除氧器排氣的低溫水源。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，鍋爐側(cè)水爐排冷套是隨機(jī)組運(yùn)行而連續(xù)運(yùn)行的設(shè)備，其冷卻水也是連續(xù)運(yùn)行且水溫適宜，因此可以保證冷卻除氧器排氣的低溫水源連續(xù)供應(yīng)。

原有爐排水冷套的冷卻水取自凝結(jié)水泵出口的主凝結(jié)水，凝結(jié)水經(jīng)過(guò)水冷套升溫后再回到1號(hào)低壓加熱器的主凝結(jié)水中。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入水冷套的凝結(jié)水設(shè)計(jì)入口溫度為33 ℃，出口水溫為45 ℃，水冷套系統(tǒng)冷卻水量為35 t/h。

為了回收除氧器排氣余熱，需要從現(xiàn)有的除氧器排氣管道上的手動(dòng)截止閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥之間引出一條分支管道，在該分支管道上裝設(shè)一道可調(diào)節(jié)的電動(dòng)截止閥和一道手動(dòng)截止閥；該電動(dòng)截止閥與原有系統(tǒng)中的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥之間設(shè)有聯(lián)鎖，當(dāng)其中的一道電動(dòng)閥需要關(guān)閉時(shí)，另一道電動(dòng)閥會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟。從該分支管引出的除氧器排氣至余熱回收裝置的混合器，在混合器內(nèi)除氧器排氣與低溫凝結(jié)水相混合，低溫凝結(jié)水來(lái)自鍋爐側(cè)水冷套出口的凝結(jié)水。凝結(jié)水在混合器中將蒸汽凝結(jié)并吸收熱能升溫后，以氣水混合物的形式自流至脫氣貯水罐內(nèi)，降溫后的少量不凝結(jié)氣體從脫氣貯水罐頂排出。

升溫后的凝結(jié)水從脫氣貯水罐下部排出經(jīng)管道自流至熱水回收泵入口，通過(guò)熱水回收泵升壓后，回到1號(hào)低壓加熱器出口的主凝結(jié)水管道中。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，熱水回收泵連續(xù)運(yùn)行。在熱水回收泵與脫氣貯水罐的水位之間設(shè)有聯(lián)鎖，當(dāng)脫氣貯水罐的水位高至一定值時(shí)，熱水回收泵自動(dòng)啟動(dòng)，當(dāng)脫氣貯水罐的水位低至一定值時(shí)，熱水回收泵自動(dòng)停止。

系統(tǒng)中設(shè)有2臺(tái)110%容量的熱水回收泵，1臺(tái)運(yùn)行、1臺(tái)備用。為了合理控制脫氣貯水罐水位，在水冷套出口凝結(jié)水進(jìn)入混合器的管道上設(shè)有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。除氧器排氣余熱回收系統(tǒng)的控制納入主機(jī)DCS系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。除氧器余熱回收熱力系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 除氧器余熱回收熱力系統(tǒng)

4 余熱回收系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果

華能農(nóng)安生物質(zhì)發(fā)電廠除氧器排氣余熱回收系統(tǒng)于2019年11月下旬建成后投入運(yùn)行，在機(jī)組帶滿負(fù)荷并穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)參數(shù)測(cè)試工作，有關(guān)測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 除氧器排氣余熱回收系統(tǒng)投運(yùn)后相關(guān)測(cè)試參數(shù)

5 余熱回收系統(tǒng)投資情況和節(jié)能效益

華能農(nóng)安生物質(zhì)發(fā)電廠增設(shè)除氧器排氣余熱回收系統(tǒng)后，整個(gè)系統(tǒng)的總靜態(tài)投資(包括設(shè)備、材料、安裝及土建施工費(fèi)用)約為50萬(wàn)元。

在進(jìn)行節(jié)能效益分析時(shí)，要研究除氧器排氣余熱回收系統(tǒng)投運(yùn)后所產(chǎn)生的效益和所增加的運(yùn)行成本。從實(shí)際運(yùn)行來(lái)看，所產(chǎn)生的效益主要是：回收熱能減少燃料消耗量，回收工質(zhì)減少除鹽水消耗量；所增加的運(yùn)行成本是增加了余熱回收泵的運(yùn)行耗電量。按照華能農(nóng)安生物質(zhì)發(fā)電廠增設(shè)除氧器排氣余熱回收系統(tǒng)投用后的實(shí)際運(yùn)行測(cè)試參數(shù)，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行節(jié)能效益分析。有關(guān)節(jié)能效益計(jì)算原始參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 節(jié)能效益計(jì)算原始參數(shù)

按照表1和表2中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，除氧器排氣余熱回收系統(tǒng)投運(yùn)后余熱回收情況及降低運(yùn)行成本情況見(jiàn)表3。

表3 余熱回收情況及降低運(yùn)行成本情況

由此可見(jiàn)，華能農(nóng)安生物質(zhì)發(fā)電廠增設(shè)除氧器排氣余熱回收系統(tǒng)且正常投運(yùn)后，雖然增加了一定額度的建設(shè)投資，但是所帶來(lái)的效益十分可觀。初步測(cè)算，按照目前的燃料價(jià)格和上網(wǎng)電價(jià)，在半年內(nèi)就可以回收靜態(tài)投資。

6 結(jié)論

a.在現(xiàn)有生物質(zhì)發(fā)電廠增設(shè)除氧器排氣余熱回收系統(tǒng)，雖然增加了建設(shè)投資和消耗了一定電能，但是降低了燃料和除鹽水的消耗量，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

b.由于該系統(tǒng)投運(yùn)后降低了燃料的消耗量，相應(yīng)降低了廠內(nèi)外燃料運(yùn)輸?shù)膲毫突以欧帕恳约板仩t大氣污染物排放量。

c.由于該系統(tǒng)投運(yùn)后降低了除鹽水的消耗量，相應(yīng)降低了制備除鹽水的淡水消耗量，這為我國(guó)淡水資源相對(duì)缺乏的“三北地區(qū)”節(jié)約淡水資源消耗提供了條件。

d.具備條件的其他生物質(zhì)電廠可以進(jìn)一步推廣應(yīng)用。