淺談熱電廠節(jié)能改造之電動給水泵改汽動給水泵

謝毅 彭慧穎

中國輕工業(yè)長沙工程有限公司，中國·湖南 長沙 410000

目前，中國一些耗能較多的企業(yè)如造紙廠、化工廠、制鹽廠存在較大的節(jié)能減排壓力，其自備熱電廠的供能方式往往又存在汽多電少或汽電平衡困難等問題。論文通過對熱電廠汽電平衡的分析，來介紹電動給水泵改汽動給水泵節(jié)能技術的應用。

熱電廠；節(jié)能減排；給水泵

1 引言

隨著中國經濟快速增長和人們生活水平的提高，向環(huán)境排放的總量也在隨之增長，給環(huán)境帶來的危害日益嚴重，同時也越來越被人們所重視，為緩解這一危機，目前已有多個國家宣布或計劃關停所有燃煤電廠，歐盟、美國、日本、加拿大都將碳中和時間定為 2050 年，我國也提出了二氧化碳的碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取到2060 年前實現(xiàn)“碳中和”。2021 年中共中央、國務院印發(fā)的《關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》發(fā)布中提出五方面主要目標：構建綠色低碳循環(huán)發(fā)展經濟體現(xiàn)；提升能源利用效率；提高非化石能源消費比重；降低二氧化碳排放水平；提升生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力。

造紙工業(yè)屬于中國的一項重要產業(yè)，這一產業(yè)的運行與能源利用之間存在著不可分割的聯(lián)系，其自備熱電廠的經濟性和穩(wěn)定性對生產運營影響較大，隨著我國碳達峰、碳中和目標的推進，政策對企業(yè)的排放施加的壓力也越來越大。

近年來，行業(yè)不但面臨減排政策的壓力，其市場競爭也日益激烈，單位產能的能耗成本也需要降低以提升產品競爭力。

因此，在這個大環(huán)境下以及行業(yè)競爭壓力下，傳統(tǒng)高耗能企業(yè)需積極地全方面去探索節(jié)能減排技術[1]。

2 國內部分熱電廠現(xiàn)狀

中國江蘇某造紙企業(yè)，其自備熱電廠裝機規(guī)模為4 臺高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐（2×220t/h+2×130 t/h），鍋爐3用1 備，一臺燃造紙固廢鍋爐，3 臺燃煤鍋爐，共配套兩臺CB25MW 兩臺背壓發(fā)電機組和一臺CN25MW 抽凝發(fā)電機組，低壓供汽參數(shù)約為0.8MPa.g、260℃。鍋爐給水系統(tǒng)為母管制，共配置有5 臺定速電動給水泵，3 臺高壓除氧器。熱電廠正常運行時的狀態(tài)為：

①1 臺固廢焚燒鍋爐匹配CN25MW 抽凝汽輪機單獨運行，固廢焚燒鍋爐的負荷高低依賴固廢物燃料的供應量，無條件根據(jù)用戶所需電力多少靈活調節(jié)鍋爐負荷。

②3 臺燃煤鍋爐通過母管制共匹配兩臺CB25MW 抽汽背壓汽輪機，背壓汽輪機的特點為以熱定電、熱負荷調節(jié)能力強，但隨著供熱負荷的調節(jié)供電負荷也隨之產生較大變化，存在汽電負荷難以兼顧的問題。

③全廠鍋爐產汽能力富余而供電能力不足，電力缺口需從外供電網補充，外購電的成本高于企業(yè)自發(fā)電成本。

④用電高峰季節(jié)，外接的電力供應緊張，存在限工業(yè)用電的壓力，企業(yè)需降低生產負荷運營。

綜合以上，此企業(yè)全廠的汽電調節(jié)不平衡、不靈活，自供電不足，成為該廠運營中的痛點，對于僅裝機背壓汽輪機的熱電廠此種情況尤為突出。因此，減少廠用電率，增強汽電負荷調節(jié)手段，成為熱電廠熱力系統(tǒng)優(yōu)化改造的方向。

對耗電量較大的設備將電力驅動改成蒸汽驅動，能適當調節(jié)汽電比，降低廠用電率，顯然屬于熱電廠的優(yōu)化方案之一，下面將以江蘇某造紙企業(yè)熱電廠的改造實例來探討設備電力驅動改成蒸汽驅動的方法。

3 驅動汽輪機進汽參數(shù)選擇

自備熱電廠裝機的“大機”比改造給水泵用的“小機”做功效率高，為節(jié)能考慮“小機”驅動汽源宜采用“大機”做功后的抽汽或背壓排汽較為合適。給水泵運行工況較為穩(wěn)定，其驅動用汽的參數(shù)和流量也要求較穩(wěn)定。汽機中間抽汽參數(shù)為1.8MPa、323℃，比背壓排汽參數(shù)稍高，但全廠抽汽用量較少，當抽汽負荷波動較大時，此汽源壓力波動也較大，因此抽汽不適合提供“小機”驅動用汽，而選取熱電廠“大機”的背壓排汽（0.9MPa.a、260℃）作為汽源[2]。

4 方案分析比較

4.1 蒸汽驅動汽輪機

蒸汽驅動汽輪機分為背壓式和純凝式兩種形式，技術上都可行，且都有較多的應用案例，兩種形式的特點分別為：

背壓式：系統(tǒng)簡單、排汽余熱能回收利用、單位耗汽量下輸出功率相對較小，如圖1 所示。

圖1 背壓式蒸汽驅動汽輪機

純凝式：系統(tǒng)相對復雜，設備較多、占地面積較多，存在冷源損失，增加了循環(huán)冷卻水泵的電耗，單位耗汽量下輸出功率相對較高，如圖2 所示。

圖2 純凝式蒸汽驅動汽輪機

根據(jù)常規(guī)項目，列舉主機設備參數(shù)進行對比（適用于1.0MW～3.0MW 機型），見表1。

表1 主機參數(shù)對比表

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，為盡量提高汽輪機做功能力，汽輪機的排汽壓力均選取較低，純凝式方案中的排汽溫度僅40℃無利用價值，做功后排入凝汽器被循環(huán)水冷卻，大量余熱通過冷卻塔排入大氣；而背壓式方案中的排汽溫度為104℃，一般可用于預熱或烘干，如烘干污泥、烘干物料、預熱工藝系統(tǒng)補水等，如此排汽余熱能被全部消納，熱效率非常高，如排汽余熱無法被系統(tǒng)消納，技術上僅能選取純凝式方案。

4.2 熱力系統(tǒng)分析

根據(jù)此改造企業(yè)的余熱可利用情況，104℃的排汽適合用于預熱熱力系統(tǒng)中的補水，現(xiàn)從全廠補水系統(tǒng)進行分析核實“小機”的余熱排汽是否能被系統(tǒng)內的低溫補水所冷卻。

根據(jù)原始設計資料及現(xiàn)場調研獲取了各路補水的數(shù)據(jù)，見表2。

表2 補水匯總表

冷卻水源需要持續(xù)穩(wěn)定，才能保證“小機”的安全運行，否則無法冷卻的蒸汽在管道內憋壓使排汽壓力升高，排汽管道上的安全保護閥將頻繁事故性動作，甚至有可能引起“小機”跳機的風險，從而影響到全廠系統(tǒng)的正常運行。從表2 可知能用于冷卻排汽的低溫穩(wěn)定水源僅有從冷渣機回來余熱來的除鹽水，水量約為160t/h。根據(jù)表一中背壓排汽蒸汽參數(shù)，將160t/h 補水從57℃加熱至100℃反推算排汽流量約為14.5t/h，再依據(jù)表一中汽輪機的汽耗率計算汽拖背壓機可裝機功率為1.2MW，正好可匹配原裝機的#2 或#3 電動給水泵，其電機功率均為1.12MW。

通過以上分析本項目給水泵改造采用背壓式方案完全可行，需要將原有除氧器補水系統(tǒng)的管道連接稍做改造，如圖3 所示。

圖3 熱力系統(tǒng)

4.3 經濟效益分析

背壓式改造方案受限于系統(tǒng)對排汽余熱的消納能力，僅能支撐改造較小功率的#2 或#3 電動給水泵（1.12MW）；如采用純凝式方案輸出功率無此限制，可支撐改造較大功率的#5 給水泵（1.8MW），業(yè)主也希望盡可能改造較大功率的#5 給水泵，以緩解外購電的壓力[3]?，F(xiàn)通過簡單的經濟性計算，將兩種方案從工程總造價、運行費用、節(jié)省電力方面進一步對比，見表3。

表3 經濟性對比表

根據(jù)以上計算對比可知，純凝機方案因設備多耗電高、存在較大的冷源損失而難以盈利，背壓機方案收益好，投資回收期短，且系統(tǒng)簡單可靠，最終選擇了對1.1MW 的給水泵采用背壓式汽拖機的改造方案。

4.4 社會效益

本次節(jié)能優(yōu)化相當于將除氧加熱蒸汽進行了梯級利用，先將相對高品質的蒸汽用于做功，做功后的低品質乏汽用于加熱除氧器補水，節(jié)能效果明顯。通過本次改造，理論上每年可節(jié)約標準煤1316t，對減少熱電廠煤耗、降低排放總量及保護當?shù)丨h(huán)境有積極意義。

5 結論

在節(jié)能減排的技術路線中，并非所有的電力驅動改蒸汽驅動都能較好的匹配全廠的熱力系統(tǒng)，需要通過技術分析和經濟性分析來驗證可行性。背壓式汽力拖動節(jié)能效果明顯；而純凝式汽力拖動也有較多的應用案例，根據(jù)分析其適用的場景有：①有余熱蒸汽回收且蒸汽無其他用途情況下，具有良好的經濟性和節(jié)能減排效果；②較大的火力發(fā)電廠中，因大型電動設備比小型汽輪機還貴，且大型電動機起動電流大，對廠用電系統(tǒng)運行不利，常采用汽輪給水泵運行；③停電時汽力拖動設備仍可保證一段時間正常運行，因此在可靠性要求特別高的情況下，可采用亦可采用純凝式汽力拖動方案。

通過本次改造，總結熱電廠在以下方面得到了優(yōu)化：

①降低了廠用電，優(yōu)化了汽電平衡，緩解了外購電成本及外網限電的壓力；

②定速電動給水泵改成變速汽動給水泵，給水流量的調節(jié)將更節(jié)能；

③改造使“大機”的用汽負荷有適當增加，“大機的”進汽量和發(fā)電量也隨之增加，利于全廠熱電平衡；

④采用汽動給水泵啟動時可緩解大電機啟動時對廠內電力系統(tǒng)的沖擊；

⑤降低了煤耗指標，減少了碳排放總量。

綜上所述，在能獲得較好的經濟效益和良好的社會效益下，此類改造項目值得借鑒，且建議符合條件的企業(yè)積極推廣應用。