基于能級(jí)匹配的高參數(shù)供熱方案研究

李秋白，殷 戈，黃啟龍，譚 銳，涂朝陽(yáng)，張志業(yè)，陳國(guó)寶，林寶森

(1.國(guó)家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 210046；2.國(guó)能南京電力試驗(yàn)研究有限公司，江蘇 南京 210046；3.國(guó)電福建電力有限公司，福建 福州 350009；4.國(guó)能(泉州)熱電有限公司，福建 泉州 362804)

1 引言

全球氣候變化是當(dāng)前人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展面臨的重大威脅，保護(hù)地球生態(tài)安全、合作應(yīng)對(duì)氣候變化，已成為當(dāng)今國(guó)際社會(huì)廣泛共識(shí)。我國(guó)作為全球工業(yè)大國(guó)，一直致力于推動(dòng)低碳發(fā)展，尤其是雙碳目標(biāo)的提出，加快了我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，作為當(dāng)前二次能源的主力，煤電需進(jìn)行節(jié)能、供熱以及靈活性改造，以適應(yīng)新的電力形勢(shì)[1]。

供熱按照熱負(fù)荷性質(zhì)可分為采暖供熱和工業(yè)供熱。采暖供熱集中在北方寒冷地區(qū)，需求較普遍，技術(shù)也相對(duì)成熟，在火電靈活性背景下，又發(fā)展出了諸如高背壓供熱[2-3]、低壓缸零出力[4]、多級(jí)抽汽供熱[5-6]等技術(shù)，成功案例也比較多。工業(yè)供熱與民用熱最大的區(qū)別在于用戶對(duì)供熱參數(shù)要求較嚴(yán)格，技術(shù)難度相對(duì)較大[7-9]。

工業(yè)供熱熱負(fù)荷伴隨我國(guó)工業(yè)持續(xù)發(fā)展，需求也不斷增加。要滿足工業(yè)供熱需求，既可采用企業(yè)自建供熱鍋爐方案，也可采用熱電聯(lián)產(chǎn)的集中供熱方案。自建供熱鍋爐方案存在效率較低、環(huán)保指標(biāo)差、安全隱患大、管理不集中等問(wèn)題，不符合國(guó)家節(jié)能環(huán)保的宏觀產(chǎn)業(yè)政策，因此國(guó)家正在逐步取消企業(yè)自建鍋爐的分散供熱系統(tǒng)，取而代之的是熱電聯(lián)產(chǎn)的集中供熱方案，熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱方案具有節(jié)約能源、減少排放、提高供熱蒸汽品質(zhì)等多種優(yōu)勢(shì)[10-12]。在目前電力裝機(jī)產(chǎn)能相對(duì)過(guò)剩的大背景下，大量新建熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目受到了電力建設(shè)總?cè)萘康闹萍s。鑒于此，國(guó)家積極引導(dǎo)和鼓勵(lì)將部分現(xiàn)役純凝發(fā)電機(jī)組改造為供熱機(jī)組，既不增加電力裝機(jī)規(guī)模，又可增加供熱能力[13-18]。

純凝機(jī)組供熱改造過(guò)程中，根據(jù)供熱需求溫度和壓力等級(jí)不同，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果[19-20]，可以將供熱概況的分為如下幾類：1)低參數(shù)供熱指壓力在1.0MPa以內(nèi)，且溫度在300℃以內(nèi)；2)中參數(shù)供熱指壓力在1.0～4.0MPa，且溫度在300～400℃；3)高參數(shù)供熱指壓力在4.0MPa及以上，且溫度在400℃及以上。在亞臨界機(jī)組上，低參數(shù)供熱改造一般從機(jī)組中、低壓連通管開(kāi)孔，增加供熱抽汽調(diào)節(jié)閥，對(duì)外抽汽供熱；中參數(shù)供熱改造一般從機(jī)組一抽、冷再或熱再段抽汽。上述兩類供熱共同的特點(diǎn)是：供熱所需的蒸汽參數(shù)和汽輪機(jī)系統(tǒng)某些位置的蒸汽參數(shù)接近，可以直接從系統(tǒng)中找到抽汽點(diǎn)，采用打孔抽汽的方式供熱。而高參數(shù)供熱則無(wú)法在汽輪機(jī)系統(tǒng)內(nèi)直接打孔抽汽，主要是無(wú)法從系統(tǒng)中找到參數(shù)匹配的抽汽點(diǎn)。為了滿足高參數(shù)供熱需求，常采用參數(shù)等級(jí)更高的蒸汽減溫減壓后供熱，高品位蒸汽的減溫減壓供熱，違反了“溫度對(duì)口，梯級(jí)利用”的用能原則[21]，熱經(jīng)濟(jì)性較差。

因此，研究高參數(shù)供熱參數(shù)匹配問(wèn)題，對(duì)提高供熱經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)煤電機(jī)組低發(fā)展具有重要意義。

2 研究對(duì)象與方法

2.1 研究對(duì)象

本文以亞臨界300MW抽凝機(jī)組為研究對(duì)象，機(jī)組的主蒸汽參數(shù)壓力為16.67MPa，溫度為538℃，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 某亞臨界300MW機(jī)組主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of a subcritical 300MW Unit

2.2 高參數(shù)供熱問(wèn)題熱力學(xué)特性分析

熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)中，主蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后，膨脹做功，按照供熱參數(shù)需求，在系統(tǒng)合適位置設(shè)抽汽口，抽出蒸汽對(duì)外供熱。抽汽點(diǎn)設(shè)置的原則是：壓力或溫度中先達(dá)到用戶參數(shù)約束條件的位置，即為最佳抽汽口位置。按照此設(shè)計(jì)原則，以亞臨界300MW機(jī)組參數(shù)為例，以主蒸汽作為循環(huán)起點(diǎn)蒸汽參數(shù)：壓力16.67MPa，溫度538℃，終點(diǎn)為用戶蒸汽參數(shù)：壓力4.0MPa，溫度400℃，通流效率分析參數(shù)見(jiàn)表2。

表2中數(shù)據(jù)說(shuō)明，亞臨界機(jī)組如果能直接抽取4.0MPa,400℃的供熱蒸汽，從汽輪機(jī)進(jìn)汽到抽汽之間，機(jī)組通流效率應(yīng)設(shè)計(jì)為44.73%，這顯然將會(huì)大幅降低熱電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

表2 高參數(shù)供熱通流效率分析Tab.2 Analysis of high parameter heating flow efficiency

目前，汽輪機(jī)缸體設(shè)計(jì)和運(yùn)行的效率一般在70%～90%的范圍內(nèi)，為了分析在上述范圍內(nèi)亞臨界機(jī)組內(nèi)蒸汽參數(shù)變化特征，以主蒸汽作為循環(huán)起點(diǎn)蒸汽參數(shù)：壓力16.67MPa，溫度538℃，終點(diǎn)為用戶蒸汽參數(shù)：壓力4.0MPa，膨脹效率按照70%和90%來(lái)分析，結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

由表3和表4中數(shù)據(jù)可以看出，如果按照膨脹終點(diǎn)為4.0MPa，終點(diǎn)參加均低于熱用戶所需的400℃，且通流效率越高，終點(diǎn)溫度差越大，無(wú)法滿足供熱需求。

表3 高參數(shù)供熱參數(shù)分析(70%通流效率，終點(diǎn)壓力4.0MPa)Tab.3 Analysis of high parameter heating parameters (70% flow efficiency,end pressure 4.0Mpa)

表4 高參數(shù)供熱參數(shù)分析(90%通流效率,終點(diǎn)壓力4MPa)Tab.4 Analysis of high parameter heating parameters (90% flow efficiency,end pressure 4.0Mpa)

因此，從熱力學(xué)分析可知，在常規(guī)的缸效范圍內(nèi)，無(wú)法采用直接抽汽的方式實(shí)現(xiàn)高參數(shù)供熱。

2.3 高參數(shù)供熱變工況特性分析

為了進(jìn)一步探明高參數(shù)供熱參數(shù)匹配問(wèn)題的原因，對(duì)汽輪機(jī)變工況分析，分析汽輪機(jī)內(nèi)壓力和溫度變化特征，找出參數(shù)變化規(guī)律。

由弗留格爾公式可知，在不考慮溫度變化的情況下，各級(jí)抽汽的壓力和流量有如下關(guān)系[22]：

(1)

式中：G1為級(jí)組變工況流量，t/h；G為級(jí)組設(shè)計(jì)工況流量，t/h；p01為級(jí)組變工況級(jí)前壓力，MPa；p0為級(jí)組設(shè)計(jì)工況級(jí)前壓力，MPa；a為變工況下與設(shè)計(jì)工況下的通流面積之比。

由式(1)可以看出，級(jí)組前壓力與流量成正比關(guān)系。與通流面積比成反比關(guān)系；在回?zé)釞C(jī)組中，由于回?zé)岢槠屯鲏簱p存在，自主蒸汽以下，各抽汽點(diǎn)的壓力依次降低，如需提升壓力，可控的措施是改變通流面積，如采用座缸閥、旋轉(zhuǎn)隔板或者抽汽蝶閥，這些方法和減溫減壓一樣，都會(huì)降低通流效率，最經(jīng)濟(jì)的方法是選擇接近供熱壓力的抽汽點(diǎn)，盡量減少節(jié)流的損失。

汽輪機(jī)變工況運(yùn)行時(shí)，初參數(shù)一定的情況下[23]，級(jí)組抽汽溫度和通流效率有關(guān)，級(jí)組的效率計(jì)算公式為：

(2)

式中：ηri為級(jí)組相對(duì)內(nèi)效率；h0為級(jí)組入口蒸汽焓值，kJ/kg；hc為級(jí)組出口蒸汽焓值，kJ/kg；hct為級(jí)組出口等熵蒸汽焓值，kJ/kg；

由上式可以推導(dǎo)出：

hc=h0-ηri(h0-hct)

(3)

由上式可以看出，級(jí)組入口參數(shù)和排汽壓力確定的情況下，級(jí)組出口排汽焓hc和級(jí)組相對(duì)內(nèi)效率ηri負(fù)相關(guān)，而排汽焓和排汽溫度正相關(guān)，因此，如果僅從通流角度分析，提高排汽溫度，需要降低相對(duì)內(nèi)效率，這顯然和熱電聯(lián)產(chǎn)的目的相左。因此，可以考慮間接加熱的方式，即先膨脹做功，降低蒸汽溫度，再通過(guò)外部加熱，提升蒸汽溫度，進(jìn)而避免犧牲內(nèi)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

由上述分析可知，高參數(shù)供熱主要問(wèn)題是供熱壓力和溫度匹配問(wèn)題，常規(guī)的打孔抽汽方案無(wú)法滿足要求，需要從壓力和溫度分別調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)二者的匹配，制定相應(yīng)的技術(shù)方案。

基于上述分析，本文提出了“分級(jí)匹配，梯級(jí)利用”的高參數(shù)供熱技術(shù)方法，即將供熱的壓力和溫度分級(jí)匹配，增加匹配的靈活性，實(shí)現(xiàn)供熱參數(shù)的精準(zhǔn)控制，從而達(dá)到了梯級(jí)利用目的。

2.4 高參數(shù)供熱技術(shù)方案

由前述分析可知，高參數(shù)供熱方案制定時(shí)，需要從壓力匹配和溫度匹配兩個(gè)角度單獨(dú)分析。壓力匹配方面：額定負(fù)荷下，亞臨界機(jī)組主蒸汽和一段抽汽、超臨界及以上等級(jí)機(jī)組主蒸汽、一段抽汽、冷再熱蒸汽和熱再熱蒸汽壓力，可以滿足供熱熱壓力需求，但溫度偏低；溫度匹配方面：采用蒸汽加熱的方式，如高溫蒸汽和低溫蒸汽混合、供熱蒸汽再熱、煙氣在再熱等方法，可以提升蒸汽溫度，滿足供熱的需求，組合上述壓力和溫度的技術(shù)，即可得到對(duì)應(yīng)的技術(shù)方案。

根據(jù)前述分析，把壓力和溫度匹配技術(shù)組合后，制定了三種技術(shù)方案：方案1蒸汽混溫技術(shù)方案；方案2煙氣源再熱技術(shù)方案和方案3蒸汽源再熱技術(shù)方案，各方案詳細(xì)介紹如下：

方案1蒸汽混溫技術(shù)方案：如圖1所示，按照壓力匹配原則，該方案采用主蒸汽和一抽抽汽作為抽汽源；主蒸汽溫度高于供熱溫度，一抽溫度低于供熱溫度，兩者按照混合后蒸汽溫度滿足供熱蒸汽溫度為原則，進(jìn)行流量匹配，并在聯(lián)箱內(nèi)混合，實(shí)現(xiàn)溫度和壓力均衡。

圖1 方案1示意圖Fig.1 Schema 1 schematic diagram

方案2煙氣源再熱技術(shù)方案[24]：此方案從機(jī)側(cè)抽取供熱蒸汽，進(jìn)入爐側(cè)再熱。在爐內(nèi)布置供熱專用加熱受熱面，用于加熱機(jī)側(cè)缸體新增供熱抽汽，蒸汽經(jīng)過(guò)爐側(cè)加熱到供熱溫度后，滿足對(duì)外中壓供熱的需求，其供熱系統(tǒng)簡(jiǎn)單示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 方案2示意圖(爐內(nèi)加熱方式)Fig.2 Schema 2 schematic diagram (Heating in Boiler)

方案3蒸汽源再熱技術(shù)方案[25-26]：此方案適合機(jī)組同時(shí)供熱高壓供熱和中壓供熱的系統(tǒng)。該方案設(shè)計(jì)一個(gè)汽汽換熱器，換熱器高溫蒸汽來(lái)自于機(jī)組熱再蒸汽，低溫蒸汽來(lái)自于缸體新增供熱抽汽，經(jīng)過(guò)汽汽換熱器換熱后，低溫蒸汽溫度提升至供熱所需溫度，滿足高壓供熱需求；高溫蒸汽冷卻后，減溫減壓后用于中壓供熱。該方案巧妙的利用中壓供熱抽汽加熱高壓供熱抽汽，在提高高壓供熱的同時(shí)，降低了中壓供熱溫度，減少中壓供熱噴水量，實(shí)現(xiàn)能量的合理利用。方案示意圖如圖3。

圖3 方案3示意圖Fig.3 Schema 3 schematic diagram

3 結(jié)果與討論

3.1 技術(shù)方案適用性分析

方案1系統(tǒng)布置較為簡(jiǎn)單，改造范圍小，供熱靈活，但由于直接對(duì)主蒸汽進(jìn)行減溫減壓，其經(jīng)濟(jì)性較差，不符合國(guó)家節(jié)能減排大戰(zhàn)略要求。

方案2煙氣源再熱技術(shù)方案，該方案的優(yōu)點(diǎn)是：高參數(shù)供熱再熱能力強(qiáng)。煙氣流量大，再熱能力強(qiáng)，能夠滿足不同流量的高參數(shù)供熱加熱需求；蒸汽溫度調(diào)節(jié)方便。采用噴水減溫可以方便實(shí)現(xiàn)對(duì)高參數(shù)供熱蒸汽溫度的控制。缺點(diǎn)是：一是低供熱流量下，爐側(cè)受熱面需設(shè)置防超溫系統(tǒng)。為了保證爐側(cè)供熱蒸汽再熱受熱面不超溫，需設(shè)置最小冷卻蒸汽流量，根據(jù)設(shè)計(jì)加熱流量的不同，最小冷卻蒸汽流量在50～100t/h之間，即高參數(shù)供熱所需蒸汽流量低于最小冷卻蒸汽流量時(shí)，機(jī)側(cè)抽汽量需按照最小冷卻蒸汽流量抽取，在爐側(cè)加熱后，一部分對(duì)外供熱，一部分回到系統(tǒng)內(nèi)(如再熱器入口)，繼續(xù)做功，這樣就造成了做功損失，降低了節(jié)能的效果。二是改造范圍大。由于爐側(cè)需要同步改造，系統(tǒng)由機(jī)側(cè)抽汽至爐側(cè)加熱，改造范圍大，改造費(fèi)用高。

方案3蒸汽源再熱技術(shù)方案再熱系統(tǒng)放置在機(jī)側(cè)，該方案的優(yōu)點(diǎn)是：再熱系統(tǒng)獨(dú)立性高，該方案再熱系統(tǒng)布置在汽機(jī)側(cè)，再熱系統(tǒng)為外置式，對(duì)主循環(huán)系統(tǒng)影響較??；高參數(shù)供熱流量調(diào)節(jié)適應(yīng)性好，在機(jī)組負(fù)荷滿足的條件下，采用外置的換熱器，可以根據(jù)供熱需求靈活調(diào)節(jié)供熱蒸汽流量。缺點(diǎn)是：一是存在高參數(shù)供熱和中參數(shù)供熱耦合的現(xiàn)象。在但該方法對(duì)供熱的匹配要求較高，即高參數(shù)和中參數(shù)供熱流量應(yīng)滿足一定的比例，才能滿足高參數(shù)供熱的加熱要求，這種方案適合有較穩(wěn)定的高參數(shù)供熱機(jī)組，有足夠中參數(shù)熱負(fù)荷的能力消納再熱蒸汽加熱后的蒸汽，這就限制了機(jī)組供熱的靈活性。二是關(guān)鍵設(shè)備目前沒(méi)有投運(yùn)業(yè)績(jī)。機(jī)側(cè)再熱中的核心設(shè)備汽汽交換器，目前在國(guó)內(nèi)外火電領(lǐng)域，暫無(wú)投運(yùn)案例。

此外，方案3在能夠保證充分的中參數(shù)熱用戶時(shí)和方案2的節(jié)能效果基本相當(dāng)；從技術(shù)成熟度上講，方案2技術(shù)更成熟；從系統(tǒng)壓損角度分析，方案3系統(tǒng)壓力較??；從供熱再熱能力角度分析，方案2供熱能力強(qiáng)。

綜上所述，方案2和方案3各有優(yōu)劣，可以根據(jù)具體邊界條件，合理選用；方案1不符合國(guó)家政策，不推薦使用。

3.2 技術(shù)方案節(jié)能分析

以某亞臨界300MW機(jī)組為例，在額定抽汽量下各方案分析數(shù)據(jù)見(jiàn)下表5。

表5 各方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性參數(shù)對(duì)比(主進(jìn)汽量1094t/h，高壓供熱165t/h)Tab.5 Comparison of technical and economic parameters of various schemes (main steam :1094t/h, high-pressure heating: 165t/h)

采用不同的供熱蒸汽再熱方式，機(jī)側(cè)供電煤耗是不變的，主要原因是：再熱方式影響冷再和熱再抽汽的流量分配，而再熱系統(tǒng)抽汽是屬于汽輪機(jī)系統(tǒng)之外的抽汽，只有總抽汽量(冷再和熱再抽汽量之和)相同，對(duì)于機(jī)側(cè)來(lái)講，對(duì)熱耗影響是相同的。在供熱量為100t/h時(shí)，各方案的分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 各方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性參數(shù)對(duì)比(主進(jìn)汽量1094t/h，高壓供熱100t/h)Tab.6 Comparison of technical and economic parameters of various schemes (main steam : 1094t/h, high-pressure heating :100t/h)

由上述兩個(gè)工況對(duì)比分析來(lái)看，高壓供熱量越大，則采用方案2和方案3相比較方案1的節(jié)能量越大，這是因?yàn)樵诠崃看髸r(shí)，方案1需要抽汽的主蒸汽流量越大，經(jīng)濟(jì)性越差。

4 結(jié)論

本文針對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)中高參數(shù)供熱參數(shù)匹配困難問(wèn)題開(kāi)展研究，分析了問(wèn)題的主要矛盾，制定出了3種供熱方案，從適用性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)方案進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論。

(1)高參數(shù)供熱壓力和溫度匹配存在矛盾，主要原因是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中蒸汽壓力和溫度的變化特性存在差異，無(wú)法同時(shí)滿足熱負(fù)荷參數(shù)需求。

(2)綜合汽輪機(jī)和鍋爐特性，采用壓力和溫度分級(jí)匹配技術(shù)，能夠解決高參數(shù)供熱參數(shù)匹配問(wèn)題。

(3)針對(duì)高參數(shù)供熱問(wèn)題，制定了蒸汽混溫技術(shù)方案、煙氣源再熱技術(shù)方案和蒸汽源再熱技術(shù)方案，均能滿足供熱需求，為解決同類問(wèn)題提供參考。