朱斌帥， 張 赟

（杭州華電雙良節(jié)能技術(shù)有限公司，浙江杭州3100 30）

0 引言

近年來，根據(jù)國家環(huán)保政策和相關(guān)產(chǎn)業(yè)要求，北方供熱小鍋爐逐步關(guān)停，改由熱電廠集中供熱，有效降低了發(fā)電及城市供熱的綜合單位能耗。隨著國家節(jié)能減排工作的不斷深入，各電廠不斷加大節(jié)能潛力挖掘力度，其中較多電廠對(duì)傳統(tǒng)的抽凝機(jī)組進(jìn)行了供熱改造，重點(diǎn)對(duì)乏汽余熱或循環(huán)水余熱進(jìn)行回收用于城市供熱，以提高能源利用水平[1]。以下闡述了各類供熱節(jié)能改造方案的特點(diǎn)及選取原則，并以某燃機(jī)電廠供熱機(jī)組為例，進(jìn)行了采用不用方案改造后節(jié)能效果和對(duì)機(jī)組運(yùn)行可靠性的影響分析和對(duì)比，以期為其它同類供熱改造項(xiàng)目提供參考。

1 方案介紹

目前常見的供熱節(jié)能改造方案主要有低真空供熱方案、吸收式熱泵供熱方和NCB供熱方案等。下文將對(duì)各方案的結(jié)構(gòu)形式、技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用情況進(jìn)行闡述。

1.1 低真空供熱方案

低真空供熱又名高背壓供熱，改造完成后，凝汽器成為熱水供熱系統(tǒng)的基本加熱器，原來的循環(huán)冷卻水變成了供暖熱媒，在熱網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行閉式循環(huán)。當(dāng)需要更高的供熱溫度時(shí)，則在尖峰熱網(wǎng)加熱器中利用汽輪機(jī)抽汽進(jìn)行二級(jí)加熱。

圖1給出了電廠低真空供熱系統(tǒng)的示意圖。熱網(wǎng)用戶成為發(fā)電熱力循環(huán)的冷端替代了冷卻塔，減少了冷源損失，因此系統(tǒng)總的熱效率會(huì)有很大程度的提高。但由于熱網(wǎng)回水溫度比常規(guī)冷卻塔出水溫度要高，導(dǎo)致凝汽器中真空下降，在相同的進(jìn)汽量下與純凝工況相比，發(fā)電量會(huì)減少，同時(shí)汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率也有所降低。

低真空運(yùn)行供熱技術(shù)的應(yīng)用主要受到以下幾方面的限制：

（1）低真空運(yùn)行機(jī)組類似于背壓式供熱機(jī)組，其通過的新汽量決定于用戶熱負(fù)荷的大小，所以發(fā)電功率受用戶熱負(fù)荷的制約，不能分開獨(dú)立的進(jìn)行調(diào)節(jié)，即其運(yùn)行是“以熱定電”，因此只適用于用戶熱負(fù)荷比較穩(wěn)定的供熱系統(tǒng)。

（2）由于機(jī)組背壓限制，供暖水溫度較低，一般采用一次網(wǎng)直接至熱用戶，因此供熱范圍較小[1，2]。同時(shí)，若由于用戶側(cè)換熱站效率低等原因使得熱網(wǎng)回水溫度過高，此時(shí)會(huì)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)性造成較大影響。

（3）考慮到凝汽壓力和排汽容積流量變動(dòng)的影響，低真空供熱改造技術(shù)只適用于中小型機(jī)組，一般認(rèn)為不高于200 MW等級(jí)。因?yàn)楝F(xiàn)代大型機(jī)組，尤其是中間再熱式大型汽輪機(jī)組，凝汽壓力過高會(huì)使機(jī)組的末級(jí)出口蒸汽溫度過高，且蒸汽的容積流量過小易引起機(jī)組的強(qiáng)烈振動(dòng)，危及運(yùn)行安全[3]。凝汽式汽輪機(jī)進(jìn)行此類技術(shù)改造時(shí)，應(yīng)對(duì)機(jī)組進(jìn)行變工況運(yùn)行計(jì)算，尤其應(yīng)對(duì)排汽缸結(jié)構(gòu)、軸向推力的改變、末級(jí)葉輪的改造等方面做嚴(yán)格校核。

該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用較早，如華電的十里泉電廠、章丘電廠，華能的臨沂電廠、煙臺(tái)電廠等一批小機(jī)組實(shí)施了改造并投運(yùn)，總體運(yùn)行效果較好，但也有部分電廠由于供熱回水溫度過高影響了機(jī)組的正常運(yùn)行。

1.2 吸收式熱泵供熱方案

在部分供熱蒸汽的驅(qū)動(dòng)下，吸收式熱泵可以提取機(jī)組乏汽或循環(huán)冷卻水的余熱用于加熱熱網(wǎng)水，增加供熱出力，提高能源利用率[4～6]。通常熱泵出口的熱網(wǎng)水溫度可達(dá)70～90℃，如需更高供熱溫度時(shí)，可利用尖峰加熱器進(jìn)行二級(jí)加熱。

圖2給出了電廠吸收式熱泵供熱系統(tǒng)示意圖。根據(jù)吸收式熱泵的工作特性，為獲取較好的供熱經(jīng)濟(jì)性，實(shí)際運(yùn)行時(shí)通常會(huì)適當(dāng)提高凝汽器壓力，但提升幅度會(huì)遠(yuǎn)小于低真空方案，具體根據(jù)回收余熱量與發(fā)電量損失的綜合最優(yōu)工況分析確定。

吸收式熱泵供熱方案將原本上冷卻塔的余熱回收利用，有效提高了能源利用率，且存在運(yùn)行調(diào)節(jié)靈活，改造對(duì)機(jī)組本體的變動(dòng)和影響均較小等優(yōu)點(diǎn)。但目前吸收式熱泵的初期投資相對(duì)較大，應(yīng)用于對(duì)供熱品質(zhì)要求較高，且技改資金較為寬?；驘醿r(jià)較高的熱電項(xiàng)目居多。

圖2 吸收式熱泵供熱系統(tǒng)示意圖

該項(xiàng)技術(shù)近年來取得了快速的發(fā)展和大量的應(yīng)用，如華電的東華熱電300 MW供熱機(jī)組、北京熱電燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組等均采用了熱泵技術(shù)進(jìn)行供熱改造，節(jié)能效果顯著，各電力集團(tuán)的多種類型的機(jī)組上已有較多應(yīng)用，目前技術(shù)已成熟。大唐集團(tuán)的長春二熱、哈一熱等一批項(xiàng)目也正在采用熱泵技術(shù)進(jìn)行供熱改造實(shí)施中。

1.3 NCB供熱方案

NCB供熱方案即雙轉(zhuǎn)子方案，其特點(diǎn)是將高中壓缸和低壓缸分開，采用兩根轉(zhuǎn)軸分別帶動(dòng)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)，系統(tǒng)示意圖如圖3所示。通過調(diào)節(jié)供熱抽汽控制閥和低壓缸調(diào)節(jié)閥的開度，可使機(jī)組在不同運(yùn)行條件下分別呈現(xiàn)純凝工況、抽凝工況和背壓工況運(yùn)行狀態(tài)。在高峰供熱期呈背壓工況運(yùn)行時(shí)，相當(dāng)于將低壓缸解列，低壓缸部分處于低速盤車狀態(tài)，可隨時(shí)投運(yùn)[7]。汽缸結(jié)構(gòu)、軸向推力改變等因素的影響，同時(shí)需要進(jìn)行汽輪機(jī)葉輪的改造等工作，改造工作量及難度都較大，國內(nèi)類似改造項(xiàng)目較少。

1.4 各技術(shù)方案對(duì)比

表1給出了上述三種供熱節(jié)能技改方案的特點(diǎn)對(duì)比。

2 改造后經(jīng)濟(jì)性分析

圖3 NCB供熱系統(tǒng)示意圖

表1 供熱節(jié)能技改方案對(duì)比

采用NCB供熱方案可使機(jī)組在外界負(fù)荷變化時(shí)變換相應(yīng)的運(yùn)行工況，具有較好的調(diào)節(jié)靈活性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。但對(duì)于單軸汽輪機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造時(shí)，需要解決排

結(jié)合某燃機(jī)電廠供熱改造項(xiàng)目，重點(diǎn)對(duì)低真空方案與吸收式熱泵方案進(jìn)行改造后運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較。由于NCB供熱方案目前實(shí)施案例較少，技術(shù)尚不成熟，且更換轉(zhuǎn)子投入較大，該項(xiàng)目暫不考慮。

2.1 機(jī)組概況

某電廠一期工程設(shè)有2200 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)為南汽的PG 9171 E型燃機(jī)，對(duì)外供熱能力210 MW，余熱鍋爐為雙壓、無補(bǔ)燃、臥式、自然循環(huán)余熱鍋爐，汽輪發(fā)電機(jī)組為南汽的60 MW等級(jí)抽汽凝汽式供熱汽輪機(jī)，設(shè)計(jì)排汽壓力為6.3 kPa。供熱范圍在3 k m以內(nèi)，以小熱網(wǎng)運(yùn)行供居民采暖。

2.2 低真空供熱方案

采用低真空供熱方案時(shí)，由于凝汽器中水溫較高，機(jī)組排汽壓力上升，此時(shí)因蒸汽比容減小而使容積流量減小，因流場的不穩(wěn)定引起的動(dòng)應(yīng)力對(duì)低壓級(jí)組葉片的正常工作不利，因此機(jī)組不允許在容積流量很小的工況下長期運(yùn)行。

該項(xiàng)目在不對(duì)機(jī)組末級(jí)葉片進(jìn)行改造的情況下，根據(jù)葉片特性可得允許通過的最小容積流量約為365 m3/s。為得到較高的背壓，需提高工質(zhì)的質(zhì)量流量，以保證容積流量不低于最小值。機(jī)組達(dá)設(shè)計(jì)最大排汽量時(shí)，對(duì)應(yīng)背壓為25 kPa，排汽溫度為65℃。端差取5℃，則循環(huán)水出口溫度為60℃。圖4給出了循環(huán)水供水溫度與背壓關(guān)系曲線圖。

圖4 循環(huán)水供水溫度與背壓關(guān)系曲線圖

取循環(huán)水在凝汽器中溫升為20℃，則循環(huán)水回水溫度為40℃，根據(jù)熱平衡可得循環(huán)水流量5885 t/h。此時(shí)，機(jī)組供熱出力為136.8 MW，因背壓升高而造成的發(fā)電出力損失為8.3 MW。

表2 熱泵參數(shù)

表3 低真空與熱泵改造方案參數(shù)對(duì)比

2.3 吸收式熱泵供熱方案

機(jī)組設(shè)計(jì)排汽壓力6.3 kPa，其飽和溫度為37.05℃，凝汽器出口循環(huán)水溫度約為32.5℃，滿足熱泵運(yùn)行條件，無需提高背壓，可選取如表2所示的熱泵3臺(tái)。此時(shí)，熱泵總出力136.8 MW，熱網(wǎng)水流量3919.5 t/h，所需循環(huán)水流量7524 t/h，驅(qū)動(dòng)蒸汽流量124.29 t/h，耗用蒸汽相當(dāng)于減少發(fā)電出力5 MW。

表3給出了兩種方案的參數(shù)對(duì)比。可以看出，與低真空供熱方案相比，在相同供熱出力的情況下，吸收式熱泵供熱方案的熱網(wǎng)供水溫度更高，用戶可以獲得更好的采暖體驗(yàn)，同時(shí)吸收式熱泵方案的發(fā)電量出力損失更小。若按年供熱時(shí)間3600 h計(jì)算，每年吸收式熱泵方案比低真空方案節(jié)省發(fā)電出力損失約675萬元。

3 結(jié)語

（1）電廠節(jié)能供熱技改方案中，低真空技術(shù)和吸收式熱泵技術(shù)應(yīng)用案例較多，技術(shù)成熟；NCB方案目前應(yīng)用案例少，改造工作量大，若采用該方案時(shí)，建議開展深入的論證分析工作。

（2）低真空方案由于大幅提升了機(jī)組排汽壓力，對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響較大，以某燃機(jī)電廠的供熱改造為例進(jìn)行的改造后運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析可知，在滿足對(duì)外同等供熱出力的情況下，低真空方案引起的機(jī)組發(fā)電出力損失比熱泵方案多3.3 MW，即該項(xiàng)目采用熱泵方案時(shí)，比低真空方案年發(fā)電收益要多約675萬元。

（3）采用何種節(jié)能方案進(jìn)行技改不能一概而論，應(yīng)結(jié)合電廠外部條件具體情況進(jìn)行具體分析，確保最大程度滿足技改需求。

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