武進(jìn)猛

(大唐清苑熱電有限公司，河北 保定 071100)

1 機(jī)組概況

某廠1、2號(hào)汽輪機(jī)是由上海汽輪機(jī)有限責(zé)任公司制造的300 MW亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、高中壓合缸、單軸、雙缸雙排汽、抽汽凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為C300/226-16.7/0.43/537/537，發(fā)電機(jī)為QFSN-300型水-氫-氫冷式，采用靜態(tài)勵(lì)磁[1-2]。于2012年11月和12月相繼投產(chǎn)發(fā)電，同時(shí)向市區(qū)供熱，設(shè)計(jì)總供熱能力為656 MW，能滿足1 200萬m2供熱需求。隨著市區(qū)的快速發(fā)展，熱負(fù)荷需求不斷增加，2016年11月，2號(hào)機(jī)組進(jìn)行高背壓雙轉(zhuǎn)子供熱改造，供熱期為高背壓供熱工況運(yùn)行，機(jī)組型號(hào)為C(B)300-16.67/0.43/0.054/537/537，全廠供熱能力為774 MW，能滿足1 550萬m2供熱需求。2017—2018年市區(qū)的集中供熱需求擴(kuò)大，該廠供熱期將承擔(dān)供熱面積達(dá)1 700萬m2。2017年8月，1號(hào)機(jī)組進(jìn)行余熱回收熱泵供熱改造，吸收循環(huán)水余熱85 MW，增加供熱面積約170萬m2。

2 技術(shù)方案

目前國內(nèi)外汽輪機(jī)組余熱回收利用改造項(xiàng)目除吸收式熱泵供熱技術(shù)以外，主要有高背壓雙轉(zhuǎn)子技術(shù)、低壓轉(zhuǎn)子光軸技術(shù)、“NCB”新型供熱機(jī)組技術(shù)。綜合考慮發(fā)電和供熱能力、煤耗要求及技術(shù)成熟性，力求實(shí)現(xiàn)改造收益最大化。經(jīng)過對(duì)不同供熱技術(shù)分析，結(jié)合該廠實(shí)際情況，認(rèn)為高背壓雙轉(zhuǎn)子供熱技術(shù)提升供熱能力最大，經(jīng)濟(jì)性最高；吸收式熱泵供熱技術(shù)具有更高的靈活性和穩(wěn)定性，均符合該廠的生產(chǎn)要求[3-4]。該廠2016年已完成2號(hào)機(jī)組高背壓雙轉(zhuǎn)子供熱改造，為了降低機(jī)組對(duì)供熱外網(wǎng)依賴性，避免雙機(jī)同時(shí)更換轉(zhuǎn)子工期交叉消除機(jī)組雙停風(fēng)險(xiǎn)，1號(hào)機(jī)組選取更加靈活、穩(wěn)定的吸收式熱泵技術(shù)回收循環(huán)水余熱進(jìn)行供熱能力提升改造[5-7]。

3 技術(shù)路線

3.1 高背壓雙轉(zhuǎn)子改造

2016年11月，該廠已經(jīng)完成2號(hào)機(jī)組高背壓雙轉(zhuǎn)子供熱改造，改造后熱網(wǎng)循環(huán)水回水直接進(jìn)入2號(hào)機(jī)組凝汽器，將汽輪機(jī)排汽余熱吸收，再并聯(lián)流經(jīng)1、2號(hào)機(jī)組4臺(tái)熱網(wǎng)加熱器進(jìn)行二次加熱，進(jìn)入熱網(wǎng)母管混合后，將滿足參數(shù)要求的熱網(wǎng)循環(huán)水供至廠外熱用戶。考慮到機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，采用1號(hào)機(jī)組采暖抽汽對(duì)流經(jīng)其熱網(wǎng)加熱器的熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行加熱后提溫，2號(hào)機(jī)組不進(jìn)行采暖抽汽供熱，只進(jìn)行凝汽器供熱。

3.2 吸收式熱泵改造

2017年11月，該廠實(shí)施1號(hào)機(jī)組余熱回收熱泵供熱改造，在冬季供熱期，熱網(wǎng)供回水母管并聯(lián)接入1號(hào)機(jī)熱泵機(jī)組，并實(shí)現(xiàn)1號(hào)機(jī)組獨(dú)立供熱、1號(hào)機(jī)組熱泵—抽汽聯(lián)合供熱、2號(hào)機(jī)組高背壓獨(dú)立供熱等方式靈活切換，從而實(shí)現(xiàn)了1號(hào)機(jī)組熱泵—2號(hào)機(jī)組高背壓—尖峰加熱器聯(lián)合最大化供熱方式，達(dá)到余熱回收的目的。吸收式熱泵參數(shù)確定如下。

3.2.1 基礎(chǔ)工況確定

首先保證2號(hào)機(jī)組高背壓雙轉(zhuǎn)子供熱安全穩(wěn)定運(yùn)行，滿足熱網(wǎng)循環(huán)水供水溫度達(dá)到90 ℃，最大程度回收1號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)排汽余熱，同時(shí)保證供熱抽汽和工業(yè)用汽需求。確定1號(hào)機(jī)組以額定抽汽工況為設(shè)計(jì)工況，發(fā)電負(fù)荷為211.103 MW，主汽流量為980 t/h，采暖抽汽流量為500 t/h；采暖抽汽參數(shù)為壓力0.45 MPa、溫度263 ℃；工業(yè)抽汽流量為55 t/h，背壓為5.6 kPa，此時(shí)1號(hào)機(jī)組凝汽器余熱量為85.6 MW。

3.2.2 循環(huán)水參數(shù)確定

根據(jù)1號(hào)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行分析，同時(shí)考慮冬季運(yùn)行工況的汽輪機(jī)排汽余熱，1號(hào)機(jī)組冬季供熱期循環(huán)水泵單泵低速運(yùn)行。

1號(hào)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)包括1號(hào)機(jī)組開式水、2號(hào)機(jī)組開式水及脫硫等用戶。使用超聲波流量計(jì)測量1號(hào)機(jī)組循環(huán)水泵出口流量為14 400 t/h，1號(hào)機(jī)組開式水系統(tǒng)使用流量為1 900 t/h，對(duì)輔機(jī)進(jìn)行冷卻后回到1號(hào)機(jī)組循環(huán)水回水母管，2號(hào)機(jī)組開式水系統(tǒng)流量1 900 t/h，對(duì)輔機(jī)進(jìn)行冷卻后回到1號(hào)機(jī)組冷卻塔塔池，1號(hào)機(jī)組循環(huán)水回水流量約12 500 t/h通過上塔冷卻，凝汽器循環(huán)水流量為10 600 t/h。

根據(jù)1號(hào)機(jī)組基礎(chǔ)工況，考慮由于背壓升高對(duì)機(jī)組發(fā)電能力的影響，凝汽器背壓取5.6 kPa，凝汽器設(shè)計(jì)端差小于3 ℃，本次按端差3 ℃計(jì)算，則凝汽器循環(huán)水出口溫度為31.9 ℃，凝汽器循環(huán)水流量為10 566 t/h，凝汽器循環(huán)水進(jìn)水溫度為24.9 ℃。

吸收式熱泵從10 151 t/h的循環(huán)水中吸收循環(huán)水余熱85 MW，循環(huán)水溫由31.9 ℃降至24.9 ℃。1號(hào)機(jī)組投入熱泵系統(tǒng)運(yùn)行，可通過調(diào)整抽汽量與低壓缸進(jìn)汽量，尋找平衡點(diǎn)，盡量使1號(hào)機(jī)組凝汽器循環(huán)水的余熱回收利用，未能回收的部分循環(huán)水仍然上塔冷卻，在其他工況可以通過調(diào)整主蒸汽的進(jìn)汽量或循環(huán)水上塔流量等措施滿足機(jī)組和熱泵安全、平穩(wěn)運(yùn)行，保證供熱需求。

3.2.3 熱網(wǎng)水參數(shù)確定

該廠2014—2017年供熱期的一次熱網(wǎng)循環(huán)水供水溫度平均為85 ℃，其中初、末期較低為83 ℃，中期較高為88 ℃，熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度為50 ℃左右。同時(shí)考慮到2號(hào)機(jī)組高背壓運(yùn)行安全性，確定熱網(wǎng)回水溫度50 ℃為設(shè)計(jì)溫度，在極寒期熱網(wǎng)供水溫度90 ℃可以滿足供熱要求。

2014—2015年供熱期熱網(wǎng)循環(huán)水流量平均在8 000 t/h左右，2015—2016年供熱期熱網(wǎng)循環(huán)水流量平均在10 000 t/h左右，2016—2017年供熱期熱網(wǎng)循環(huán)水流量基本穩(wěn)定在12 500 t/h左右，最大約15 000 t/h。由于熱網(wǎng)循環(huán)水供回水母管已經(jīng)由原來DN1200更換為DN1600，最大熱網(wǎng)循環(huán)水流量約21 000 t/h，確定吸收式熱泵熱網(wǎng)循環(huán)水流量6 000 t/h為設(shè)計(jì)流量。

兩機(jī)組共7臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)水泵，單臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)水泵設(shè)計(jì)流量為2 550 t/h，本次改造在熱泵廠房內(nèi)增加3臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)水泵(2運(yùn)1備)滿足熱網(wǎng)循環(huán)水流量需求。

3.2.4 驅(qū)動(dòng)蒸汽參數(shù)確定

對(duì)于熱泵機(jī)組來說，提供穩(wěn)定工況的驅(qū)動(dòng)蒸汽，有利于熱泵穩(wěn)定出力和疏水水位控制。因此熱泵投運(yùn)后，需要運(yùn)行時(shí)提供一個(gè)穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)汽源。該廠2015—2017年兩個(gè)供熱期，1號(hào)機(jī)組采暖抽汽流量在450 t/h時(shí)，采暖抽汽壓力在0.40 MPa左右，考慮采暖抽汽至熱泵房的管道壓損，熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力/溫度選定為0.35 MPa/263 ℃。

3.2.5 熱泵性能參數(shù)確定

機(jī)組吸收余熱85 MW，循環(huán)水余熱進(jìn)出溫度31.9 ℃/24.7 ℃，循環(huán)水量10 000 t/h，熱網(wǎng)供回水溫度78.4 ℃/50 ℃，熱網(wǎng)循環(huán)水量6 000 t/h,熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽參數(shù)0.35 MPa、263 ℃。

4 方案實(shí)施

1號(hào)機(jī)組余熱回收熱泵供熱改造主要是通過8臺(tái)溴化鋰吸收式熱泵將機(jī)組的循環(huán)水余熱回收用于加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，同時(shí)匹配高背壓機(jī)組的聯(lián)合運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能量的充分利用，獲得更高供熱量的高效節(jié)能技術(shù)。

溴化鋰吸收式熱泵包括蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器、發(fā)生器、熱交換器、屏蔽泵和其他附件。在蒸發(fā)器中輸入低溫?zé)嵩矗l(fā)生器中輸入驅(qū)動(dòng)熱源，從吸收器和冷凝器中輸出中高溫?zé)崴?，其中需?duì)循環(huán)水系統(tǒng)、熱網(wǎng)水系統(tǒng)和蒸汽疏水系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，具體內(nèi)容如下。

4.1 循環(huán)水系統(tǒng)

該廠1號(hào)機(jī)組2臺(tái)循環(huán)水泵為立式、濕井式斜流泵，型號(hào)1600HLC5.05-25.7，夏季2臺(tái)全部運(yùn)行，冬季為1用1備。單臺(tái)高速泵運(yùn)行時(shí)流量為21 348 t/h，低速泵運(yùn)行時(shí)為16 560 t/h。

本方案從1號(hào)機(jī)組凝汽器循環(huán)水出水至1號(hào)機(jī)組冷卻塔管道上引出1根DN1300鋼管循環(huán)水管道，連接至熱泵房作為低溫余熱回收熱源，循環(huán)水經(jīng)循環(huán)水升壓泵進(jìn)入熱泵組吸熱后單獨(dú)引出1根DN1300鋼管至1號(hào)機(jī)組循環(huán)水母管至冷卻塔。其供水流程為凝汽器出水→循環(huán)水出水管(原機(jī)組)→熱泵供水管→循環(huán)水升壓泵→熱泵供水管→熱泵機(jī)組→熱泵出水管→循環(huán)水母管(原機(jī)組)→冷卻塔→循環(huán)水供水管(原機(jī)組)→凝汽器。

將1號(hào)機(jī)組循環(huán)水回水至塔池電動(dòng)蝶閥更換為可調(diào)節(jié)閥門，通過調(diào)節(jié)該電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥控制水塔上水量，從而控制凝汽器循環(huán)水出水溫度。

4.2 熱網(wǎng)水系統(tǒng)

本方案在原有DN1600熱網(wǎng)回水母管引一路DN1000熱網(wǎng)水管道進(jìn)入熱泵機(jī)組，經(jīng)熱泵機(jī)組升溫后回到DN1600熱網(wǎng)循環(huán)水供水母管。通過調(diào)整熱泵機(jī)組8個(gè)熱網(wǎng)循環(huán)水電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥，控制2號(hào)機(jī)組的熱網(wǎng)循環(huán)水安全流量，同時(shí)滿足熱泵機(jī)組的熱網(wǎng)水流量需求。

4.3 蒸汽疏水系統(tǒng)

該廠1號(hào)機(jī)組采暖抽汽管道連接至2臺(tái)熱網(wǎng)加熱器，通過3臺(tái)熱網(wǎng)疏水泵引至1號(hào)機(jī)組除氧器的凝結(jié)水進(jìn)水管道。本方案在1號(hào)機(jī)組采暖抽汽母管上引出2根DN600的管道匯至1根DN800的蒸汽母管管道經(jīng)由管架引接至熱泵房，在熱泵房內(nèi)經(jīng)噴水減溫后，作為吸收式熱泵的驅(qū)動(dòng)汽源。驅(qū)動(dòng)蒸汽經(jīng)過吸收式熱泵換熱后形成疏水先進(jìn)入6 m3疏水罐，通過新增2臺(tái)熱泵疏水泵(1運(yùn)1備)輸送到1號(hào)機(jī)組熱網(wǎng)加熱器疏水泵出口母管。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

該廠1號(hào)機(jī)組余熱回收熱泵供熱改造項(xiàng)目于2018年1月投產(chǎn)，在冬季供熱期，熱網(wǎng)供回水母管并聯(lián)接入1號(hào)機(jī)組，并實(shí)現(xiàn)1號(hào)機(jī)組獨(dú)立供熱、1號(hào)機(jī)組熱泵—抽汽聯(lián)合供熱、2號(hào)機(jī)組高背壓獨(dú)立供熱等方式靈活切換。確定熱泵機(jī)組并聯(lián)高背壓機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行為最佳方案，從而實(shí)現(xiàn)了1號(hào)機(jī)組熱泵到2號(hào)機(jī)組高背壓—抽汽聯(lián)合最大化供熱方式，達(dá)到余熱回收目標(biāo)。符合城區(qū)供熱“平峰轉(zhuǎn)供”的發(fā)展趨勢。

1號(hào)機(jī)組熱泵吸收循環(huán)水余熱85 MW，增加供熱面積約170萬m2。在發(fā)電負(fù)荷210 MW，熱泵全部投運(yùn)工況下，試驗(yàn)熱耗率平均為4 592.7 kJ/kWh，供電煤耗平均為187.6 g/kWh。相比熱泵未投運(yùn)時(shí)，供電煤耗平均值降低40.1 g/kWh，整個(gè)供熱期熱泵未全部投運(yùn)時(shí)，供電煤耗平均降低26 g/kWh，折合節(jié)約標(biāo)煤量1.966萬t。每個(gè)供熱期可減少二氧化碳排放量5.112萬t，二氧化硫排放量471.9 t，氮氧化物排放量137.6 t，煙塵排放量39.3 t，有效改善了城市環(huán)境，該廠成為行業(yè)內(nèi)首家同時(shí)并聯(lián)運(yùn)行熱泵機(jī)組和高背壓集中供暖的示范企業(yè)。

6 結(jié)束語

該廠結(jié)合實(shí)際情況，選用吸收式熱泵與高背壓雙轉(zhuǎn)子供熱技術(shù)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行升級(jí)改造，在不增加電廠燃煤量、環(huán)保排放量等基礎(chǔ)上，回收2臺(tái)300 MW機(jī)組汽輪機(jī)的余熱向城市供熱，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)冷源近零損失，提高電廠對(duì)外供熱能力，擴(kuò)大供熱面積，增加電廠收入，減少污染物排放量，可為同類機(jī)組供熱改造提供可靠依據(jù)。