引言

隨著我國城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及居民生活品質(zhì)的提升,我國北方城鎮(zhèn)集中供熱面積增長迅速,城市供熱熱源緊張,這就對熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)供熱機(jī)組的供熱能力提出了新的要求。

對于能源消耗大戶火力發(fā)電廠來說,其燃料燃燒總發(fā)熱量中電能的轉(zhuǎn)化率只有35%～40%,而其余大部分的熱量主要通過鍋爐煙囪和循環(huán)水冷卻塔散失到環(huán)境中,凝汽冷凝造成的冷源熱損失一般約為2300kJ/kg。以600Mw發(fā)電機(jī)組為例,其主蒸汽量約為2000t/h,則凝汽熱損失約4.6×103GJ/h,折合標(biāo)準(zhǔn)煤約為157t/h。

乏汽熱量對于電廠來說作為廢熱被排放,但對于僅需低品位熱源的建筑采暖而言則是巨大的能源浪費(fèi)。如果將低壓缸排汽的熱量應(yīng)用于供熱,既可以大幅提高電廠綜合能源利用率,降低電廠煤耗,又能有效緩解供熱熱源不足的問題,有利于減輕大氣環(huán)境壓力。因此,對循環(huán)水余熱加以回收利用是提高發(fā)電廠能源利用效率的重要手段。

吸收式熱泵以熱能為動(dòng)力,利用溶液的吸收特性將熱量從低溫?zé)嵩摧斔椭粮邷責(zé)嵩?是目前回收利用低品位熱能的有效方法,具有節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的雙重作用[4]。利用吸收式熱泵的特點(diǎn),將熱電廠循環(huán)水中的低品位熱能用于供熱,實(shí)現(xiàn)了在不改變裝機(jī)容量的情況下,提高了機(jī)組供熱能力和系統(tǒng)效率的目的,使電廠的綜合效率提高到70%～80%,即利用1個(gè)單位蒸汽驅(qū)動(dòng)熱量,可回收0.65～0.85個(gè)單位低品熱量。

本文以某電廠300Mw供熱機(jī)組為對象進(jìn)行改造,采用基于吸收式熱泵的循環(huán)水利用供熱技術(shù),回收汽輪機(jī)的循環(huán)水余熱,以提高機(jī)組的供熱能力和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

1機(jī)組概況

某電廠一型號(hào)為C270/N300-16.7/537/537的供熱機(jī)組,額定采暖抽汽壓力為0.49MPa,額定采暖抽汽流量為320t/h。

根據(jù)往年采暖季的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),受汽輪機(jī)采暖抽汽量的限制,該熱電廠的供熱能力已經(jīng)接近飽和。同時(shí),火電廠低溫循環(huán)水的能量約占電廠耗能總量的30%以上,充分利用這部分能量可以有效緩解目前電廠供熱機(jī)組進(jìn)一步拓展供熱市場的熱源不足問題。

2余熱利用方案

吸收式熱泵熱量收支圖如圖1所示,以汽輪機(jī)抽汽為驅(qū)動(dòng)能源O1,產(chǎn)生制冷效應(yīng),回收循環(huán)水余熱O2,加熱熱網(wǎng)循環(huán)水回水,得到的有用熱量(熱網(wǎng)供熱量）為消耗的蒸汽熱量與回收的循環(huán)水余熱量之和,即O1＋O2。

吸收式熱泵在電廠余熱回收系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖2所示。

原汽輪機(jī)凝汽器的乏汽余熱通過冷卻水塔排放到大氣環(huán)境中,造成乏汽余熱損失?，F(xiàn)采用吸收式熱泵,以凝汽器出口的循環(huán)冷卻水作為低溫?zé)嵩?以電廠采暖抽汽作為驅(qū)動(dòng)熱源,加熱熱網(wǎng)循環(huán)水回水,循環(huán)冷卻水降溫后再引入凝汽器吸收低壓缸排汽余熱,從而達(dá)到余熱回收利用的目的,熱網(wǎng)循環(huán)水被加熱后,再送往熱網(wǎng)加熱器。此方案可回收循環(huán)水余熱,提高電廠供熱量,從而提高電廠總的熱效率。

3設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

3.1驅(qū)動(dòng)蒸汽參數(shù)

熱泵采用供熱采暖抽汽作為驅(qū)動(dòng)蒸汽。對于熱泵機(jī)組來說,要求驅(qū)動(dòng)蒸汽維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài),對于熱泵做功以及疏水水位的控制有較大好處。因此熱泵投運(yùn)以后,需要在運(yùn)行時(shí)提供一個(gè)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)汽源。

從機(jī)組近兩年供熱期的運(yùn)行數(shù)據(jù)來看,實(shí)際運(yùn)行的采暖抽汽壓力在0.24MPa左右,采暖抽汽溫度在230℃左右。為盡可能回收凝汽器循環(huán)水余熱,從而發(fā)揮熱泵回收余熱的供熱優(yōu)勢,適當(dāng)提高采暖抽汽壓力至0.28MPa,考慮抽汽至熱泵機(jī)組管道壓損(約0.03MPa）,進(jìn)入熱泵系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力為0.25MPa,過熱度不超過10℃。

3.2熱網(wǎng)水參數(shù)

從近兩年采暖季歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)來看,嚴(yán)寒期和初末期的熱網(wǎng)水平均回水溫度分別約為53℃和46℃,在整個(gè)供暖期,熱網(wǎng)水回水溫度一般在41～56℃,整個(gè)采暖期平均回水溫度為49.5℃。本方案中熱網(wǎng)回水溫度即熱泵的進(jìn)口溫度設(shè)定為50℃。

一次熱網(wǎng)循環(huán)水流量設(shè)計(jì)值為8600t/h,本方案中熱網(wǎng)循環(huán)水量取8000t/h。根據(jù)當(dāng)?shù)丶泄岬奶匦?供熱的熱網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)是量調(diào)與質(zhì)調(diào)并進(jìn)的方式,故熱網(wǎng)循環(huán)水運(yùn)行調(diào)節(jié)是流量和供水溫度并重,熱網(wǎng)循環(huán)水流量隨環(huán)境溫度的變化而變化。

3.3循環(huán)水參數(shù)

機(jī)組背壓升高可使循環(huán)水出口溫度(即熱泵入口溫度）升高,循環(huán)水余熱升高。但隨著機(jī)組背壓升高,低壓缸最小冷卻蒸汽質(zhì)量流量要保證末級葉片不產(chǎn)生鼓風(fēng),這將導(dǎo)致低壓缸最小冷卻蒸汽質(zhì)量流量逐漸增大,采暖抽汽流量逐漸減少。因此背壓的確定對機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及循環(huán)水余熱利用系統(tǒng)有重要影響。

機(jī)組在冬季供熱期運(yùn)行時(shí),凝汽器循環(huán)水進(jìn)水溫度在15℃左右,溫升在7～10℃變化,凝汽器端差在2～5℃波動(dòng),此時(shí)機(jī)組背壓在4.0kPa左右,本項(xiàng)目中凝汽器端差選3℃。

熱泵改造后冬季供熱期該機(jī)組循環(huán)水泵按單泵變頻運(yùn)行,循環(huán)水流量約14000t/h。

按該機(jī)組背壓分別在5.0kPa、6.0kPa、7.0kPa和8.0kPa進(jìn)行熱泵方案比選,考慮凝汽器端差3℃、循環(huán)水泵單臺(tái)運(yùn)行流量14000t/h,在最大采暖抽汽工況下凝汽器余熱量在116Mw以上,計(jì)算出排汽飽和溫度分別為32.88℃、36.16℃、39.00℃、41.51℃,對應(yīng)的凝汽器循環(huán)水出口溫度為29.88℃、33.16℃、36.00c、38.51℃。

該機(jī)組投入熱泵系統(tǒng)運(yùn)行后,可通過調(diào)整抽汽量與低壓缸進(jìn)汽量尋找平衡點(diǎn),盡量使得機(jī)組的凝汽器循環(huán)水的余熱盡可能多的得到回收利用,未能回收的部分循環(huán)水仍然上塔冷卻,其他工況可以通過調(diào)整主蒸汽的進(jìn)汽量或循環(huán)水補(bǔ)水量等措施,保證機(jī)組和熱泵安全、平穩(wěn)地運(yùn)行,保證滿足供熱需求。

3.4熱泵優(yōu)化方案比選

該機(jī)組背壓分別為5.0kPa、6.0kPa、7.0kPa和8.0kPa時(shí),根據(jù)這4組參數(shù)選取熱泵,熱泵選型數(shù)據(jù)如表1所示。

從以上比較可以看出,隨著機(jī)組背壓的升高,低壓缸排汽最小冷卻流量增大,導(dǎo)致采暖抽汽流量降低,熱泵供熱量和回收余熱量雖然增加,但熱泵改造后的總供熱量逐漸降低?？紤]熱泵造價(jià)的變化和投資回報(bào)年限,選擇背壓為7.0kPa最具經(jīng)濟(jì)性。

4經(jīng)濟(jì)性分析

以最大抽汽工況為基準(zhǔn)比較,本項(xiàng)目改造后,熱泵系統(tǒng)回收循環(huán)水余熱量89Mw,機(jī)組背壓由4.0kPa升高至7.0kPa。在主汽流量960t/h、背壓4.0kPa情況下,發(fā)電負(fù)荷234.649Mw,采暖抽汽流量478t/h。熱泵改造后機(jī)組背壓為7.0kPa情況下,汽輪機(jī)背壓提高后導(dǎo)致采暖抽汽流量由478t/h降低至401t/h,使全廠供熱能力增加79Mw。增加熱泵系統(tǒng)后,在供熱抽汽量不變的情況下,供熱面積增加,機(jī)組煤耗下降了44.23g/kwh。由此可知,系統(tǒng)改造后,有效降低了機(jī)組煤耗,達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

5結(jié)語

本文使用熱泵利用循環(huán)水余熱,增加機(jī)組供熱量,可有效減少機(jī)組煤耗,且在不增加熱源的基礎(chǔ)上提升供熱面積,對于熱電廠來說是十分有效的節(jié)能增效技術(shù)。在熱泵參數(shù)選型過程中,結(jié)合供熱機(jī)組供熱期的運(yùn)行平均數(shù)據(jù),盡可能提高余熱利用率,在保證低壓缸安全運(yùn)行的情況下,最終確定的參數(shù)如表2所示。

本文利用表2所示參數(shù)的熱泵回收循環(huán)水余熱方案,機(jī)組供熱能力增加79Mw,在供熱抽汽量不變的情況下,機(jī)組煤耗下降了44.23g/kwh,節(jié)能經(jīng)濟(jì)效果明顯。