呂 劍，吳喜生，肖 瑤，徐 鋼，王 鵬

(1.神華神東電力有限責任公司新疆米東熱電廠，新疆 烏魯木齊 830019；2.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 昌平 102206；3.北京易澤動力科技有限公司，北京 昌平 102206)

300 MW循環(huán)流化床機組供熱節(jié)能方案對比分析

呂 劍1,2，吳喜生1，肖 瑤2，徐 鋼2，王 鵬3

(1.神華神東電力有限責任公司新疆米東熱電廠，新疆 烏魯木齊 830019；2.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 昌平 102206；3.北京易澤動力科技有限公司，北京 昌平 102206)

為了應(yīng)對近年來北方供熱需求的不斷增加，提出對現(xiàn)有300 MW亞臨界直接空冷機組進行供熱改造?；诟弑硥悍ζ岷臀帐綗岜眠@2種火力發(fā)電廠余熱利用技術(shù)，通過對原有抽凝供熱機組采用這2種余熱利用方案進行熱經(jīng)濟性計算與分析，確定了適合該電廠空冷機組的余熱利用改造方案。結(jié)果表明，高背壓供熱和吸收式熱泵這2供熱改造方案節(jié)能效果顯著，總煤耗量降低；且對比同一發(fā)電負荷下，高背壓供熱節(jié)標煤量比吸收式熱泵供熱的節(jié)標煤量多，最大供熱面積和最大供熱負荷更大。如在最大供熱負荷下，高背壓供熱和吸收式熱泵供熱分別將供電煤耗降至168.9、197.2 g/(kW·h)；而在同一發(fā)電負荷下，高背壓供熱最大供熱負荷比熱泵供熱多73.6 MW，最大供熱面積多133.8×104m3。

供熱改造；余熱利用；供電煤耗；高背壓

0 引言

電廠汽輪機的排汽主要通過濕冷和空冷這2種方式冷卻，而汽輪機的排汽量所占比例較高，這就導(dǎo)致機組低品位熱量損失較大，已經(jīng)成為電廠熱力系統(tǒng)的最大損失[1]。在一般熱電廠里，機組在供熱工況下汽輪機排汽熱量約占電廠燃料總發(fā)熱量的五分之一左右，這部分能量如果直接排放，則將造成能源的浪費，但對于低品位熱量就能完成建筑供暖而言，其熱利用潛力則是較大的。因此，如果通過某種方案能夠回收這部分熱量用于用戶的供暖，不僅可以大幅度提高熱電廠的供熱能力，還可以給電廠帶來巨大的經(jīng)濟效益。

汽輪機的排汽壓力和冷凝溫度一般比較低。例如，濕冷機組排汽壓力為4～8 kPa，冷凝溫度為20～40 ℃；空冷機組排汽壓力為10～15 kPa，空冷冷凝溫度為45～54 ℃，冷凝溫度最高可達72 ℃左右。汽輪機的凝汽流量高，占主蒸汽流量的50%以上，機組冷源損失大。為減少冷源損失，部分學者提出將該部分熱量升溫后用于供熱[2]。目前，提高汽輪機乏汽余熱利用的方法主要有： (1)通過降低汽輪機排汽缸真空來提高排汽溫度，從而使機組處于高背壓運行狀態(tài)[2-3]，對于空冷機組，乏汽凝結(jié)水溫最大可達到72 ℃，對應(yīng)背壓為34 kPa；對于濕冷機組，需拆掉末級葉片來提高乏汽壓力，改造較大[4-5]；(2)利用熱泵裝置，提升汽輪機凝汽余熱品位實現(xiàn)供熱，可利用少量高品質(zhì)熱源將20～50 ℃的乏汽加熱到50～90 ℃，性能系數(shù)為1.6～1.8[6-7]。2012年，河北省電力研究院以河北邢臺國泰發(fā)電公司2×300 MW工程10、11號汽輪機為對象，對吸收式熱泵的原理進行了介紹，并針對其應(yīng)用于發(fā)電廠300 MW機組的具體方案進行了分析和研究[8]。2015年，內(nèi)蒙古包頭第二熱電廠在進行2×300 MW機組熱泵技術(shù)改造后，為滿足城市供熱需求，繼續(xù)對2×300 MW空冷機組進行高背壓改造，排汽直接加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，實現(xiàn)乏汽余熱的深度回收利用[5]。

近年來隨著新疆經(jīng)濟的快速發(fā)展，新疆烏魯木齊市供暖需求量越來越大，供熱面積增加的同時供熱要求逐漸提高，2015年實際供、回水溫度最高94 ℃/48 ℃，平均溫度75 ℃/46 ℃，為了滿足上述供熱要求，提出對現(xiàn)有新疆供熱機組進行供熱改造，同時該改造有投資小、技術(shù)難度及風險低、停機工期短等三大優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)對電廠影響較小的情況下大幅提升機組的熱力性能。具體而言，本文以神華某典型熱電廠為例，進行利用高背壓乏汽供熱和利用吸收式熱泵回收排汽余熱技術(shù)這2種方案供熱改造，在不影響電廠安全運行的前提下，充分利用該電廠發(fā)電后的大量乏汽冷凝熱，提高電廠總熱效率，加快完成電廠節(jié)能減排任務(wù)。

1 案例機組介紹

1.1 電廠機組概況

本文選取新疆米東熱電廠為研究對象，該電廠有2臺300 MW亞臨界、一次再熱、雙缸雙排汽、雙抽單調(diào)整、直接空冷、抽汽凝汽式機組，機組型號為CZK300-16.67/0.4/538/538?；責嵯到y(tǒng)有七級抽汽，回熱系統(tǒng)采用“三高三低一除氧”布置，如圖1所示，圖中：HPT為高壓缸；IPT為中壓缸；LPT為低壓缸；RH為回熱加熱器；FWP為給水泵；EG為發(fā)電機；FAN為風機。其中，五抽抽汽為調(diào)整抽汽，在采暖期間通過抽汽蝶閥調(diào)整使抽汽壓力維持在0.4 MPa。表1為機組在額定采暖抽汽和最大采暖抽汽工況下的主要設(shè)計數(shù)據(jù)。

表1 采暖期間設(shè)計供熱工況的運行數(shù)據(jù)Table 1 Operating data of heating conditions during heating period

1.2 電廠熱網(wǎng)首站設(shè)備概況

米東電廠熱網(wǎng)首站分南線和北線，如圖2—3所示。共有8臺熱網(wǎng)循環(huán)泵(其中南線4臺，北線4臺)，6臺熱網(wǎng)加熱器(其中南線3臺，北線3臺)，3臺熱網(wǎng)疏水泵(南、北線公用)，1臺80 m3熱網(wǎng)疏水箱(南、北線公用)。南、北線熱網(wǎng)循環(huán)泵A、B、C為液偶調(diào)節(jié)，南、北線熱網(wǎng)循環(huán)泵D為變頻調(diào)節(jié)。

8臺熱網(wǎng)循環(huán)泵、3臺熱網(wǎng)疏水泵布置于1號機0 m固定端，6臺熱網(wǎng)加熱器布置于1號機12.6 m固定端，加熱器由1號和2號機五段抽汽供汽，熱網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計供、回水溫度130 ℃/75 ℃，設(shè)計抽汽壓力0.4 MPa、溫度310 ℃。熱網(wǎng)首站水泵以及加熱器設(shè)備相關(guān)參數(shù)如表2—3所示。

表2 熱網(wǎng)首站水泵設(shè)備相關(guān)參數(shù)Table 2 Parameters of pump equipment in central station

表3 熱網(wǎng)首站熱網(wǎng)加熱器設(shè)備相關(guān)參數(shù)Table 3 Parameters of heating network equipment in central station

1.3 機組供熱現(xiàn)狀介紹

目前米東熱電廠2×300 MW機組利用采暖抽汽提供城市供暖，按照米東熱網(wǎng)初設(shè)，設(shè)計最大供熱量為668.7 MW，設(shè)計最大供熱面積為970萬 m2，設(shè)計供、回水溫度為130 ℃/75 ℃，熱網(wǎng)循環(huán)水量南線3 000 t/h，北線6 600 t/h。根據(jù)電廠提供的數(shù)據(jù)，2015年實際供、回水溫度最高94 ℃/48 ℃，平均溫度75 ℃/46 ℃，熱網(wǎng)循環(huán)水量南線2 800 t/h，北線2 500 t/h。到2020年，烏魯木齊市熱力公司米東區(qū)供熱面積將達到1500萬 m2，其中1200萬 m2將采用熱電聯(lián)產(chǎn)提供的熱源，屆時米東電廠最大供熱負荷達660 MW。根據(jù)對往年冬季供熱運行數(shù)據(jù)整理分析，預(yù)計2016—2020年供熱期供熱參數(shù)如表4。

表4 2016—2020年供熱期間相關(guān)供熱參數(shù)Table 4 Related heating parameters in 2016—2020 heating period

2 供熱節(jié)能方案介紹

成熟的空冷300 MW機組，其設(shè)計背壓一般為11～18 kPa，夏季背壓為32～35 kPa，最高運行背壓65 kPa，夏季實際運行背壓一般約為40 kPa[9]。直接空冷機組的背壓變化幅度大，有利于機組進行供熱改造。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)供熱節(jié)能改造較成熟的方案有利用吸收式熱泵回收排汽余熱和空冷機組高背壓泛汽供熱，下面對這2種改造方案進行介紹。

2.1 利用吸收式熱泵回收排汽余熱

米東熱電廠的吸收式熱泵余熱回收系統(tǒng)如圖4所示，從空冷排汽管道引一路排汽到吸收式熱泵作為低溫余熱源，從抽汽管道上引一路采暖抽汽作為驅(qū)動熱源，通過吸收式熱泵產(chǎn)生大量的中溫熱量以加熱熱網(wǎng)回水。熱泵機組并列運行，熱網(wǎng)循環(huán)水經(jīng)過熱泵機組一級加熱后再進入原首站的熱網(wǎng)加熱器進行二級加熱，最終送入城市熱網(wǎng)。采暖初期和末期，由熱泵機組承擔采暖負荷。隨著采暖負荷增加，熱網(wǎng)加熱器投入運行，熱泵機組承擔基礎(chǔ)負荷，熱網(wǎng)加熱器作為尖峰加熱，進行調(diào)峰，將熱網(wǎng)循環(huán)水逐級加熱供給熱用戶。

在采暖季，改造后的熱網(wǎng)站不再調(diào)節(jié)熱網(wǎng)循環(huán)水量，使熱網(wǎng)循環(huán)水量一直保持設(shè)計流量，有利于供熱的穩(wěn)定性和最大限度利用余熱。改造后通過調(diào)節(jié)主機中低壓聯(lián)通管上的供熱蝶閥及熱網(wǎng)加熱器入口蝶閥調(diào)整去熱網(wǎng)首站的蒸汽量，來調(diào)節(jié)熱網(wǎng)循環(huán)水的供水溫度，以控制供熱負荷。

2.2 機組高背壓乏汽供熱

抽凝供熱式汽輪機改造為高背壓乏汽供熱后，當熱用戶所需溫度較低時，直接利用凝汽器作為熱網(wǎng)供熱系統(tǒng)的基本加熱器，有效地利用了乏汽的汽化潛熱。當需要更高的供熱溫度時，則在尖峰熱網(wǎng)加熱器中利用汽輪機抽汽進行二級加熱。高背壓乏汽供熱改造系統(tǒng)如圖5所示，可以看出高背壓供熱的節(jié)能能力取決于汽輪機低壓轉(zhuǎn)子承受高背壓的能力及熱網(wǎng)的回水及供水溫度。

機組進行高背壓改造后，運行背壓升高，供熱的參數(shù)變化，對機組熱經(jīng)濟性產(chǎn)生很大的影響。一方面，高背壓機組利用低壓缸排汽進行供熱，使部分中壓缸排汽在低壓缸又做了一部分功后才參與供熱，供熱蒸汽的品質(zhì)降低，機組的經(jīng)濟性提高；但另一方面，為了實現(xiàn)高背壓供熱，需要提高機組的背壓，蒸汽在低壓缸中做功量減少，降低了機組的熱經(jīng)濟性[10]。

3 熱力學分析/熱電廠的節(jié)能原理

熱電廠在對外輸出功的同時還利用部分蒸汽(供熱氣流Dh)對外供熱，但是，電、熱這2種產(chǎn)品的品質(zhì)不同，因此需要采用分項熱經(jīng)濟性指標對其進行全面的分析評價。

本文采用的熱力性能評價指標主要包括：熱電廠總熱耗量，供熱熱耗量，用熱量，熱電廠發(fā)電熱效率，熱電廠發(fā)電熱耗率，熱電廠發(fā)電標準煤耗率，熱電廠供熱熱效率，熱電廠供熱標準煤耗率等[11-12]，其計算公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

4 供熱節(jié)能分析對比

4.1 利用吸收式熱泵回收排汽余熱

參考電廠提供的2011年1號機性能實驗結(jié)果及上汽廠提供熱力性能數(shù)據(jù)，按照預(yù)計供熱面積以熱定電，雙機平均帶熱負荷工況，通過常規(guī)熱平衡方法對機組高背壓乏汽供熱改造后的各項熱經(jīng)濟性指標進行熱力學分析計算，計算結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表5中機組利用吸收式熱泵技術(shù)改造后的計算數(shù)據(jù)對比，可以得到如下相關(guān)性結(jié)論：

(1) 利用吸收式熱泵技術(shù)，對電廠乏汽冷凝余熱進行回收利用，供熱抽汽量減小，改造后的供熱抽汽量約為改造前的供熱抽汽量58%左右。改造后的空冷乏汽利用量隨著供熱負荷的增加而增加，且乏汽利用量最大值為86 t/h。

(2) 通過對機組在整個供熱期間的煤耗量進行統(tǒng)計分析計算，機組改造前總耗標煤量為604 912 t，改造后總耗標煤量為579 399 t，共節(jié)標煤25 513 t，按照標煤單價200元/t計算，可以節(jié)約燃料費510.3萬元。

(3) 在供熱期間，機組總供熱量為371.7×104GJ，改造前供熱比為0.232 8，改造后供熱比為0.243 1。已知生產(chǎn)廠用電率按10.5%計算，改造前，供電煤耗為300.4 g/(kW·h)，改造后，供電煤耗為283.6 g/(kW·h)，供電煤耗下降16.8 g/(kW·h)。

4.2 機組高背壓乏汽供熱

該機組進行高背壓改造后，設(shè)計高背壓為34 kPa，對應(yīng)飽和溫度為72 ℃，凝汽器端差按3 ℃計算熱網(wǎng)循環(huán)水出凝汽器溫度為69 ℃。乏汽焓為2 629.5 kJ/kg。供熱期間以熱定電單機帶熱負荷工況，鄰機帶最低負荷180 MW。通過常規(guī)熱平衡方法對機組高背壓乏汽供熱改造后的各項熱經(jīng)濟性指標進行熱力學分析計算，計算結(jié)果如表6所示。

根據(jù)表6中機組高背壓乏汽供熱改造后的計算數(shù)據(jù)對比，可以得到如下相關(guān)性結(jié)論：

(1) 利用高背壓排汽供熱，低壓缸乏汽壓力從14 kPa提高到34 kPa，排汽的汽化潛熱增大，供熱抽汽量減小。從上述計算可以看出，當熱網(wǎng)供水溫度要求低于71 ℃時，只需利用汽輪機排汽加熱熱網(wǎng)循環(huán)水；當熱網(wǎng)供水溫度要求高于71 ℃時，除需要利用汽輪機排汽作為基本加熱手段外，還需抽取部分五段抽汽作為尖峰加熱，加熱循環(huán)水，以達到外網(wǎng)要求的供水溫度。

(2) 通過對供熱機組在采暖季的總煤耗量進行分析計算，機組在高背壓乏汽供熱時總耗標煤為577 208 t，比改造前節(jié)約標煤26 411.1 t，按照標煤單價200元/t計算，可節(jié)約燃料費528.2萬元。

(3) 在供熱期間，機組總供熱量為371.7×104GJ，改造前供熱比為0.232 8，改造后供熱比為0.244 0。已知生產(chǎn)廠用電率按11%計算，改造前供電煤耗為300.4 g/(kW·h)，改造后供電煤耗為284.1 g/(kW·h)，供電煤耗下降15.3 g/(kW·h)。

表5 機組利用吸收式熱泵回收排氣余熱改造后計算結(jié)果Table 5 Calculation results of exhaust heat recovery with absorption heat pump

表6 機組高背壓乏汽供熱改造后計算結(jié)果Table 6 Calculation results of high pressure steam heating retrofitting

4.3 3種供熱方案下最大供熱負荷和最大供熱面積分析

為更好地對以上2種改造方案的節(jié)能效果進行對比，參照案例機組的實際供熱需求，利用根據(jù)其相關(guān)供熱期間參數(shù)，通過常規(guī)熱平衡方法對3種供熱方案的最大供熱負荷和最大供熱面積進行熱力學計算和分析，其計算結(jié)果如表7所示。

根據(jù)表7中3種供熱方案的數(shù)據(jù)對比分析，可以得到如下相關(guān)性結(jié)論：

(1) 抽凝式供熱與高背壓排汽余熱供熱相比，供熱抽汽量減少了94.6 t/h；改造后空冷進汽量為0 t/h，高背壓乏汽全部用于供熱；發(fā)電煤耗、供電煤耗分別減小了52.5、55.9 g/(kW·h)；最大供熱負荷由668.7 MW增加到855.6 MW，按單位面積熱負荷55 W/m2，則最大供熱面積由1 215.8×104m2增加到1 555.6×104m2，增加了339.8×104m2。

(2) 抽凝式供熱與利用吸收式熱泵回收排汽余熱供熱相比，改造后空冷進汽量減小，減少了82.3 t/h；發(fā)電煤耗、供電煤耗減小，其中發(fā)電煤耗減小了31.5 g/(kW·h)、供電煤耗減小了27.6 g/(kW·h)；最大供熱負荷由668.7 MW增加到782 MW，增加了113.3 MW，按單位面積熱負荷55 W/m2計算，則最大供熱面積由1215.8×104m2增加到1 421.8×104m2增加了206×104m2。

表7 3種供熱方案的最大供熱負荷和最大供熱面積計算Table 7 Calculation results of the maximum heating load and heating area of three heating schemes

(3) 高背壓乏汽供熱與利用吸收式熱泵回收排汽余熱供熱相比，高背壓排汽余熱供熱的熱耗率、發(fā)電煤耗、供電煤耗值均小于利用吸收式熱泵回收排汽余熱供熱方式，即利用高背壓供熱能更有效利用排汽能量，提高機組能量利用效率，且高背壓乏汽供熱改造后最大供熱負荷和最大供熱面積更大。

(4) 根據(jù)實際調(diào)研利用吸收式熱泵回收排汽余熱供熱方案，改造費用約為8 000萬元，而采用高背壓排汽余熱供熱改造方案改造費用約為5 200萬元，約占熱泵供熱技術(shù)改造方案費用的65%，可見高背壓排汽余熱改造方案更經(jīng)濟。

5 結(jié)論

本文針對回收利用汽輪機排氣余熱用于供熱的問題，提出利用利用吸收式熱泵回收排氣余熱和高背壓乏汽這2種供熱方案，并以新疆米東熱電廠為例，通過常規(guī)熱平衡法對這2種供熱方案進行熱力性能分析，得出以下結(jié)論：

(1) 利用吸收式熱泵回收排汽余熱和高背壓乏汽供熱這2種供熱改造方案節(jié)能效果顯著，其中對于利用吸收式熱泵回收排汽余熱，供電煤耗降低16.8 g/(kW·h)，供熱比提高至0.243 1；對于高背壓乏汽供熱，供電煤耗降低15.3 g/(kW·h)，供熱比提高至0.244 0。

(2) 在相同發(fā)電負荷下，利用高背壓乏汽供熱比利用熱泵技術(shù)節(jié)能效果更顯著，在供電煤耗、最大發(fā)電負荷和最大供熱面積方面，利用高背壓乏汽供熱比利用熱泵技術(shù)分別降低28.3 g/(kW·h)、增加73.6 MW和133.8×104m2，且采用高背壓乏汽供熱改造方案更經(jīng)濟。

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(編輯 蔣毅恒)

Comparison Analysis of Energy-Saving Heat Supply Scheme for 300 MW Circulating Fluidized Bed Power Units

LYU Jian1,2, WU Xisheng1, XIAO Yao2, XU Gang2,WANG Peng3

(1.Xinjiang Miton Thermal Power Plant, Shenhua Shendong Electric Power Co., Ltd., Wulumuqi 830019, Xinjiang Province, China; 2.School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Changing District, Beijing 102206, China; 3.Beijing Easy Power Technology Co., Ltd., Changing District, Beijing 102206, China)

The heat supply retrofitting is carried out on existing 300 MW sub-critical direct air cooling units to meet the increasing heating demand in northern China. Two waste heat utilization technologies for power plants were introduced, namely high back pressure heat supply and absorption heat pump heat supply. Based on the economic analysis of two waste heat utilization schemes, the proper solution was determined for the direct air-cooling power unit. The results show that high back pressure heat supply and absorption heat pump heat supply both have remarkable energy-saving effect, decreasing the total coal consumption. For given load, the coal rate of high back pressure heat supply is even lower than that of absorption heat pump heating with the maximum heating area and heating load. Specifically, under the maximum heating load, the coal rate is reduced to 168.9 g/(kW·h) and 197.2 g/(kW·h) through high back pressure and absorption heat pump heat supply. Under the same power load, the maximum heating load and heating area of high back pressure heat supply are 73.6 MW and 133.8×104m2higher than those of absorption heat pump heating.

heating transformation; waste heat utilization; coal rate; high back pressure

國家自然科學基金項目(51476053)

TK262

： A

： 2096-2185(2016)03-0055-08

2016-11-01

呂 劍(1977—)，男，主要從事電站鍋爐運行優(yōu)化與調(diào)試檢修、電廠優(yōu)化節(jié)能與熱力系統(tǒng)優(yōu)化研究等工作，ljian205@126.com；

吳喜生(1982—)，男，工程師，主要從事燃煤發(fā)電廠鍋爐運行優(yōu)化等工作，wut28@163.com；

肖 瑤(1994—)，女，碩士研究生，研究方向為電廠汽輪機的節(jié)能計算，xyaoncepu@163.com；

徐 鋼(1978—)，男，副教授，主要研究方向為燃煤電站節(jié)能與優(yōu)化、電站鍋爐熱力計算及受熱面優(yōu)化等，xgncepu@163.com；

王 鵬(1977—)，男，主要從事電站鍋爐運行優(yōu)化等工作，13910159259@139.com。

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