燃煤發(fā)電機組耦合余熱利用技術研究進展

鄭明輝 ，劉蕊菁 ，王雪 ，趙晗 ，胡鋆 ，王翔 ,?

（1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院, 河北 保定 071003；2.河北師范大學 中燃工學院, 河北 石家莊 050024；3.中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司第六研究所, 北京 102209）

0 引言

溫室效應導致的全球變暖問題增加了碳減排的緊迫性，深化碳減排的階段性指標已成為國際社會的共識。為實現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標，中國政府提出了“碳達峰、碳中和”目標，力爭使CO2排放于2030年前達到峰值，在2060年前實現(xiàn)碳中和[1]。為推進和落實這一目標的實現(xiàn)，出臺的《碳排放權交易管理條例》已將碳排放總量控制納入國家應對氣候變化立法體系。國務院發(fā)布的《關于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系的指導意見》文件指出，中國將大力發(fā)展可再生能源發(fā)電，加快向低碳化社會轉型的進程。

當前，雖然我國已有部分核電機組，但是火電燃煤機組仍占領電力的大部分市場。其中燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組由于其具有能量高效利用的特點而被我國電力系統(tǒng)廣泛應用。然而，可再生能源的不確定性和波動性對現(xiàn)有燃煤機組的靈活性提出了更高的要求。近年來，我國北方部分地區(qū)供暖季供熱需求不斷增加，加劇了燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱負荷需求。但是，“以熱定電”的生成模式大大降低了系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力。另一方面，隨著我國北方地區(qū)冬季供熱需求的不斷增加，增加了熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供熱負荷，但傳統(tǒng)的“以熱定電”運行模式大大降低了系統(tǒng)發(fā)電靈活性[2]。我國以煤電為主的火電機組靈活性不足，在調(diào)峰深度、爬坡速度、快速啟停等方面有很大提升空間?，F(xiàn)有提高燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)靈活性的技術主要包括大型儲熱技術、汽輪機改造技術、鍋爐低負荷運行技術、余熱回收技術和一次調(diào)頻技術[3]等。其中，余熱回收技術主要是通過燃煤機組冷端余能供熱改造，打破原有的熱電耦合比例，達到降低電負荷，提高熱負荷的雙重應用價值。冷端余能供熱方式包括高背壓汽輪機、熱泵余熱回收、低壓缸“零出力”3種供熱改造方式[4]。王力等[5]針對某300 MW供熱機組的汽輪機特性及其所在熱電廠的供熱背景，分析了高背壓改造存在的關鍵技術問題，提出了汽輪機本體及主要輔機的改造方案；汪可等[6]以350 MW超臨界供熱機組為模型，設計并計算了低壓缸“零出力”運行前后的經(jīng)濟性指標，結果發(fā)現(xiàn)低壓缸“零出力”可以使得電負荷降低8%，熱負荷提升27%，具有良好的經(jīng)濟效益；研究發(fā)現(xiàn)，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，儲熱利用裝置和電驅動壓縮式熱泵的引入都可增加對風電的消納，但是電驅動壓縮式熱泵引入后余熱回收利用的效果更好，利用現(xiàn)有的區(qū)域供熱網(wǎng)絡可以實現(xiàn)最佳的風電集成[7]。

為此，本文將對余熱利用技術的分類、參數(shù)及評價，以及其未來發(fā)展前景和相關建議幾個方面進行歸納整理，期望為耦合先進余能利用的燃煤發(fā)電機組開發(fā)提供參考。

1 余熱利用技術分類

現(xiàn)有的余熱利用技術主要包括煙氣余熱回收、循環(huán)水余熱回收、空氣源余熱回收。各個余熱利用技術的余熱來源與余熱源溫度如表1所示。

表1 余熱回收技術對比Tab.1 Comparison of waste heat recovery technologies

煙氣余熱回收的熱源為鍋爐尾部排放的120～150 ℃左右的煙氣，通過換熱器加熱冷流體從而達到余熱回收的目的。通過煙氣余熱回收技術理論上可以使得鍋爐熱效率在原有基礎上提升15%左右[12]，但由于煙氣的腐蝕性，需要定期對換熱設備進行防腐處理。

循環(huán)水余熱回收利用的是循環(huán)冷卻水的熱量，通過熱泵加熱熱網(wǎng)系統(tǒng)的回水，然后通過熱網(wǎng)加熱器供給熱用戶，循環(huán)水余熱回收技術回收了需要通過冷卻塔散失的熱量，這表明采用余熱回收后循環(huán)水不需要冷卻塔的冷卻，減少了循環(huán)水的蒸發(fā)損失。同時，若采用棄風電為熱泵供電則可節(jié)水3.64 t/MWh，提升全廠的能源利用效率[13]。

空氣源余熱回收技術的主要熱源為0～60 ℃的煙氣，通過空壓機將煙氣中的熱量提取出來用于預熱鍋爐的循環(huán)水，達到余熱回收的目的[14]。

余熱鍋爐本質上是一個氣-水/蒸汽的換熱器，利用高溫煙氣余熱、化學反應余熱、可燃氣體余熱及高溫產(chǎn)品余熱等，生產(chǎn)蒸汽或熱水，用于工藝流程或進入管網(wǎng)供熱[15]。

吸收式制冷技術遵循“發(fā)生（解析）—冷凝—蒸發(fā)—吸收（吸附）”的循環(huán)過程，以溴化鋰水溶液為工質的吸收式制冷系統(tǒng)應用廣泛，該技術采用低品位熱能為驅動力，但是實際應用時其性能系數(shù)COP遠低于壓縮式制冷系統(tǒng)。并且，如果制冷系統(tǒng)的工質采用的天然制冷劑是具有顯著的環(huán)保效益的。

對于工業(yè)中大量廢棄的200 ℃，甚至300 ℃以下的低溫余熱，目前無法利用蒸汽/熱水閃蒸系統(tǒng)進行有效回收，更適宜采用經(jīng)濟可行的有機朗肯循環(huán)余熱發(fā)電技術。這是因為工質溫度與低溫熱源換熱平均溫差大，則不可逆損失較大。為了減小換熱不可逆損失，提出了改進的方法，如Kalina循環(huán)等。Kalina循環(huán)是以氨水混合物為工質的循環(huán)系統(tǒng)，最簡單的熱力循環(huán)是一級蒸餾循環(huán)，一定濃度的氨水溶液經(jīng)過水泵加壓、預熱器升溫之后，進入余熱鍋爐蒸發(fā)，形成過熱氨水蒸汽進入透平膨脹做功，然后利用復雜的蒸餾冷卻子系統(tǒng)解決氨水混合物冷凝問題，使透平乏汽重新形成一定濃度的工質溶液，再到達給水泵，完成一個循環(huán)。

簡化的余熱回收系統(tǒng)示意圖如圖1所示，一個基礎的余熱系統(tǒng)一般由凝汽器、熱泵、蒸發(fā)器和換熱器組成[15]，余熱回收系統(tǒng)回收煙氣、循環(huán)水或其他熱源的余熱并與換熱工質進行熱交換，并將重新加熱的工質送入爐膛或熱網(wǎng)水中，無法再利用的廢熱則排出至環(huán)境中。

圖1 余熱回收系統(tǒng)圖Fig.1 Waste heat recovery system diagram

2 余熱回收技術的評價參數(shù)

目前對余熱回收技術評價參數(shù)主要包括性能評價、經(jīng)濟性評價以及系統(tǒng)參數(shù)關聯(lián)評價。其中性能評價包括除塵效率、除濕效率、排煙溫度、煙氣中氧含量、煙氣中液氣比、煙氣中硫含量等；經(jīng)濟性評價包括鍋爐效率、熱耗、發(fā)電煤耗等；系統(tǒng)參數(shù)關聯(lián)價包括熱效率、?效率、能級等。評價參數(shù)與余熱回收技術對應情況如表2所示。

表2 余熱回收技術種類及其評價參數(shù)Tab.2 Waste heat recovery technology types and their evaluation parameters

例如，張翼等[10]以單位裝機容量為1 MW的風電功率為最小計算單元，觀察抽凝機組每分鐘為數(shù)據(jù)點的變化特性，采用風電特性進行評價時，可以發(fā)現(xiàn)，風電功率的特點為其變化范圍可從幾乎為零開始到全功率運行。因此可以證明，為進一步降低抽凝機組的能量消耗更多地需考慮對風電的消納能力。李美軍等[21]采用脫硫技術和低氧燃燒技術對煙氣余熱回收系統(tǒng)中的余熱源進行余熱回收，通過煙氣中硫含量和氧含量為評價參數(shù)進行研究，發(fā)現(xiàn)降低硫含量和氧含量后，設備上提高金屬璧溫降低液態(tài)水析出，將煙氣低溫露點腐蝕破壞程度降到最低，對于余熱回收有很大的幫助。

3 耦合儲熱型余熱回收利用系統(tǒng)

目前關于余熱回收利用系統(tǒng)的一個研究熱點是如何進一步的提高余熱回收效率。傳統(tǒng)余熱回收技術的發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，如何進一步挖掘回收潛力是亟待解決的問題。通過將余熱回收系統(tǒng)與儲熱裝置進行耦合可以加大對余熱的利用，尤其是低溫余熱的回收，因此，耦合余熱裝置的余熱系統(tǒng)的研究已成為一個新的研究熱點[22]。

煙氣余熱回收系統(tǒng)如圖2所示。能源設備中，很大部分是由燃燒燃料來獲取能量。煙氣排放是主要的熱損失之一。排放溫度越高，熱損失就越大?？紤]熱損失時，一般都以燃料的低位發(fā)熱量來計算熱損失。在排煙熱損失中，它不僅與排煙溫度有關，而且還與排煙處的過量空氣系數(shù)有關，過量空氣系數(shù)越大，則熱損失越大。低溫煙氣熱量回收就是要將排煙溫度降至最佳狀態(tài)，使投資成本與回收成本（包括回收的經(jīng)濟效益與排放效益）達到最優(yōu)性價比。在回收煙氣中的熱量時，盡量能回收煙氣中的汽化潛熱，減少煙氣的熱損失和二氧化碳排放量。甄浩然等[23]就工程實踐中熱泵與鍋爐容量不匹配的問題提出了儲熱技術耦合熱泵系統(tǒng)的方案，通過運行數(shù)據(jù)對比，結果發(fā)現(xiàn)增加儲熱系統(tǒng)后，排煙溫度下降至22.31 ℃，熱泵運行時間增加了20%。Ouyang Tiancheng等[24]通過研究船用發(fā)動機的余熱利用過程，結果發(fā)現(xiàn)采用蓄熱裝置可以很好的節(jié)約燃料，降低燃料成本。郭璞維等[25]對多種儲能技術與煙氣余熱回收系統(tǒng)的耦合的可行性進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)煙氣余熱回收系統(tǒng)耦合壓縮空氣儲能應用前景廣闊，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖2 煙氣余熱回收系統(tǒng)圖Fig.2 Flue gas waste heat recovery system diagram

4 發(fā)展方向與相關建議

目前對耦合余熱回收技術的研究目的主要是余熱回收利用率的提高，研究關注的要點主要包括熱泵系統(tǒng)、朗肯循環(huán)等方向。

1)采用新型熱泵系統(tǒng)

熱泵系統(tǒng)作為最主要的制熱設備，提高其制熱效率對發(fā)電機組的余熱回收利用具有重要意義。例如，劉媛媛等[26]對我國北方某200 MW燃煤火電廠典型熱泵供暖系統(tǒng)的節(jié)能潛力進行了研究。結果表明，二次換熱器的損失占系統(tǒng)總損失的48.6%，熱泵制熱容量僅占系統(tǒng)總制熱容量的63.9%。為此，提出了一種由兩級一級溴化鋰吸收式熱泵串聯(lián)并聯(lián)組成的新型系統(tǒng)。劉海云等[27]采用層次分析法對唐山某礦區(qū)的多種余熱資源進行了模擬優(yōu)化，得出采用多源耦合熱泵系統(tǒng)代替鍋爐房供暖，既能滿足礦區(qū)供熱需求，又可以達到綠色環(huán)保、節(jié)能減排目的的重要結論。

2)朗肯循環(huán)的優(yōu)化

通過采用有機朗肯循環(huán)或將朗肯循環(huán)與ECCS系統(tǒng)耦合都可以使得機組有效的提高余熱回收率。楊燦等[28]在基于GT-SUITE的重型柴油機—有機朗肯循環(huán)—冷卻系統(tǒng)的仿真平臺上，討論了朗肯循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的功率與冷卻系統(tǒng)散熱功率的損益關系，并提出了改進的方向，并且從宏觀趨勢上預測了提高系統(tǒng)凈功率輸出的可能性和潛力。Liang Youcai等[29]提出了一種基于蒸汽朗肯循環(huán)和吸收式制冷系統(tǒng)耦合的ECCS系統(tǒng)，用于回收船用發(fā)動機的余熱。通過發(fā)電量、制冷量、等效發(fā)電量、效率和等效熱效率來評估ECCS的性能。模擬結果表明，恢復吸收式制冷循環(huán)的膨脹功是以降低制冷量為代價提高發(fā)電量的有效途徑。WHR系統(tǒng)的等效電輸出為5.223 MW，占船用發(fā)動機額定功率輸出的7.61%。

3)多種余熱回收技術方案應用

學者們從燃燒方式、排煙溫度等角度出發(fā)，展開研究，為燃煤機組耦合先進余熱回收技術提高機組的余熱回收率提出了多種技術路線和解決方案。Timothy J[30]研究發(fā)現(xiàn)，通常導致發(fā)動機效率提高的發(fā)動機基本參數(shù)（即壓縮比的增加、燃油空氣等效比的降低和尾氣再循環(huán)水平的增加）會導致尾氣(?)的減少，從而降低廢熱回收系統(tǒng)的效率和最大功率容量；而新的燃燒模式(如LTC)的應用可以提高廢熱回收。又如齊震等[31]以某660 MW二次再熱機組為例，分析了3種余熱利用方案下系統(tǒng)機組的關鍵參數(shù)特性及節(jié)能收益，結果表明：將排煙溫度降低至90 ℃，相比于案例機組，機爐深度耦合余熱利用方案的發(fā)電煤耗能降低2.76 g/kWh，節(jié)能效果顯著；而低溫省煤器和旁路煙道余熱利用方案的節(jié)能效果分別為1.08 g/kWh、2.00 g/kWh；同時，應用圖像?分析法(EUD)對各余熱利用方案的節(jié)能原理進行分析，在相同的煙氣放熱條件下，機爐深度耦合方案的火用效率達89.29%，高出低溫省煤器方案和旁路煙道方案7.77%和2.32%，因而節(jié)能效果最為顯著。AnkitMoldgy等[32]提出應用相變材料作為余熱回收系統(tǒng)中的蓄熱材料，并通過實驗發(fā)現(xiàn)采用相變材料可以極大的提高傳熱效率，縮短余熱回收系統(tǒng)的反應時間。王軍御等[33]使用離子液體作為余熱回收系統(tǒng)中的換熱材料，通過實驗發(fā)現(xiàn)，采用離子液體可以將系統(tǒng)換熱率提高至41.37%，并且離子液體還具有良好的熱穩(wěn)定性。吳彥麗等[34]針對供熱回水溫度高于煙氣露點溫度和傳統(tǒng)煙氣余熱回收技術的煙氣余熱回收能力有限的問題，提出利用煙氣源/水源CO2熱泵回收燃氣鍋爐的煙氣余熱的方案，并對系統(tǒng)效率和天然氣消耗以及CO2熱泵供熱系數(shù)對系統(tǒng)效率和燃料儲蓄率的影響規(guī)律進行了分析，結果表明，廢熱回收煙氣CO2源熱泵的供暖系統(tǒng)方案可以提高系統(tǒng)效率超過12.54%，高出0.50%的廢熱回收方案水源CO2熱泵，以及每年天然氣的消耗量可以節(jié)省13.87%～17.88%；當CO2熱泵的制熱系數(shù)較小時，有利于提高燃油的節(jié)氣。

綜上所述，耦合余熱回收利用技術目前主要應用于熱泵系統(tǒng)，未來通過對熱泵系統(tǒng)的不斷改進，余熱回收利用-率有望提升。而冷端余熱供熱的另一大改造方式 低壓缸供熱改造，通過切除低壓缸進汽可大量回收中壓缸排汽余熱且汽輪機本體基本不需要改造，運行維護費用低，投資少，供熱經(jīng)濟性好，運行方式靈活。但其仍處于試探性研究階段，沒有長期運行的經(jīng)驗，因而對低壓缸供熱改造也是未來研究發(fā)展的一大熱點。燃煤發(fā)電機組耦合現(xiàn)先進余熱回收技術發(fā)展歷程如圖3所示。

圖3 燃煤發(fā)電機組耦合現(xiàn)先進余熱回收技術發(fā)展歷程Fig.3 Development history of advanced waste heat recovery technology for coal-fired power generating unit

5 結論

先進的余熱回收技術在煙氣回收等方面已取得較大的進展，但是在深度調(diào)峰、能源利用率等方面仍需要進一步改進。本文首先綜述了余熱利用技術的分類：煙氣余熱回收、循環(huán)水余熱回收、空氣源余熱回收。工業(yè)余熱回收技術主要包括熱交換技術、熱功轉換技術、余熱制冷制熱技術?？偨Y了余熱回收技術的評價參數(shù)，目前對余熱回收技術評價參數(shù)主要包括性能評價、經(jīng)濟性評價以及系統(tǒng)參數(shù)關聯(lián)評價。其中性能評價參數(shù)主要有：除塵效率、除濕效率、排煙溫度、煙氣中硫含量、煙氣中氧含量、煙氣中液氣比等；經(jīng)濟性評價參數(shù)主要有鍋爐效率、熱耗、發(fā)電煤耗等；系統(tǒng)參考關聯(lián)評價主要有熱效率、?效率、能級等。最后介紹了耦合余熱回收技術的發(fā)展方向及相關建議。期望本研究能夠為燃煤發(fā)電機組耦合先進余熱利用技術的發(fā)展提供有用的價值。