電廠熱網(wǎng)循環(huán)水汽動(dòng)泵改造經(jīng)濟(jì)性分析

梁 偉

(中國(guó)石油集團(tuán)電能有限公司熱電二公司,黑龍江 大慶 163411)

0 引言

發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和建設(shè)節(jié)約型社會(huì),以盡量少的物質(zhì)消耗支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展。國(guó)家《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》明確,到2025年,全國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗比2020年下降13.5%,能源消費(fèi)總量得到合理控制,重點(diǎn)行業(yè)能源利用效率和主要污染物排放控制水平基本達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展綠色轉(zhuǎn)型取得顯著成效。《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級(jí)實(shí)施指南(2022年版)》要求,加強(qiáng)能量系統(tǒng)優(yōu)化、余熱余壓利用,通過(guò)推廣使用先進(jìn)技術(shù)裝備,提高生產(chǎn)工藝和技術(shù)裝備綠色化水平,提升資源能源利用效率[1]。近年來(lái),使用工業(yè)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備,在工業(yè)生產(chǎn)中得到推廣應(yīng)用,可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)控制、靈活調(diào)整,合理利用低品質(zhì)余熱,進(jìn)一步提升了能源利用效率,節(jié)能效果更加顯著。中國(guó)石油集團(tuán)電能有限公司熱電二公司是熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱企業(yè),裝機(jī)容量200 MW,擁有乘銀、讓龍兩個(gè)熱網(wǎng)首站,具有工業(yè)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)用蒸汽和動(dòng)力負(fù)荷,且乏汽熱能能夠回收利用,為工業(yè)汽輪機(jī)的應(yīng)用提供適宜平臺(tái)[2]。

1 電廠熱網(wǎng)系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)概況

熱電二公司熱網(wǎng)系統(tǒng)含乘銀、讓龍兩套相對(duì)獨(dú)立的熱網(wǎng)首站,其中,乘銀熱網(wǎng)擔(dān)負(fù)著向乘風(fēng)莊、銀浪地區(qū)居民采暖供熱任務(wù),設(shè)計(jì)供熱負(fù)荷360 MW,供熱面積609.54×104m2;讓龍熱網(wǎng)擔(dān)負(fù)著向讓胡路、龍南地區(qū)居民采暖供熱任務(wù),設(shè)計(jì)供熱負(fù)荷365 MW,供熱面積707.4×104m2。近年來(lái),隨著城市建設(shè)和小鍋爐房關(guān)停,兩個(gè)熱網(wǎng)覆蓋面積逐年增加,基礎(chǔ)供熱面積已達(dá)2 300×104m2,年供熱量約900×104GJ。大慶地區(qū)冬季供熱期為183天,年供熱時(shí)間4 392 h, 供熱穩(wěn)定期兩網(wǎng)循環(huán)水瞬時(shí)流量約12 800 m3/h,兩網(wǎng)循環(huán)水泵年耗電量約為2 400×104kW·h。乘銀熱網(wǎng)主要包括熱網(wǎng)循環(huán)水泵、汽水加熱器、水水加熱器、熱網(wǎng)除氧器、補(bǔ)水泵以及汽水管路和閥門(mén),其汽水系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 乘銀熱網(wǎng)汽水系統(tǒng)

讓龍熱網(wǎng)主要包括熱網(wǎng)循環(huán)水泵、高壓加熱器、低壓加熱器、疏水罐、補(bǔ)水泵和疏水泵等,其汽水系統(tǒng)流程如圖2所示。由于兩網(wǎng)運(yùn)行方式均由原設(shè)計(jì)的直供網(wǎng)改為間供網(wǎng),循環(huán)水運(yùn)行調(diào)整為高溫小流量,加大了熱量與水量匹配難度,循環(huán)水運(yùn)行壓力較泵額定參數(shù)偏離較大,也增加了供水系統(tǒng)節(jié)流損失。如采用工業(yè)汽輪機(jī)將電動(dòng)泵替換為汽動(dòng)泵,不僅可實(shí)現(xiàn)循環(huán)水泵變速調(diào)節(jié),化解供熱量與水量匹配矛盾,保持管網(wǎng)壓力平穩(wěn),降低節(jié)流損失,大幅降低熱網(wǎng)系統(tǒng)電量消耗,還能將做功后的乏汽用于讓龍熱網(wǎng)低壓加熱器,實(shí)現(xiàn)蒸汽能量的梯級(jí)利用,綜合節(jié)能效果將十分顯著[3-5]。

圖2 讓龍熱網(wǎng)汽水系統(tǒng)

1.2 循環(huán)水系統(tǒng)

乘銀熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)共11臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)水泵,供熱初、末期平均4臺(tái)運(yùn)行,供暖大負(fù)荷期6臺(tái)運(yùn)行,大負(fù)荷期供水流量約6 500 m3/h,供水壓力為1.10 MPa,回水壓力為0.1～0.2 MPa。

讓龍熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)共5臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)水泵,供熱初、末期平均1臺(tái)泵運(yùn)行,大負(fù)荷期間2臺(tái)運(yùn)行,大負(fù)荷期供水流量約6 300 m3/h,供水壓力1.20 MPa,回水壓力為0.1～0.2 MPa。

熱網(wǎng)循環(huán)水泵主要參數(shù)見(jiàn)表1。兩網(wǎng)設(shè)計(jì)供、回水溫度分別為110 ℃、70 ℃,供暖期隨氣溫變化,對(duì)供水溫度及匹配的流量調(diào)度進(jìn)行調(diào)整,每套熱網(wǎng)供熱計(jì)量是通過(guò)供回水流量、溫度等測(cè)量數(shù)據(jù)核算得出。

表1 熱網(wǎng)循環(huán)水泵主要參數(shù)

1.3 蒸汽系統(tǒng)

1)中溫中壓蒸汽,用作乘銀熱網(wǎng)汽水加熱器和讓龍熱網(wǎng)高壓加熱器汽源,來(lái)源包括1號(hào)、2號(hào)汽輪機(jī)的背壓排汽及3號(hào)汽輪機(jī)的中壓抽汽,事故情況下為保證民用采暖供熱,還可以由主蒸汽通過(guò)減溫減壓裝置獲得。上述蒸汽通過(guò)中溫中壓蒸汽管網(wǎng)并列運(yùn)行,管網(wǎng)參數(shù)基本保持在1.05 MPa、280 ℃。

2)廠用低壓蒸汽,額定參數(shù)為0.15 MPa、172 ℃,由中溫中壓蒸汽通過(guò)減溫減壓得到,用作讓龍熱網(wǎng)低壓加熱器汽源。

3)乘銀熱網(wǎng)換熱設(shè)備包括8臺(tái)汽水加熱器,單臺(tái)換熱面積為466 m2。在汽水加熱器中,中溫中壓蒸汽與熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行換熱,將熱量傳遞給熱網(wǎng)循環(huán)水;2臺(tái)水水加熱器,每臺(tái)換熱面積為450 m2,在水水加熱器中,則是由汽水加熱器導(dǎo)出的疏水與循環(huán)水進(jìn)行換熱。

4)讓龍熱網(wǎng)換熱設(shè)備包括4臺(tái)高壓加熱器,每臺(tái)換熱面積700 m2,4臺(tái)低壓加熱器,每臺(tái)換熱面積為420 m2。中溫中壓蒸汽在高壓加熱器中與熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行換熱,其疏水導(dǎo)入低壓加熱器與低壓蒸汽一同完成對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水的初步加熱。

1.4 疏水和補(bǔ)水系統(tǒng)

乘銀熱網(wǎng)疏水系統(tǒng)采用壓差疏導(dǎo)方式,中溫中壓蒸汽在汽水加熱器中完成熱量傳遞,其疏水經(jīng)水水加熱器再次換熱后,疏水壓力保持在0.2 MPa以上,溫度為80～100 ℃,通過(guò)熱網(wǎng)疏水母管導(dǎo)入機(jī)組低壓除氧系統(tǒng);乘銀熱網(wǎng)補(bǔ)水系統(tǒng)配備3臺(tái)補(bǔ)水泵,其額定流量185 m3/h,揚(yáng)程25 m。

讓龍熱網(wǎng)疏水系統(tǒng)配備4臺(tái)疏水泵,額定流量為275 m3/h,揚(yáng)程130 m,中溫中壓蒸汽在高壓加熱器中換熱后,其疏水導(dǎo)入低壓加熱器,并與低壓蒸汽一同加熱熱網(wǎng)循環(huán)水,換熱后所有疏水導(dǎo)入熱網(wǎng)疏水罐,再經(jīng)疏水泵送入機(jī)組高壓除氧器。讓龍熱網(wǎng)補(bǔ)水系統(tǒng)配備2臺(tái)補(bǔ)水泵,額定流量為586 m3/h,揚(yáng)程20.5 m。

兩網(wǎng)補(bǔ)水泵入口均與熱網(wǎng)除氧器下水管道相連,補(bǔ)水泵出口分別接至各自熱網(wǎng)循環(huán)水回水母管,熱網(wǎng)運(yùn)行時(shí)循環(huán)水回水壓力應(yīng)保持在0.1～0.2 MPa,否則應(yīng)啟動(dòng)或加大熱網(wǎng)補(bǔ)水,以防止回水壓力低導(dǎo)致熱網(wǎng)循環(huán)水泵汽化。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 汽輪機(jī)選型

常用的工業(yè)汽輪機(jī)按熱力系統(tǒng)原理可分為凝汽式汽輪機(jī)、背壓式汽輪機(jī)、抽汽式汽輪機(jī)和多壓式汽輪機(jī)。其中,凝汽式汽輪機(jī)和抽汽式汽輪機(jī)不同程度存在冷源損失,且機(jī)組整體占地面積大,配套的附屬系統(tǒng)較為復(fù)雜。多壓式汽輪機(jī)除直接利用鍋爐產(chǎn)生的蒸汽外,還可以引入生產(chǎn)流程中的余汽共同作功,但該類(lèi)汽輪機(jī)的性能、使用條件與熱電二公司實(shí)際需求并不匹配。背壓式汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊,配套的附屬設(shè)備少,沒(méi)有冷源損失,經(jīng)濟(jì)性和安全穩(wěn)定性突出,但其做功后的乏汽需要合理的接納和使用[6-7]。

熱電二公司具有工業(yè)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)所需中溫中壓蒸汽汽源,有大功率熱網(wǎng)循環(huán)水泵動(dòng)力負(fù)荷,且讓龍熱網(wǎng)低壓加熱器恰好能夠?qū)崿F(xiàn)乏汽的接納利用。因此,在工業(yè)汽輪機(jī)的選擇上,背壓汽輪機(jī)更適合用作熱網(wǎng)循環(huán)水泵動(dòng)力源。

2.2 參數(shù)確定

依據(jù)《火力發(fā)電廠供熱首站設(shè)計(jì)規(guī)范》,熱網(wǎng)循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)用背壓機(jī)功率不宜小于循環(huán)水泵軸功率的1.1倍,其背壓排汽壓力必須大于吸納設(shè)備運(yùn)行參數(shù),因此,在背壓式汽輪機(jī)終參數(shù)選取上應(yīng)有裕度。用于熱網(wǎng)循環(huán)水泵汽輪機(jī),以1.05 MPa、280 ℃作為汽輪機(jī)進(jìn)汽基準(zhǔn)初始參數(shù),以廠用低壓0.15 MPa、172 ℃蒸汽作為汽輪機(jī)排汽基準(zhǔn)終端參數(shù),結(jié)合驅(qū)動(dòng)的熱網(wǎng)循環(huán)水泵以及循環(huán)水系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù),確定汽輪機(jī)的具體型號(hào)和參數(shù)。

由于原乘銀熱網(wǎng)循環(huán)水泵容量小、效率低且占用空間大,因此在選擇乘銀熱網(wǎng)汽輪機(jī)參數(shù)時(shí),首先考慮拆除6臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)水泵,更換為2臺(tái)流量為3 500 m3/h,揚(yáng)程125 m的高效熱網(wǎng)循環(huán)水泵,并據(jù)此確定與該循環(huán)水泵配套的汽輪機(jī)型號(hào)為B1.7-1.05/0.2,其額定功率1 700 kW,額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍700～1 650 r/min,配套水泵轉(zhuǎn)速1 480 r/min,汽機(jī)額定進(jìn)汽量26.7 t/h。

讓龍熱網(wǎng)根據(jù)現(xiàn)有循環(huán)水泵的參數(shù)和系統(tǒng)實(shí) 際 運(yùn) 行工況,確定2臺(tái)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)型號(hào)為B1.9-1.05/0.2,其額定功率1 900 kW,轉(zhuǎn)速3 000 r/min,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍700～1 650 r/min,該汽輪機(jī)通過(guò)減速裝置與原系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為980 r/min的循環(huán)水泵匹配,汽機(jī)額定進(jìn)汽量29.9 t/h。兩種型號(hào)汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)為壓力1.05 MPa、溫度280 ℃,排汽參數(shù)為壓力0.2 MPa、溫度172 ℃。

2.3 系統(tǒng)設(shè)置

以背壓式汽輪機(jī)替代電機(jī),將原熱網(wǎng)部分循環(huán)水泵改為汽動(dòng)泵,新安裝的4臺(tái)汽輪機(jī)的驅(qū)動(dòng)蒸汽,分別通過(guò)φ219蒸汽管道引自φ630中溫中壓蒸汽聯(lián)絡(luò)管,4臺(tái)汽輪機(jī)背壓排汽,則分別通過(guò)φ529管道送至低壓蒸汽母管后,再供給讓龍熱網(wǎng)低壓加熱器使用。為防止事故工況下汽輪機(jī)排汽超壓,或是啟動(dòng)過(guò)程中由于排汽壓力低不能并入低壓加熱蒸汽系統(tǒng),在每臺(tái)汽輪機(jī)背壓排汽管道上同時(shí)裝有安全閥和啟動(dòng)排汽閥,啟動(dòng)和事故排汽通過(guò)安全排汽母管引至廠房外排入大氣[8-10]。循環(huán)水汽動(dòng)泵系統(tǒng)設(shè)置如圖3所示。

圖3 循環(huán)水汽動(dòng)泵系統(tǒng)

3 效益分析

改造后的汽輪機(jī)進(jìn)汽焓值為3 007 kJ/kg,排汽焓值為2 817 kJ/kg,汽輪機(jī)通過(guò)熱動(dòng)能量轉(zhuǎn)化,將一部分能量用于拖動(dòng)循環(huán)水泵運(yùn)行,大部分熱能通過(guò)做功后的乏汽排至低壓熱網(wǎng)加熱器,用于加熱熱網(wǎng)循環(huán)水。

熱網(wǎng)汽動(dòng)泵改造前后,對(duì)兩網(wǎng)循環(huán)水泵能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì),按照中溫中壓蒸汽價(jià)格136元/t、成本電價(jià)0.35元/(kW·h)計(jì)算,分析一個(gè)采暖季的經(jīng)濟(jì)效益,見(jiàn)表2。

表2 熱網(wǎng)循環(huán)水泵能耗統(tǒng)計(jì)

熱網(wǎng)循環(huán)水汽動(dòng)泵改造后,每個(gè)采暖季可節(jié)省電費(fèi)836.75萬(wàn)元,減少供熱收入368.92萬(wàn)元,年綜合收益為467.83萬(wàn)元。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水汽動(dòng)泵改造,進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和效益分析。實(shí)際應(yīng)用效果,不僅大幅降低熱網(wǎng)系統(tǒng)用電消耗,同時(shí)還實(shí)現(xiàn)蒸汽能量的梯級(jí)利用,與原電動(dòng)循環(huán)水泵相比,年可節(jié)省熱網(wǎng)系統(tǒng)電費(fèi)約465萬(wàn)元。同時(shí),提升了企業(yè)的能源綜合利用率,符合國(guó)家節(jié)能減排和雙碳政策,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè),研究實(shí)施給水泵等大功率電機(jī)替代,具有應(yīng)用推廣價(jià)值。