汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)耦合凝汽器余熱回收方式淺析

楊浩,高秀志,孫蓮,謝林貴,黃浩東,俞越,鄭湘泉,胡勇

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000）

近些年來，為實(shí)現(xiàn)城市集中供熱，使人民群眾生活更加舒適，并且能夠達(dá)到節(jié)能效果，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組已經(jīng)成為新增機(jī)組的主力機(jī)型[1－2]。隨著我國“炭達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，對供熱汽輪機(jī)組來說，循環(huán)冷端的余熱利用、減小廢熱排放和提高電廠熱力循環(huán)效率成了當(dāng)前的迫切要求。

常規(guī)火電機(jī)組的凝汽器余熱是直排大氣或通過循環(huán)水排往自然水域，造成較大的熱量損失和環(huán)境熱污染。小部分火電機(jī)組設(shè)置了熱泵系統(tǒng)，如壓縮式熱泵技術(shù)[3－4]、吸收式熱泵技術(shù)[5－7]、基于Co－ah 循環(huán)[8]以及凝汽器高背壓改造技術(shù)[9]等，但僅能對電廠給定溫度的循環(huán)水進(jìn)行余熱回收，而該循環(huán)水溫并非熱泵工作的最優(yōu)工作區(qū)間，造成項(xiàng)目投資較大，整個(gè)機(jī)組及余熱回收系統(tǒng)的收益無法做到最優(yōu)化。

因此，將汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)與凝汽器余熱回收系統(tǒng)耦合設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)常規(guī)火電機(jī)組在冬季供熱工況凝汽器余熱回收，同時(shí)減少電廠的環(huán)境熱污染，值得進(jìn)一步深化研究。

1 凝汽器余熱回收系統(tǒng)

本文以新疆某150 MW 火電機(jī)組為例，對機(jī)組進(jìn)行凝汽器余熱回收設(shè)計(jì)改造。該機(jī)組發(fā)電主要用于化工產(chǎn)品生產(chǎn)，原運(yùn)行的2 臺135 MW 燃煤發(fā)電機(jī)組經(jīng)通流改造后增容至150 MW，增容后的1 號機(jī)組多余蒸汽通過汽輪機(jī)抽汽供集團(tuán)內(nèi)部化工產(chǎn)品生產(chǎn)使用，機(jī)組發(fā)電量仍維持135 MW以保證該集團(tuán)的化工生產(chǎn)用電，即1 號機(jī)組的抽汽已完全滿足集團(tuán)化工生產(chǎn)的用汽量需求。

對于2 號機(jī)組改造擴(kuò)容帶來的多余蒸汽擬通過換熱首站的形式供烏魯木齊市主城區(qū)民居使用。該城市居民原供熱主要來自多臺燃?xì)忮仩t。天然氣價(jià)格逐年攀升，供熱成本越來越大，需要尋求較低成本利用的工業(yè)余熱利用來滿足供熱需求。同時(shí)，供熱公司在燃?xì)忮仩t供熱過程中，已長期通過溴化鋰吸收式熱泵來實(shí)現(xiàn)將燃?xì)忮仩t的排放煙氣內(nèi)的余熱利用，并成功將煙氣的排放溫度降至40 ℃以下，余熱回收及降本效果非常明顯。因此針對2 號機(jī)組的余熱回收改造方案，供熱公司希望進(jìn)一步通過溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)利用部分汽輪機(jī)抽汽作為高品質(zhì)熱源來實(shí)現(xiàn)回收利用凝汽器循環(huán)水的低品質(zhì)熱源，滿足供熱需求的同時(shí)降低熱電廠冷卻塔的負(fù)荷，減少冷卻塔的排“煙”（濕空氣）量。另外，在換熱首站內(nèi)設(shè)置尖峰換熱器實(shí)現(xiàn)供熱需求端的調(diào)峰（極端工況可進(jìn)一步通過熱力公司自己的燃?xì)忮仩t來進(jìn)行補(bǔ)供熱調(diào)峰）。

根據(jù)上述機(jī)組實(shí)際條件，設(shè)計(jì)的熱力系統(tǒng)耦合凝汽器余熱回收系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 熱力系統(tǒng)耦合凝汽器余熱回收系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)的運(yùn)行原理為從汽輪機(jī)連通管引出抽汽作為換熱首站尖峰加熱器和熱泵機(jī)組的高品質(zhì)熱源。溴化鋰吸收式熱泵利用汽輪機(jī)抽汽作為高品質(zhì)熱源從凝汽器循環(huán)水中吸收低品質(zhì)的熱量，連同高品質(zhì)熱源的熱量一起傳遞給熱網(wǎng)回水，最終實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)回水溫度提升滿足供熱需求，同時(shí)凝汽器循環(huán)水溫度降低，返回凝汽器使用。

2 汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)耦合凝汽器余熱回收

工業(yè)余熱雖然數(shù)量巨大，但都是品位較低的能源，一般15～35 ℃，無法直接使用。溴化鋰吸收式熱泵可以把溫度較低的熱能提升為溫度較高的熱能，同時(shí)，熱泵也必須消耗一定的高品位能量，如機(jī)械能、電能或高溫?zé)崮艿取?/p>

通常來說，將熱泵運(yùn)行時(shí)消耗的高品位能量設(shè)為Q1，回收的低品位能量設(shè)為Q2，則熱泵的性能系數(shù)（COP 值）定義為式（1）：

與鍋爐、電加熱器等制熱裝置相比，熱泵的特點(diǎn)是消耗少量的高品位能量，即可獲得大量所需熱能。

吸收式熱泵的造價(jià)一般較高，所以進(jìn)行基于吸收式熱泵的電廠余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要滿足用熱需求及余熱回收的效率，還要重點(diǎn)考慮投資成本。成本回收年數(shù)n 是一個(gè)重要的參考依據(jù)，相關(guān)文獻(xiàn)給出了其計(jì)算方法，見式（2）：

式中，I 為吸收式熱泵的設(shè)備投資，元；Q 為吸收式熱泵一年的總制熱量，MJ/年；S 為熱泵所取代的加熱裝置的產(chǎn)熱成本，元/MJ；E 為熱泵驅(qū)動熱源的熱量成本，元/MJ；COP 為熱泵的性能系數(shù)；q 為熱泵的額定出力，MJ/h；t 為熱泵全年折算成全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間，h/年。

由式（2）可見，COP 值越高，回收年數(shù)越短，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要合理選擇熱水的升溫幅度。

根據(jù)前述電廠提供的運(yùn)行數(shù)據(jù)，在額定供熱工況各熱源點(diǎn)參數(shù)見表1。

表1 某150 MW 機(jī)組熱力參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)，結(jié)合式（1）、式（2）對溴化鋰熱泵進(jìn)行選型計(jì)算，其參數(shù)見表2，熱泵單價(jià)918 萬元/臺。

表2 熱泵I 選型參數(shù)

根據(jù)溴化鋰溶液的性質(zhì)，如圖2 所示，在低溫條件其冷劑（水）的蒸發(fā)壓力隨溫度降低而降低，因此，當(dāng)余熱水（即凝汽器的循環(huán)水）溫度較低時(shí)，熱泵工作的蒸發(fā)壓力也較低，造成熱泵制造及運(yùn)行成本均較高。

圖2 溴化鋰溶液性質(zhì)

針對上述情況，可以對汽輪機(jī)組進(jìn)行通流核算，在滿足機(jī)組安全運(yùn)行的情況下，通過升背壓的方式適當(dāng)提高余熱水的溫度，優(yōu)化吸收式熱泵的運(yùn)行條件，進(jìn)而降低其初期投入。

經(jīng)過熱力聯(lián)算，當(dāng)把凝汽器背壓由4.9 kPa.a升高至6.5 kPa.a 時(shí)，循環(huán)水出口溫度為34.6 ℃，即為吸收式熱泵的余熱入口溫度。采用軟件對吸收式熱泵的熱力系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真。

驅(qū)動蒸汽（參數(shù)0.35 MPa.a，174.7 ℃，100.6 t/h）依次經(jīng)過發(fā)生器、疏水冷卻器。此過程中，驅(qū)動熱源的熱量首先被傳遞給溴化鋰溶液，使其溶液中的水分蒸發(fā)，形成高溫水蒸氣，同時(shí)，溴化鋰溶液濃度由稀溶液變成濃溶液；然后，驅(qū)動蒸汽形成的凝結(jié)水再進(jìn)一步被熱網(wǎng)水冷卻，最終變成溫度為50 ℃的熱水，排出熱泵。余熱水經(jīng)蒸發(fā)器后，溫度由34.6 ℃降低為30.3 ℃，余熱熱量被低溫水吸收，變成低溫水蒸氣。

熱網(wǎng)水進(jìn)吸收式熱泵后，被分成兩部分；一部分熱網(wǎng)水去疏水冷卻器，與驅(qū)動熱源凝結(jié)成的飽和水進(jìn)行換熱，吸收熱量，進(jìn)一步降低該凝結(jié)水的溫度；另一部分熱網(wǎng)水去吸收式熱泵的吸收器，與溴化鋰濃溶液進(jìn)行換熱，此時(shí)溴化鋰濃溶液吸收蒸發(fā)器來的水蒸氣，濃度降低釋放熱量給熱網(wǎng)水；然后，熱網(wǎng)水再到吸收式熱泵的冷凝器，該過程中，熱網(wǎng)水將高溫水蒸氣凝結(jié)，吸收熱量；凝結(jié)水再經(jīng)減壓后至蒸發(fā)器；最終熱網(wǎng)水變成溫度為68.3 ℃的中溫水，再與水水換熱器出來的熱水進(jìn)行混合，排出熱泵。

根據(jù)上述參數(shù)，結(jié)合式（1）、式（2）對溴化鋰熱泵進(jìn)行選型計(jì)算，其參數(shù)見表3，熱泵單價(jià)約800萬元/臺。

表3 熱泵II 選型參數(shù)

上述熱泵出口溫度的進(jìn)一步提升，可以通過尖峰加熱器實(shí)現(xiàn)。

對比表2、表3 可知，將汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)與凝汽器余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行耦合分析，優(yōu)化吸收式熱泵的運(yùn)行條件，可有效降低項(xiàng)目的初期投資（本文所舉范例僅熱泵成初期設(shè)備成本就節(jié)約300 萬元），設(shè)備的成本回收年數(shù)也有所降低。

3 余熱回收對熱力系統(tǒng)的影響

根據(jù)前文所述，將凝汽器余熱回收與熱力系統(tǒng)進(jìn)行耦合分析，凝汽器背壓有所升高，循環(huán)水溫度調(diào)整到吸收式熱泵較為經(jīng)濟(jì)的工作溫度區(qū)間，本節(jié)將對此種調(diào)整對于整個(gè)機(jī)組的熱力系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析。

根據(jù)機(jī)組進(jìn)行余熱利用前的熱平衡圖，摘錄其主要熱力參數(shù)，見表4。

表4 未進(jìn)行余熱耦合利用前的熱力系統(tǒng)參數(shù)

將凝汽器余熱利用與機(jī)組熱力系統(tǒng)進(jìn)行耦合分析后，機(jī)組的主要熱力參數(shù)見表5。

表5 將凝汽器余熱利用耦合機(jī)組熱力系統(tǒng)參數(shù)

對比表4、表5 可知，機(jī)組背壓升高后，電機(jī)功率略有降低（1.2 MW），供熱蒸汽量增加93 t/h。按火力發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)0.3 元/kWh，供熱單價(jià)30元/GJ 計(jì)算，電費(fèi)損失1 200×0.3×24=8 640 元/天；增加的供熱收益為：30×93×2.8×24=187 488 元/天。

由此可見，將凝汽器余熱利用與機(jī)組熱力系統(tǒng)耦合分析后，電廠每天可增加收入約17.9 萬元。同時(shí)，熱力公司在余熱利用系統(tǒng)的投入亦可降低，成本回收年數(shù)也會減小。因此，耦合分析對于電廠、熱力公司都能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣。

4 結(jié)論

余熱（循環(huán)水）的溫度會影響余熱回收的效率和經(jīng)濟(jì)性，還會影響輸出熱源的溫度。余熱溫度較低時(shí)，制取熱水的溫度不宜太高，否則熱泵的成本會較高，經(jīng)濟(jì)性就比較差。當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，進(jìn)入熱泵蒸發(fā)器的余熱水的溫度越高，越有利于余熱回收。余熱水出口溫度每升高1 ℃，余熱回收量增加4%～6%，原因是熱泵的蒸發(fā)壓力取決于余熱水的出口溫度，余熱水的出口溫度越低，蒸發(fā)壓力（蒸發(fā)溫度）下降，熱泵系統(tǒng)吸收器中吸收冷劑中水蒸氣的能力減弱，稀溶液的濃度升高，繼而余熱的回收量下降。

因此，在新設(shè)機(jī)組或者老機(jī)組凝汽器余熱改造項(xiàng)目中，采用上述方法，將凝汽器余熱回收與汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)進(jìn)行耦合分析，可有效降低成本，提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到節(jié)能減排的目的。