大型火電低溫余熱深度利用研究應(yīng)用

國家電投集團協(xié)鑫濱海發(fā)電有限公司 華東奇 江蘇巴威節(jié)能設(shè)備有限公司 何文武

1 引言

某2×1000MW 超超臨界燃煤機組閉式水與用戶換熱后的低溫回水由開式水（海水）冷卻?；瘜W(xué)生水進入超濾前的水溫低于20℃時，由蒸汽管殼式加熱器加熱至25℃左右，汽源為輔助蒸汽。該研究應(yīng)用將30℃左右的閉式水回水代替蒸汽加熱生水，新增系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活、運行穩(wěn)定，未對原閉式水系統(tǒng)和化學(xué)制水系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。

2 研究項目的意義及目標(biāo)

2.1 項目研究的意義

大型火電廠閉式水因其用戶比較關(guān)鍵，對運行的安全性、穩(wěn)定性要求較高，如果出現(xiàn)異常，可能會導(dǎo)致機組降出力，甚至停機。目前，閉式水與用戶換熱后的水溫較低，電廠為了安全運行，一般沒有利用。

本項目選用兩臺百萬超超臨界燃煤發(fā)電機組作為研究對象，開展閉式水低溫余熱深度利用研究與應(yīng)用，具有北方大型火電代表性。百萬機組閉式水系統(tǒng)用戶多、流量較大，單臺機組配備3臺閉式泵，冬季單臺閉式泵運行，流量約1400t/h，加熱生水需要的閉式水約240t/h 左右，閉式水運行溫度在30℃左右，熱量損失較大，而且還需要大量的開式水冷卻。如果在每年10月初至次年4月底用閉式水回水加熱生水，不但可以降低開式水流量、提高汽輪機凝汽器循環(huán)冷卻水流量、降低循泵電流、改善現(xiàn)有生水換熱器（蒸汽）結(jié)垢現(xiàn)狀，還可以節(jié)約大量輔助蒸汽。研究達到預(yù)期效果后，淮河流域以北的火電廠、燃氣電廠可推廣應(yīng)用，黃河以北的電廠冬季運行時間更長，節(jié)能降耗更明顯。

2.2 預(yù)期目標(biāo)

利用小端差可拆卸板式換熱器回收低溫閉式水余熱（冬季最低溫度27℃），加熱化學(xué)生水至25±3℃，預(yù)期達到以下目標(biāo)：

有效解決原蒸汽換熱器結(jié)垢問題。原管殼式換熱器因水質(zhì)原因，水側(cè)結(jié)垢嚴(yán)重，降低了換熱效率，提高了蒸汽使用量，且需要定期除垢。采用可拆卸板式換熱器加熱生水，在45℃以下運行不易結(jié)垢，可長期運行不檢修。

新增換熱器與原管殼式蒸汽換熱器互為備用，能安全、靈活應(yīng)對閉式水、生水工況改變，兩臺機組的閉式水可自由切換，保持連續(xù)運行。

節(jié)省原管殼式生水換熱器加熱蒸汽，節(jié)能增效。從每年10月20日左右運行至次年4月底停運，每天投運14h 左右，原管殼式生水換熱器消耗的輔助蒸汽（0.9MPa/320℃）平均約5t/h，每年可節(jié)約蒸汽約12000t 蒸汽，節(jié)能效益顯著。

3 開展項目研究及應(yīng)用

3.1 機組原有狀況

廠內(nèi)原生水加熱系統(tǒng)采用0.9MPa/320℃過熱蒸汽加熱生水，配套有兩套容量為120t/h 的管殼式生水加熱器，換熱管材質(zhì)為鈦合金，進汽調(diào)閥經(jīng)常內(nèi)漏。

冬季，生水最低溫度5℃左右，需加熱至25±3℃；制水量240t/h。

閉式水系統(tǒng)現(xiàn)有兩臺管殼式換熱器、3臺閉式冷卻水泵（夏季高溫時期運行兩臺，冬季運行1臺）、輔助設(shè)備等，有潤滑油、EH 油、發(fā)電機定冷水、空壓機、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵等關(guān)鍵用戶。閉式水采用開式水冷卻，開式水由循環(huán)水母管引出，不設(shè)開式水泵，因機組采用凝汽器低位布置，循泵揚程降低，導(dǎo)致開式水壓力低，冷卻效果沒有達到預(yù)期效果，因閉式水換熱器設(shè)計裕量較大，暫不影響閉式水運行。

原生水加熱器為兩臺管殼式，一用一備。超濾供水泵共3臺，變頻設(shè)計，日常工頻運行，壓力基本滿足超濾入口壓力。

表1 原管殼式加熱器每年蒸汽耗量計算

按以上數(shù)據(jù)計算，結(jié)合實際運行工況，得出輔助蒸汽消耗量：4.864t/h。

生水出口總焓增量計算：（105.3-21.5）kJ/kg×170000kg/h=14246000kJ/h；

蒸汽用量計算：14246000/（3096.73-167.62）≈4864kg/h=4.864t/h。

3.2 安全經(jīng)濟性分析

一是每年10月至次年4月底，當(dāng)生水溫度低于20℃時，生水加熱裝置投運。期間，閉式水系統(tǒng)單機單泵運行，單臺閉式泵出力約1400t/h，閉式水換熱器旁路調(diào)閥經(jīng)常會保持一定開度，說明閉式水量在此階段仍然是有裕量的。

二是生水加熱裝置不能作為一個閉式水用戶，因為這個系統(tǒng)的入口點和回水點均設(shè)置在閉式水回水母管上，換熱后的閉式水只會降低閉式水回水溫度，對閉式水系統(tǒng)會帶來好處，減少開式水用量，對閉式水用戶不會影響，不會導(dǎo)致閉式水用戶水量不足。

三是生水加熱系統(tǒng)從閉式水取水后，閉式水泵的揚程問題。在閉式水回水母管上增加了240t/h 的板換以及進出口閥門等配件后，因配置了增壓泵，所以對整個閉式水系統(tǒng)的阻力沒有影響。

四是生水系統(tǒng)進入超濾前的壓力需求為0.15MPa，現(xiàn)有3臺變頻泵的出口設(shè)計壓力0.35MPa，自清洗過濾器的壓降為0.15MPa，原設(shè)計裕量略有不足。新增的板式生水加熱器壓降≯0.5MPa，為了保障超濾前的壓力，在生水加熱器生水側(cè)增加一套揚程為20米的工頻增壓泵，除了滿足生水系統(tǒng)的壓力需求外，同時解決了目前3臺變頻泵設(shè)計壓力裕量不足的問題，提高了原生水系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定性。因此，閉式水余熱加熱系統(tǒng)的增加對閉式水系統(tǒng)和生水系統(tǒng)的安全運行是沒有影響的。

3.3 實施方案

一是新增生水加熱系統(tǒng)與原閉式循環(huán)水系統(tǒng)并聯(lián)，兩臺機組之間可自由切換運行，出口管道上設(shè)置逆止閥，防止竄水。

二是新增系統(tǒng)主要設(shè)備有1臺小端差（最低端差達1℃）板式換熱器、電動閥、在線監(jiān)測儀表和控制系統(tǒng)等。設(shè)備布置根據(jù)現(xiàn)場具體情況，原則布置在一號機組固定端閉式水換熱器附近，盡量縮短連接管線。

管殼式換熱器與板式換熱器的選用。生產(chǎn)現(xiàn)場空間有限，閉式水水質(zhì)較好，清潔度較高，不易堵塞，所以選用占地面積小的板式換熱器，而且因閉式水與生水的溫差較小，板式換熱器的端差比管殼式換熱器可以做得更小，因此選用了板式換熱器。

表2 板式換熱器相關(guān)參數(shù)

三是生水取自化水車間超濾前的進水母管段，出化水車間后上綜合管架，通過換熱器升溫后的出水管經(jīng)綜合管架回到化水車間?；囬g的接入點都在原管殼式換熱器進出口管道上，與其并聯(lián)。室外部分的管道需要保溫。

四是閉式水取水在閉式水換熱器進水母管，在進水母管上設(shè)置旁路配套有電動蝶閥，閉式水經(jīng)過換熱器換熱后回閉式水母管。

五是往年冬、春兩季，降雨量小，翻身河上游來水減少，海水漲潮時翻身河有倒灌現(xiàn)象，導(dǎo)致生水電導(dǎo)率最高可達到3500us/cm 左右（閉式水側(cè)11us/cm 左右）。為防止換熱器發(fā)生泄漏時生水竄入閉式水系統(tǒng)，控制閉式水側(cè)壓力（0.5MPa 左右）大于生水側(cè)壓力（0.3MPa）。同時，閉式水側(cè)、生水側(cè)均加裝了電導(dǎo)率表，可在線實時監(jiān)視，當(dāng)閉式水電導(dǎo)率高時，系統(tǒng)自動停止運行，聯(lián)鎖關(guān)閉相關(guān)閥門，確保閉式水系統(tǒng)安全運行。

圖1 系統(tǒng)圖

六是新增系統(tǒng)就地設(shè)置了控制柜，控制系統(tǒng)接入電廠DCS 系統(tǒng)，由集控中心操作，也可通過就地控制柜操作。

4 改造效果

4.1 項目投運后運行情況

圖2 集控畫面

系統(tǒng)監(jiān)視和運行調(diào)整。本系統(tǒng)的監(jiān)盤、調(diào)節(jié)均集控人員集中控制，根據(jù)化學(xué)專業(yè)制水需求啟停?；瘜W(xué)DCS 和主機DCS 監(jiān)視都在集控室，啟動和停運時可綜合監(jiān)視分析閉式水箱水位、閉式水溫度及其他參數(shù)變化，便于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常，避免影響主機閉式水系統(tǒng)安全運行。

對閉式水換熱的影響。新增系統(tǒng)流量為240t/h的板換，與閉式水換熱器并聯(lián)，通過變頻控制增壓泵出口壓力，使板換出口壓力稍高于閉式水換熱器出口壓力0.02MPa，保障了本系統(tǒng)的換熱效果，不影響閉式水換熱器換熱效果。板換的水量對于閉式泵1400t/h 的流量，從長期運行情況看，沒有對閉式水系統(tǒng)水溫、壓力造成影響。

對生水系統(tǒng)壓力的影響。生水系統(tǒng)進入超濾前的壓力需求為0.15MPa，現(xiàn)有3臺變頻泵的出口設(shè)計壓力0.35MPa，自清洗過濾器的壓降為0.15MPa，原設(shè)計裕量略有不足。新增的板式生水加熱器壓降≯0.5MPa，在生水加熱器生水側(cè)增加一套揚程為15m 的變頻增壓泵，滿足本系統(tǒng)生水側(cè)的升壓需求，同時解決了目前3臺變頻泵設(shè)計壓力裕量不足的問題，提高了生水系統(tǒng)運行的安全性、穩(wěn)定性。變頻泵跟隨超濾前的壓力進行自動頻率調(diào)整。

對閉式水水質(zhì)的影響。新裝板式換熱器沒有發(fā)現(xiàn)泄漏，閉式水電導(dǎo)率顯示正常；再者，閉式水運行壓力比生水側(cè)高，不存在生水泄漏至閉式水側(cè)，不會影響閉式水電導(dǎo)率。

對循環(huán)水系統(tǒng)的影響。新增系統(tǒng)運行后，經(jīng)過原閉式水換熱器的水量減小，閉式水換熱器需要的開式冷卻水量減小，凝汽器冷卻水量有所提高，有利于保持真空；而且循泵的電流稍有下降。整體來說，新增生水加熱系統(tǒng)對機組的能耗改善是有利的。

4.2 系統(tǒng)運行達到的主要指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)。系統(tǒng)運行期間，生水溫度在5～20℃，經(jīng)過閉式水加熱后生水溫度能達到25℃左右，滿足超濾裝置入口水溫的要求。板式換熱器換熱效率高，生水增壓泵和閉式水增壓泵各頻率段軸承座處振動值≤0.05mm（雙振幅值），軸承溫度≤80℃，系統(tǒng)運行期間測量增壓泵振動等參數(shù)均合格。

經(jīng)濟效益指標(biāo)。項目投運后，統(tǒng)計2021年度運行時長和生水制水量，計算每年生水加熱節(jié)省的蒸汽量，折合成生產(chǎn)費用，結(jié)合當(dāng)年的煤價，從而得出每年可節(jié)約生產(chǎn)費用100萬元左右。

5 結(jié)語

針對30℃的低溫水來說，電廠一般不會犧牲閉式水的安全性加以利用。該項目開展之前，國內(nèi)北方大型火電廠還沒有利用閉式水低溫余熱加熱生水的案例，通過本研究的成功應(yīng)用，證明閉式水加熱生水是可行的、可控的。而且經(jīng)濟效益良好，系統(tǒng)運行安全、可靠，運維人員反饋良好，比原管殼式換熱器效率高、操作方便，系統(tǒng)運行更穩(wěn)定。

隨著煤炭價格高漲，電力系統(tǒng)運行成本不斷提高，給電廠節(jié)能降耗工作提出了更高要求。如果把閉式水低溫余熱應(yīng)用技術(shù)推廣到北方其他大型火電廠，節(jié)能效果是非常明顯的。除了加熱生水，還可以利用閉式水加熱電廠的生活水，代替電熱水器等換熱設(shè)備，實現(xiàn)冬季24h 熱水；同時，還可以加熱除鹽水，提高除鹽水達到一定的儲能效果；還可以應(yīng)用到燃機電廠、熱電聯(lián)產(chǎn)電廠等?？傊?，閉式水低溫余熱的深度利用技術(shù)可應(yīng)用到電廠低溫余熱利用，達到良好的節(jié)能降耗目標(biāo)。