李彥峰，馬曉菲

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

供熱系統(tǒng)煙氣余熱及循環(huán)水余熱回收方案設(shè)計(jì)

李彥峰，馬曉菲

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

文中通過對(duì)京郊地區(qū)某燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)余熱鍋爐尾氣和循環(huán)水余熱進(jìn)行回收,用來加熱熱網(wǎng)回水，實(shí)現(xiàn)了低品質(zhì)熱量的再利用，有效地實(shí)現(xiàn)電廠的經(jīng)濟(jì)效益與節(jié)能減排。

熱泵技術(shù)；循環(huán)水余熱利用；煙氣余熱回收

0 引 言

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案工程位于位于北京市通州運(yùn)河核心區(qū)，工程建設(shè)規(guī)模為200 MW級(jí)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組及2臺(tái)116 MW燃?xì)鉄崴仩t，建成后將為核心區(qū)提供電力與熱力配套，承擔(dān)采暖熱負(fù)荷、生活熱水熱負(fù)荷及空調(diào)冷負(fù)荷。

國(guó)家“十二五”能源規(guī)劃除了通過加快推進(jìn)新能源研發(fā)外，還在節(jié)能增效等“減量”上下功夫，節(jié)能增效包括節(jié)約能源和提高能源效率兩大方面：做好節(jié)能增效即是一個(gè)能源富礦的開發(fā)。在國(guó)家大力推行節(jié)能減排能源政策的大背景下，電廠豐富的余熱資源正引起人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注：電廠輸入的燃料總熱量只有40%左右轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?0%以上的熱能則主要通過鍋爐排煙和汽輪機(jī)凝汽器的循環(huán)水散失到環(huán)境中。

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)是利用清潔能源天然氣來滿足城市供熱需求的一項(xiàng)重要技術(shù)，與燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)類似，為了保證機(jī)組的安全運(yùn)行，必需要保證聯(lián)合循環(huán)蒸汽輪機(jī)低壓缸的最小通流量，即為了發(fā)電而必需通過空冷島或者濕冷塔排放一部分乏汽余熱。同時(shí)，余熱鍋爐排出的煙氣中含有大量的余熱( 包含冷凝熱) 。如果能利用一定的技術(shù)將這兩部分余熱回收用于供熱，則可以使燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱能力大幅增加，解決供熱能力不足的問題，同時(shí)還可避免能源的浪費(fèi)以及對(duì)環(huán)境的熱污染。

方案通過對(duì)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組余熱的充分發(fā)掘，配套建設(shè)余熱深度利用系統(tǒng)，主要包括以下三部分：

(1)三臺(tái)余熱鍋爐煙氣余熱的深度利用；

(2)兩臺(tái)聯(lián)合循環(huán)抽汽凝汽式蒸汽輪機(jī)乏汽余熱(即循環(huán)水余熱)的深度利用；

(3)兩臺(tái)燃?xì)庹{(diào)峰鍋爐煙氣余熱的深度利用。

1 煙氣余熱的深度利用

本工程燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組和燃?xì)庹{(diào)峰鍋爐的燃料是天然氣，主要成分是CH4，因此燃燒后的煙氣中會(huì)含有大量的氣態(tài)H2O，約占煙氣比例的18%，當(dāng)煙氣溫度降低時(shí)，尾氣中的水蒸汽飽和溫度也隨之降低；當(dāng)溫度降低至55 ℃(煙氣露點(diǎn)溫度)以下時(shí)，煙氣中的水蒸汽隨之冷凝出，同時(shí)釋放大量的汽化潛熱。煙氣中水蒸汽的冷凝潛熱，約占天然氣低位發(fā)熱值的10%～11%，若能將此冷凝熱全部回收利用，可使天然氣的利用效率在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高10%～11%。煙氣的排煙溫度與天然氣的利用效率的關(guān)系如圖1所示，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的過量空氣系數(shù)在2.6～3.1 左右，燃燒的過量空氣系數(shù)越大，可回收的余熱量就越大。

圖1 排煙溫度與天然氣的利用效率的關(guān)系圖

從圖1中可以看到，當(dāng)煙氣溫度從100 ℃降低至40 ℃時(shí)，可回收余熱量與煙氣溫度基本呈線性關(guān)系，這時(shí)只有煙氣中的顯熱被回收，單位煙氣溫降收的余熱量基本相等。當(dāng)煙氣溫度低于40 ℃ 后，煙氣中的可回收余熱量與排煙溫度呈非線性關(guān)系，煙氣中的顯熱和潛熱同時(shí)被回收，單位煙氣溫降回收的余熱量呈顯著增加趨勢(shì)。因此，當(dāng)排煙溫度低于煙氣的露點(diǎn)溫度，進(jìn)入冷凝潛熱回收區(qū)后，溫度每降低1 ℃，可回收的余熱量是非常大的。以一套典型的9E級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為例，在冷凝潛熱回收區(qū)，排煙溫度降低1 ℃，可以回收的余熱量可達(dá)2 MW。由于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒天然氣的過量空氣系數(shù)較大，排煙余熱比燃?xì)忮仩t大得多。

煙氣余熱進(jìn)行回收有三個(gè)方面的好處：首先可以提高燃?xì)忮仩t的熱效率,降低鍋爐燃料費(fèi)用；其次，水蒸氣的凝結(jié)可以吸收煙氣中的部分酸性氣體,起到減少酸性氣體排放的作用，最后,使煙氣中的水蒸汽凝結(jié),還可以回收大量的水資源。

2 循環(huán)水余熱的深度利用

即使在抽汽供熱工況下，抽凝式蒸汽輪機(jī)仍然有一部分低壓蒸汽通過低壓缸排出，以避免低壓缸內(nèi)達(dá)不到最小蒸汽容積流量時(shí)末級(jí)葉片進(jìn)入鼓風(fēng)狀態(tài)而造成機(jī)械損壞，這部分低壓缸排汽凝結(jié)釋放的熱量通過凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)排放到環(huán)境中，構(gòu)成能源的浪費(fèi)。雖然對(duì)于汽輪機(jī)發(fā)電來說是廢熱，但是對(duì)于低品位供熱而言，則是可用的熱源，如果能將之有效的提取利用，則可以進(jìn)一步提高熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的供熱能力及能源利用效率。

3 余熱的深度利用措施

目前采取的措施主要有設(shè)置鍋爐尾部煙氣節(jié)能器和采用煙氣熱泵技術(shù)。

煙氣節(jié)能器可以將余熱鍋爐排煙溫度降至100 ℃以下，但受冷端換熱介質(zhì)的入口溫度限制。

煙氣熱泵則可以深度回收煙氣中的顯熱和潛熱，將煙氣溫度降至28 ℃左右，這部分熱量可以用來加熱熱網(wǎng)回水。

循環(huán)水余熱的深度利用措施目前采取的措施主要有：降低蒸汽終參數(shù)、給水回?zé)峒訜?、熱電?lián)產(chǎn)等。以上方法雖然有效的降低了冷源損失，但未能充分利用冷源的低位熱能。

更有效與更充分利用冷源熱量的技術(shù)是熱泵技術(shù)。利用熱泵技術(shù)可以從凝汽器循環(huán)水中吸收約10 ℃左右熱能用于供熱，可有效的降低發(fā)電廠的冷源損失，同時(shí)使冷卻系統(tǒng)的熱負(fù)荷降低，降低電廠的熱污染，但不影響機(jī)組的發(fā)電出力。

4 熱泵技術(shù)基本原理

熱泵是一種能量采掘裝置。熱泵循環(huán)與制冷循環(huán)一樣同屬于逆循環(huán)，它的工作原理是消耗一部分高質(zhì)能如電能或蒸汽，從(冷源)外界環(huán)境中(如自然水源、大氣、土壤等)吸取熱量，并把這兩部分能量一起輸送到需要較高溫度的環(huán)境中去。熱泵根據(jù)冷源介質(zhì)的不同分為水源熱泵、空氣源熱泵及地源熱泵，按動(dòng)力形式不同分為蒸汽壓縮式熱泵、吸收式熱泵和蒸汽噴射式熱泵。

溴化鋰吸收式熱泵由取熱器、濃縮器、加熱器和再熱器四個(gè)部分組成。它以蒸汽為驅(qū)動(dòng)熱源，溴化鋰溶液為吸收劑，水為制冷劑，利用水在低壓真空狀態(tài)下低沸點(diǎn)沸騰的特性，提取低品位廢熱源中的熱量，通過回收轉(zhuǎn)換制取70～90 ℃高品位熱水，直接用于供暖和普通工業(yè)加熱。吸收式熱泵技術(shù)成熟，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。在熱電廠中主要采用吸收式熱泵技術(shù)來提取廢熱、增加供熱能力、擴(kuò)大供暖面積。

吸收式熱泵應(yīng)用原理是在電廠首站內(nèi)設(shè)置蒸汽型吸收式熱泵。如圖2所示，以汽輪機(jī)抽汽為驅(qū)動(dòng)能源Q1，驅(qū)動(dòng)機(jī)內(nèi)溴化鋰溶劑循環(huán)做功，產(chǎn)生制冷效應(yīng)，回收乏汽中的余熱Q2。消耗的驅(qū)動(dòng)蒸汽熱量Q1與回收的乏汽余熱量Q2一同加入到熱網(wǎng)水中，即：熱網(wǎng)得到的熱量為Q1+Q2。

圖2 吸收式熱泵回收余熱示意圖

4.1吸收式熱泵機(jī)組制熱原理

吸收式熱泵裝置的基本原理主要是：

(1)采用水作為吸收劑，采用溴化鋰為制冷劑。

(2)利用水在高度真空下，蒸發(fā)(汽化)吸熱、凝結(jié)放熱完成換熱過程。

(3)利用溴化鋰溶液高吸濕性攜帶水進(jìn)行循環(huán)換熱。

吸收式熱泵機(jī)組包含蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器、熱交換器、泵和其它附件等，為集裝裝置。以蒸汽為驅(qū)動(dòng)熱源，在發(fā)生器內(nèi)加熱溴化鋰稀溶液并產(chǎn)生冷劑蒸汽。冷劑蒸汽進(jìn)入冷凝器，加熱流經(jīng)冷凝器傳熱管內(nèi)的熱水，自身冷凝成液體后節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器。冷劑水經(jīng)冷劑泵噴淋到蒸發(fā)器傳熱管表面，吸收流經(jīng)傳熱管內(nèi)低溫?zé)嵩此臒崃?，使熱源水溫度降低后流出機(jī)組，冷劑水吸收熱量后汽化成冷劑蒸汽，進(jìn)入吸收器。被發(fā)生器濃縮后的溴化鋰溶液返回吸收器后噴淋，吸收從蒸發(fā)器過來的冷劑蒸汽，并發(fā)出熱量，加熱流經(jīng)吸收器傳熱管的熱水。熱水流經(jīng)吸收器、冷凝器后，輸送給熱用戶。

4.2吸收式熱泵機(jī)組制冷原理

吸收式制冷的基本原理一般分為以下五個(gè)步驟：

(1)利用工作熱源(水蒸汽、熱水及燃?xì)獾?在發(fā)生器中加熱由溶液泵從吸收器輸送來得具有一定濃度的溶液，并使溶液中的大部分低沸點(diǎn)制冷劑蒸發(fā)出來

(2)制冷劑蒸汽進(jìn)入冷凝器中，又被冷卻介質(zhì)冷凝成制冷劑液體，再流經(jīng)節(jié)流器降低到蒸發(fā)壓力。

(3)制冷劑經(jīng)節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器中，吸收被冷卻系統(tǒng)中的熱量而激化成蒸發(fā)壓力下的制冷劑蒸汽。

(4)在發(fā)生器中經(jīng)發(fā)生過程剩余的溶液(高沸點(diǎn)的吸收劑以及少量未蒸發(fā)的制冷劑)經(jīng)吸收劑節(jié)流器降到蒸發(fā)壓力進(jìn)入吸收器中，與從蒸發(fā)器出來的低壓制冷劑蒸汽相混合，并吸收低壓制冷劑蒸汽并恢復(fù)到原來的濃度。

(5)吸收過程往往是一個(gè)放熱過程，故需在吸收劑中用冷卻水來冷卻混合溶液，在吸收器中恢復(fù)了濃度的溶液又經(jīng)溶液泵升壓送入發(fā)生器中繼續(xù)循環(huán)。

5 煙氣余熱利用方案

5.1余熱鍋爐煙氣余熱利用方案

項(xiàng)目的共安裝3臺(tái)雙壓余熱鍋爐，考慮過渡季生活熱水需求和降低排煙溫度，在余熱鍋爐尾部煙道設(shè)置了熱網(wǎng)水換熱器，但由于熱網(wǎng)回水溫度較高，排煙溫度約降至88℃，煙氣中很大比例的顯熱和水蒸汽潛熱并未被回收利用。因此擬設(shè)置3臺(tái)煙氣熱泵機(jī)組進(jìn)行余熱鍋爐煙氣余熱回收。每臺(tái)余熱鍋爐設(shè)置一套煙氣/水高效換熱器和煙氣熱泵機(jī)組，以汽輪機(jī)低壓蒸汽為驅(qū)動(dòng)汽源，提取煙氣余熱。再通過熱泵機(jī)組將這部分熱量加熱熱網(wǎng)回水。

為了克服排煙露點(diǎn)腐蝕對(duì)吸收式熱泵蒸發(fā)器的影響，工程采用直接接觸噴淋式煙氣換熱塔。

對(duì)單臺(tái)雙壓余熱鍋爐進(jìn)行熱平衡分析：空氣過量系數(shù)按2.5左右計(jì)算，余熱鍋爐煙氣經(jīng)煙氣/水高效換熱器，利用熱泵機(jī)組，以汽輪機(jī)0.4 MPa蒸汽作為驅(qū)動(dòng)汽源，將排煙溫度由88 ℃降至28 ℃，則可以深度回收煙氣中的顯熱及水蒸汽冷凝潛熱每臺(tái)機(jī)組約25 MW，天然氣利用效率約提高105%。3臺(tái)熱泵機(jī)組共消耗蒸汽111 t/h。

5.1.1 熱泵機(jī)組設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

(1)余鍋煙氣余熱回收熱泵機(jī)組A3臺(tái)，見表1。

表1 技術(shù)參數(shù)

5.2調(diào)峰鍋爐排煙余熱的深度利用

根據(jù)工程熱負(fù)荷需求，選用兩臺(tái)116 MW燃?xì)鉄崴仩t，用于供熱調(diào)峰。調(diào)峰鍋爐排煙溫度約為100 ℃，在調(diào)峰鍋爐尾部煙道上設(shè)置2套GHE-8型高效表面式煙氣/水高效換熱器，提取煙氣中的熱量。排煙溫度由100 ℃降為60 ℃，實(shí)現(xiàn)煙氣余熱的深度回收。系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 調(diào)峰鍋爐排煙余熱利用系統(tǒng)流程圖

煙氣/水高效換熱器每臺(tái)鍋爐可以提取約9.5 MPa熱量，將這部分熱量加熱熱網(wǎng)回水，將回水溫度由43 ℃加熱至46 ℃。

5.2.1 高效煙氣/水換熱裝置額定工作參數(shù),見表2

表2 工作參數(shù)

6 循環(huán)水余熱的深度利用

6.1工程循環(huán)冷卻水余熱利用方案

工程中有2臺(tái)抽凝機(jī)組,有著大量的排汽冷凝熱通過冷卻水排放到大氣中,造成巨大的浪費(fèi),用熱泵技術(shù)回收循環(huán)水余熱,可以提高現(xiàn)有機(jī)組的供熱能力和經(jīng)濟(jì)性。循環(huán)水余熱利用系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

設(shè)置2套WAHP-10型循環(huán)水余熱回收吸收式熱泵機(jī)組，一套熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)一臺(tái)抽凝式機(jī)組。按10 ℃輸送溫差計(jì)算，從冷卻塔循環(huán)冷卻水(20 ℃/30 ℃)中提取余熱。利用熱泵機(jī)組每臺(tái)抽凝機(jī)組大約可以提取余熱9.5 MPa熱量。實(shí)現(xiàn)了循環(huán)水余熱回收再利用。

6.1.1 熱泵機(jī)組設(shè)備主要技術(shù)參數(shù),見表3。

圖4 循環(huán)水余熱利用系統(tǒng)流程圖

表3 技術(shù)參數(shù)

6 經(jīng)濟(jì)性比較

綜上三方面的節(jié)能潛力分析，通州運(yùn)河核心區(qū)能源中心200 MW級(jí)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)供熱系統(tǒng)中的三套余熱鍋爐的煙氣余熱和兩套抽凝式蒸汽輪機(jī)的循環(huán)水余熱以及2臺(tái)調(diào)峰鍋爐煙氣余熱共110 MW。

按冬季熱價(jià)104元/GJ計(jì)算，年收益為6 346萬元，本工程熱泵機(jī)組投資約2.0億人民幣。

根據(jù)年費(fèi)用比較公式：

A=P·I(1+I)n/((1+I)n-1)+R+S

式中：A為年費(fèi)用；P為初投資；R為年運(yùn)行費(fèi)(含電費(fèi)、檢修維護(hù)費(fèi)，暫取0)；n為經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)年；I為

年利率(貸款)取6.15%；S為系統(tǒng)費(fèi)用，此處取0。

計(jì)算得出約3.6年可收回增加的投資。

7 結(jié)束語

隨著建設(shè)節(jié)約型環(huán)保型社會(huì)的深入，電廠節(jié)能減排勢(shì)在必行，文中從利用熱泵技術(shù)回收電廠煙氣余熱和循環(huán)水余熱利用，通過熱泵機(jī)組把熱網(wǎng)回水由46 ℃加熱到75 ℃。超出的投資部分約3.6年可以收回。即提高一次能源利用率，降低燃料消耗，節(jié)約用水，具有明顯地節(jié)能，環(huán)保效果。整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，充分體現(xiàn)了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性、環(huán)保性的優(yōu)點(diǎn)，是電廠節(jié)能減排、提高效益的有效途徑。

[1] 田貫三,付 林,張世鋼.天然氣熱利用率及影響因素[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2007，13(1).

[2] 陳 東，謝繼紅.熱泵技術(shù)及其應(yīng)用[J](第一版).

[3] 呂林昌，劉 晶，蘇 強(qiáng)，等.一種煙氣余熱深度回收型吸收式熱泵[J].機(jī)電信息,2014.

Scheme Design of Heat Recovery of Flue Gas Waste Heat and Circulating Water in Heating System

LI Yan-feng, MA Xiao-fei

(National Nuclear Power Planning & Design Institute, Beijing 100095, China)

Through to the suburbs of the region in a gas-steam combined cycle power generation units of heating system optimization design, to recover the waste heat boiler exhaust and circulating water heat, for heating return water of a heat supply network, the low quality heat reuse, effectively achieve the economic benefit of power plant and energy saving and emission reduction.

Heat pump technology; Circulating water waste heat utilization; Flue gas waste heat recovery

2015-06-10

2015-06-29

李彥峰，國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院，主要從事節(jié)能改造、設(shè)計(jì)等工作。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.07.005

TU822.6

B

1009-3230(2015)07-0016-05