張 怡

上海申能臨港燃機(jī)發(fā)電有限公司

1 項(xiàng)目概述

天然氣差壓余能利用是通過(guò)配置透平膨脹機(jī)替代原有的調(diào)壓線，此方法不僅實(shí)現(xiàn)管線天然氣減壓調(diào)流的作用，還能使降低的壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能進(jìn)行發(fā)電。由于天然氣通過(guò)透平膨脹機(jī)做功后溫度的降低要遠(yuǎn)甚于通過(guò)調(diào)壓線，因此原有配置的加熱系統(tǒng)已不能滿足至下游管線的天然氣溫度必須大于2℃的要求。由于經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)的天然氣流量（20～80萬(wàn)Nm3/h）和壓差（1.15～3.23MPa）均較大，因此加熱需要的熱量也非常大，若不合理選擇天然氣經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)做功后的加熱方式，會(huì)使項(xiàng)目整體的節(jié)能經(jīng)濟(jì)性低于預(yù)期。本項(xiàng)目通過(guò)幾個(gè)方案的比較，最終確認(rèn)了采用海水加熱的方案。由于需要在已建成的電廠海水系統(tǒng)上新增一套天然氣差壓余能的海水換熱系統(tǒng)，方案實(shí)施的難度較大。經(jīng)各方努力，使設(shè)計(jì)滿足了天然氣差壓余能項(xiàng)目的加熱要求，使新增系統(tǒng)服務(wù)于電廠，進(jìn)一步降低了電廠的廠用電取得預(yù)期的節(jié)能量。

2 電廠原有海水系統(tǒng)

電廠的循環(huán)水取自于杭州灣的海水，循環(huán)水系統(tǒng)主要工藝流程如下：取水口→自流引水隧道→攔污柵→旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)→循環(huán)水泵→進(jìn)水壓力鋼管→凝汽器→排水鋼管→鋼筋混凝土排水溝→虹吸式排水工作井→自流排水隧道→排水口。循環(huán)水系統(tǒng)為母管聯(lián)通制，4臺(tái)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組共配置4臺(tái)100%流量的循泵，為增加調(diào)節(jié)手段，減少?gòu)S用電量，其中2臺(tái)已改為變頻泵。循泵的最大流量為9.3m3/h，最大揚(yáng)程為23.8m。

3 新增海水系統(tǒng)

考慮冬季極端工況，經(jīng)計(jì)算，膨脹機(jī)需要的最大海水流量約2 500m3/h；另外，為進(jìn)一步節(jié)能，新增的海水換熱系統(tǒng)將用于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組全停時(shí)需要的機(jī)組冷卻水，約500m3/h。在系統(tǒng)流程上，考慮到膨脹機(jī)回水可以回至循環(huán)水供水母管上，即可提供全廠不發(fā)電時(shí)冷卻一些輔機(jī)用水的水量，故總供水水量按2 500m3/h考慮。

4 新增海水取水泵布置和泵選型

由于利用現(xiàn)有循環(huán)水取排水設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此需對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行必要的改造、增建。本著系統(tǒng)改造時(shí)對(duì)現(xiàn)有建構(gòu)筑物、廠區(qū)、電廠運(yùn)行影響最小的原則，設(shè)計(jì)階段對(duì)取水泵的布置及泵的選型提出了多個(gè)方案，并進(jìn)行了比較，見(jiàn)表1：

表1 取水泵布置和選型方案比較

序號(hào) 方案 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 綜合分析3 4 5 6 7排水工作井堰前取水：采用長(zhǎng)軸泵方案排水工作井堰前取水：采用臥式透平同步排吸泵方案循環(huán)水壓力出水母管上：采用管道泵方案排水工作井堰后取水：采用長(zhǎng)軸泵方案排水工作井堰后取水：采用潛水離心泵方案①水質(zhì)與旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)后水質(zhì)相同，水質(zhì)較好。②當(dāng)電廠循環(huán)水運(yùn)行時(shí)，可以利用循環(huán)水排水溫升的特點(diǎn)，有利于為膨脹機(jī)的后加熱器增溫。③可利用現(xiàn)有平臺(tái)安裝長(zhǎng)軸泵組。①水泵運(yùn)行條件最好。②水質(zhì)與旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)后水質(zhì)相同，水質(zhì)較好。③當(dāng)電廠循環(huán)水運(yùn)行時(shí)，可以利用循環(huán)水排水溫升的特點(diǎn)，有利于為膨脹機(jī)的后加熱器增溫。④水泵布置在排水工作井附近地坪上，僅有吸水管穿進(jìn)排水工作井內(nèi)，水泵投資相對(duì)較小，檢修維護(hù)方便。①直接在循環(huán)水出水壓力母管上開(kāi)孔，施工簡(jiǎn)單，對(duì)原有系統(tǒng)影響小。①布置在排水工作井堰后取水，因水位高于或等于杭州灣潮位，當(dāng)電廠循環(huán)水系統(tǒng)不運(yùn)行，也不需頻繁開(kāi)啟電廠循環(huán)水泵進(jìn)行補(bǔ)水。②安裝作業(yè)的限制條件少，對(duì)電廠生產(chǎn)影響小。①布置在排水工作井堰后取水，因水位高于或等于杭州灣潮位，當(dāng)電廠循環(huán)水系統(tǒng)不運(yùn)行，也不需頻繁開(kāi)啟電廠循環(huán)水泵進(jìn)行補(bǔ)水。②安裝作業(yè)的限制條件少，對(duì)電廠生產(chǎn)影響小。①布置在排水工作井堰前取水，因虹吸堰頂標(biāo)高為5.10m，杭州灣97%低潮位為-1.28m，當(dāng)電廠循環(huán)水系統(tǒng)不運(yùn)行，且杭州灣為低潮位，低于5.10m時(shí)，形成閉式循環(huán)。此時(shí)需要開(kāi)電廠一臺(tái)循環(huán)水泵，以保證膨脹機(jī)用水。②需要在排水工作井平臺(tái)增加取水泵基礎(chǔ)，并在泵軸上增加套筒，以保證泵軸的穩(wěn)定性。③水泵投資較大，以后檢修相對(duì)復(fù)雜。①布置在排水工作井堰前取水，因虹吸堰頂標(biāo)高為5.10m，杭州灣平均低潮位為0.23m，97%低潮位為-1.28m，當(dāng)電廠循環(huán)水系統(tǒng)不運(yùn)行，且杭州灣為低潮位，低于5.10m時(shí)，需要每隔約1h開(kāi)電廠一臺(tái)循環(huán)水泵，以保證膨脹機(jī)用水。②需要在排水工作井側(cè)壁開(kāi)孔，結(jié)構(gòu)需要做好防水處理。①當(dāng)電廠循環(huán)水系統(tǒng)不運(yùn)行，需要長(zhǎng)期開(kāi)一臺(tái)循環(huán)水泵，以保證膨脹機(jī)用水。②4臺(tái)機(jī)組共4根循環(huán)水出水母管，需要分別開(kāi)孔接管，并合并成一根母管后安裝管道泵，A排外布置緊張，較難施工及布置，系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。①可能存在魚(yú)蝦游進(jìn)排水工作井內(nèi)，需要設(shè)置濾網(wǎng)以保證水質(zhì)。②需要在排水工作井增加取水泵基礎(chǔ)，并在泵軸上增加套筒，以保證泵軸的穩(wěn)定性。③水泵投資較大，施工過(guò)程比較復(fù)雜。①可能存在魚(yú)蝦游進(jìn)排水工作井內(nèi)，需要設(shè)置濾網(wǎng)以保證水質(zhì)。②需要在排水工作井增加取水泵基礎(chǔ)，并在水泵外增加套筒，以保證泵軸的穩(wěn)定性。③水泵投資相對(duì)少，施工過(guò)程比較簡(jiǎn)單。本方案與堰后長(zhǎng)軸泵方案相比，無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。本方案相對(duì)于其他方案，施工簡(jiǎn)單，投資較少，但需要頻繁開(kāi)啟電廠循環(huán)水泵。本方案系統(tǒng)復(fù)雜，且需要長(zhǎng)期開(kāi)循環(huán)水泵。本方案對(duì)原有循環(huán)水系統(tǒng)無(wú)影響，但施工過(guò)程比較復(fù)雜，投資較大。本方案對(duì)原有循環(huán)水系統(tǒng)無(wú)影響，投運(yùn)后電廠循環(huán)水泵在停機(jī)時(shí)不需要啟動(dòng)。施工周期短，過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。

5 最終設(shè)計(jì)

5.1 泵布置及選型

經(jīng)反復(fù)比選，排水工作井堰后取水，采用潛水離心泵的方案優(yōu)勢(shì)較明顯。系統(tǒng)共設(shè)2臺(tái)水泵（1用1備），參數(shù)為：Q=2500m3/h，H=35m，N=400kW，V=6kV。為考慮運(yùn)行工況的變化及節(jié)能，水泵的電機(jī)采用變頻形式。

5.2 海水換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

天然氣海水換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

膨脹機(jī)天然氣后加熱的海水取自電廠的排水工作井，即經(jīng)電廠機(jī)組凝汽器換熱后的海水溫度大于機(jī)組入口海水溫度8℃以上，不僅利用了機(jī)組凝汽器熱交換后得到的低品質(zhì)余熱，還提升了極端工況下天然氣加熱的空間。

圖1 海水加熱泵布置及管道系統(tǒng)示意圖

另外，海水通過(guò)換熱器加熱天然氣后，自身溫度會(huì)降低，當(dāng)海水換熱器水側(cè)出口溫度低于機(jī)組循環(huán)水取水溫度時(shí)，海水通過(guò)項(xiàng)目新增的循環(huán)水系統(tǒng)切換蝶閥，能重新并入機(jī)組循環(huán)水進(jìn)水母管，通過(guò)凝汽器、閉冷器系統(tǒng)吸收熱量，降低凝汽器真空，增加機(jī)組出力，減少閉式水系統(tǒng)廠用電能耗，實(shí)現(xiàn)天然氣差壓冷能利用。

6 結(jié)論

本項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)在已建成的電廠循環(huán)水系統(tǒng)上首次新增海水換熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和布置，對(duì)電廠的運(yùn)行和已建構(gòu)筑物的影響均降到了最低。該系統(tǒng)投用后使用情況良好。經(jīng)過(guò)2017年冬天的考驗(yàn)，該系統(tǒng)完全可以滿足所有工況對(duì)天然氣的加熱要求。也正因?yàn)檫@套系統(tǒng)的投用，使原有的天然氣加熱裝置水浴爐基本停用，大大節(jié)省了天然氣的耗量，年均可節(jié)約約500 000Nm3。同時(shí)由于該套系統(tǒng)的投運(yùn)，使電廠機(jī)組全停時(shí)可以停用循泵，大大節(jié)省了廠用電。據(jù)統(tǒng)計(jì)，年節(jié)省廠用電可達(dá)352.12萬(wàn)kWh。