汽輪機熱力系統(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

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

近些年來，為實現(xiàn)城市集中供熱，使人民群眾生活更加舒適，并且能夠達到節(jié)能效果，熱電聯(lián)產(chǎn)機組已經(jīng)成為新增機組的主力機型[1－2]。隨著我國“炭達峰、碳中和”目標的提出，對供熱汽輪機組來說，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)效率成了當前的迫切要求。

常規(guī)火電機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，造成項目投資較大，整個機組及余熱回收系統(tǒng)的收益無法做到最優(yōu)化。

因此，將汽輪機熱力系統(tǒng)與凝汽器余熱回收系統(tǒng)耦合設(shè)計，以實現(xiàn)常規(guī)火電機組在冬季供熱工況凝汽器余熱回收，同時減少電廠的環(huán)境熱污染，值得進一步深化研究。

1 凝汽器余熱回收系統(tǒng)

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

對于2 號機組改造擴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氣鍋爐。天然氣價格逐年攀升，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，供熱公司在燃氣鍋爐供熱過程中，已長期通過溴化鋰吸收式熱泵來實現(xiàn)將燃氣鍋爐的排放煙氣內(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 號機組的余熱回收改造方案，供熱公司希望進一步通過溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)利用部分汽輪機抽汽作為高品質(zhì)熱源來實現(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降低熱電廠冷卻塔的負荷，減少冷卻塔的排“煙”（濕空氣）量。另外，在換熱首站內(nèi)設(shè)置尖峰換熱器實現(xiàn)供熱需求端的調(diào)峰（極端工況可進一步通過熱力公司自己的燃氣鍋爐來進行補供熱調(diào)峰）。

根據(jù)上述機組實際條件，設(shè)計的熱力系統(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)的運行原理為從汽輪機連通管引出抽汽作為換熱首站尖峰加熱器和熱泵機組的高品質(zhì)熱源。溴化鋰吸收式熱泵利用汽輪機抽汽作為高品質(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，最終實現(xiàn)熱網(wǎng)回水溫度提升滿足供熱需求，同時凝汽器循環(huán)水溫度降低，返回凝汽器使用。

2 汽輪機熱力系統(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，熱泵也必須消耗一定的高品位能量，如機械能、電能或高溫熱能等。

通常來說，將熱泵運行時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。

吸收式熱泵的造價一般較高，所以進行基于吸收式熱泵的電廠余熱回收系統(tǒng)設(shè)計時，不僅要滿足用熱需求及余熱回收的效率，還要重點考慮投資成本。成本回收年數(shù)n 是一個重要的參考依據(jù)，相關(guān)文獻給出了其計算方法，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荷運行時間，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)計時要合理選擇熱水的升溫幅度。

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

表1 某150 MW 機組熱力參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)，結(jié)合式（1）、式（2）對溴化鋰熱泵進行選型計算，其參數(shù)見表2，熱泵單價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，當余熱水（即凝汽器的循環(huán)水）溫度較低時，熱泵工作的蒸發(fā)壓力也較低，造成熱泵制造及運行成本均較高。

圖2 溴化鋰溶液性質(zhì)

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

經(jīng)過熱力聯(lián)算，當把凝汽器背壓由4.9 kPa.a升高至6.5 kPa.a 時，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，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)成的飽和水進行換熱，吸收熱量，進一步降低該凝結(jié)水的溫度；另一部分熱網(wǎng)水去吸收式熱泵的吸收器，與溴化鋰濃溶液進行換熱，此時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）對溴化鋰熱泵進行選型計算，其參數(shù)見表3，熱泵單價約800萬元/臺。

表3 熱泵II 選型參數(shù)

上述熱泵出口溫度的進一步提升，可以通過尖峰加熱器實現(xiàn)。

對比表2、表3 可知，將汽輪機熱力系統(tǒng)與凝汽器余熱回收系統(tǒng)進行耦合分析，優(yōu)化吸收式熱泵的運行條件，可有效降低項目的初期投資（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)濟的工作溫度區(qū)間，本節(jié)將對此種調(diào)整對于整個機組的熱力系統(tǒng)的影響進行分析。

根據(jù)機組進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組熱力系統(tǒng)進行耦合分析后，機組的主要熱力參數(shù)見表5。

表5 將凝汽器余熱利用耦合機組熱力系統(tǒng)參數(shù)

對比表4、表5 可知，機組背壓升高后，電機功率略有降低（1.2 MW），供熱蒸汽量增加93 t/h。按火力發(fā)電上網(wǎng)電價0.3 元/kWh，供熱單價30元/GJ 計算，電費損失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，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)濟性，還會影響輸出熱源的溫度。余熱溫度較低時，制取熱水的溫度不宜太高，否則熱泵的成本會較高，經(jīng)濟性就比較差。當其他參數(shù)不變時，進入熱泵蒸發(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)機組或者老機組凝汽器余熱改造項目中，采用上述方法，將凝汽器余熱回收與汽輪機熱力系統(tǒng)進行耦合分析，可有效降低成本，提高運行的經(jīng)濟性，達到節(jié)能減排的目的。