循環(huán)水余熱利用系統(tǒng)存在的問(wèn)題及改造

李鐵軍

(河北省電力研究院熱動(dòng)所，河北 石家莊 050021)

0 引言

目前，北方各大中城市的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)均面臨2個(gè)問(wèn)題:一是集中供熱熱源普遍不足，難以適應(yīng)城市建設(shè)發(fā)展的需要，增建新的大型熱源又往往受到環(huán)境保護(hù)因素的制約;二是管網(wǎng)輸送能力受限，熱電廠供熱容量大，多設(shè)置在距熱負(fù)荷中心較遠(yuǎn)的區(qū)域。熱網(wǎng)投資過(guò)大和輸送能力不足已成為供熱系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。

熱電機(jī)組大量的汽輪機(jī)排汽余熱通過(guò)冷卻塔排放掉，而熱電廠循環(huán)水余熱回收供熱技術(shù)以汽輪機(jī)供暖抽汽驅(qū)動(dòng)，能將電廠循環(huán)水余熱回收，用以加熱熱網(wǎng)回水。該技術(shù)在不改變目前城市熱網(wǎng)基本架構(gòu)的前提下，可使管網(wǎng)的熱量輸送能力提高，增大了熱源的供熱能力，提高了電廠的綜合能源利用效率，同時(shí)可以減少電廠循環(huán)冷卻水的蒸發(fā)量，節(jié)約水資源并減少向環(huán)境排放的熱量?；谖帐綋Q熱的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術(shù)雖然理論上已經(jīng)很成熟，但從投運(yùn)的實(shí)際效果來(lái)看與設(shè)計(jì)值偏差較大，節(jié)能效果并沒(méi)有理論上那樣理想。本文簡(jiǎn)單介紹某工程循環(huán)水余熱利用系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)行情況，對(duì)實(shí)際運(yùn)行中系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 設(shè)備及系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某熱電廠裝機(jī)容量為2×300 MW，電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，全廠每小時(shí)通過(guò)涼水塔排入大氣的熱量約為1600 GJ，相當(dāng)于54.6 t標(biāo)煤的發(fā)熱量。若能回收，用于城市供熱，可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

該熱電廠在城區(qū)外南端，供熱負(fù)荷主要分布在鐵路以西的城區(qū)，電廠距離熱負(fù)荷中心約8 km，城市供熱負(fù)荷主要向北發(fā)展，末端負(fù)荷距離電廠已超過(guò)10 km。

熱電廠熱網(wǎng)設(shè)計(jì)供熱面積為1 400萬(wàn)m2，設(shè)計(jì)熱網(wǎng)額定供水量為11 000 t/h，設(shè)計(jì)供水溫度為130℃，設(shè)計(jì)回水溫度為70℃。2010年冬季實(shí)際供暖面積已接近1100萬(wàn)m2，最大供水量為8330 t/h，供水溫度一般為100～116℃，回水溫度一般為56～63℃，供水壓力為 0.700 MPa，回水壓力為 0.260 MPa。

每臺(tái)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)配有2臺(tái)流量為17 640 t/h的循環(huán)水泵，冬季運(yùn)行1臺(tái)，凝汽器循環(huán)水進(jìn)、出口溫度為19/29℃。

汽輪機(jī)供熱汽源為5段抽汽，供汽絕對(duì)壓力為0.245 ～0.600 MPa可調(diào)，額定供熱量為 400 t/h，對(duì)應(yīng)的抽汽絕對(duì)壓力為0.350 MPa。現(xiàn)在熱網(wǎng)冬季最大供水量為8370 t/h，最高熱網(wǎng)供水溫度為116℃，最大總供熱抽汽量為701 t/h。由此可見(jiàn)，2臺(tái)300 MW機(jī)組的供熱汽源已經(jīng)接近額定抽汽量，已不能滿(mǎn)足未來(lái)的供暖需求。

目前，鐵路以西城區(qū)內(nèi)供熱管網(wǎng)已基本覆蓋現(xiàn)有用戶(hù)，由于分支供熱管網(wǎng)改造難度大、熱力站基本滿(mǎn)負(fù)荷等，部分末端用戶(hù)已出現(xiàn)了供熱不達(dá)標(biāo)的情況，不得不在末端熱力站加設(shè)一次網(wǎng)管道泵來(lái)提高流量，導(dǎo)致新增用戶(hù)供熱入網(wǎng)的難度較大，供熱需求難以滿(mǎn)足。

在電廠設(shè)置蒸汽吸收式熱泵進(jìn)行循環(huán)水余熱回收利用，以提高電廠供熱能力;同時(shí)，在熱網(wǎng)采用回水直供、混水供熱方式，提高管網(wǎng)輸送能力，以滿(mǎn)足供熱的需求。循環(huán)水余熱利用系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)蒸汽系統(tǒng)、熱源水系統(tǒng)及熱網(wǎng)水系統(tǒng)。系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 吸收式熱泵技術(shù)原理簡(jiǎn)介

吸收式熱泵以低溫、低壓飽和蒸汽作為驅(qū)動(dòng)力，從低溫?zé)嵩?循環(huán)水)中回收低品位余熱，將蒸汽本身放熱和回收余熱同時(shí)傳遞給熱網(wǎng)水。吸收式熱泵熱量原理簡(jiǎn)圖如圖1所示，循環(huán)水余熱回收技術(shù)原理圖如圖2所示。

表1 系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)(單臺(tái)吸收式熱泵機(jī)組)

圖1 吸收式熱泵熱量原理簡(jiǎn)圖

3 試運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題

3.1 驅(qū)動(dòng)蒸汽系統(tǒng)

3.1.1 驅(qū)動(dòng)蒸汽系統(tǒng)概況

熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽取自#11機(jī)組采暖抽汽系統(tǒng)，接口位置在#11機(jī)組換熱站A01列柱6.3 m層采暖抽汽母管，采暖抽汽母管由此向換熱站西側(cè)引出1條DN 900的蒸汽管道，在此蒸汽管道上分別設(shè)置手動(dòng)關(guān)斷閥、電動(dòng)關(guān)斷閥和減溫器，驅(qū)動(dòng)蒸汽系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

該機(jī)組采用吸收式熱泵，熱泵機(jī)組工質(zhì)溶液溫度低于165℃時(shí)，對(duì)金屬的腐蝕性不大，而當(dāng)溶液溫度超過(guò)165℃時(shí)，溶液對(duì)碳鋼和紫銅的腐蝕性急劇增大。故要求將由5段抽汽提供的參數(shù)為280℃，0.300 MPa(表壓)的過(guò)熱蒸汽(采暖抽汽)經(jīng)過(guò)減溫器減溫后變?yōu)轱柡蜏囟燃s為140℃的飽和蒸汽，供給熱泵作為驅(qū)動(dòng)蒸汽。蒸汽在熱泵內(nèi)釋放出熱量凝結(jié)成水，每臺(tái)熱泵的凝結(jié)水(壓力約0.020 MPa)經(jīng)過(guò)2根DN 80的管道自流至熱泵房?jī)蓚?cè)DN 200的凝結(jié)水母管，經(jīng)母管進(jìn)入布置在－3 m標(biāo)高的閉式凝結(jié)水回收水箱內(nèi)，經(jīng)凝結(jié)水回收裝置配套的水泵升壓后排入現(xiàn)有#11機(jī)組熱網(wǎng)加熱器的疏水管道上，沿著現(xiàn)有熱網(wǎng)加熱器疏水系統(tǒng)進(jìn)入高壓除氧器回收。

3.1.2 驅(qū)動(dòng)蒸汽系統(tǒng)投運(yùn)后出現(xiàn)的問(wèn)題

在機(jī)組調(diào)試期間，投運(yùn)蒸汽后，出現(xiàn)了減溫器后溫度降低到飽和溫度以下120℃、各熱泵入口溫度接近200℃以及減溫器后疏水管滿(mǎn)水的現(xiàn)象，減溫器不能很好地工作。投運(yùn)一段時(shí)間后沒(méi)有明顯的好轉(zhuǎn)，致使熱泵系統(tǒng)無(wú)法投運(yùn)調(diào)試。

3.1.3 原因分析及改造

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是:老機(jī)組受現(xiàn)場(chǎng)空間條件限制，減溫器后直管段長(zhǎng)度不夠，減溫水噴入后未能完全充分混合汽化;過(guò)熱蒸汽流速在投運(yùn)初期較小，減溫器后蒸汽攜帶水滴在急轉(zhuǎn)彎管段和爬高管段在離心力及重力作用下落到管道底部，造成疏水管滿(mǎn)水，熱泵入口溫度仍為過(guò)熱蒸汽。另外，由于系統(tǒng)投入初期與正常運(yùn)行時(shí)的蒸汽流量相差較大，造成投運(yùn)初期噴水量要求較低，所以減溫水調(diào)整門(mén)開(kāi)度非常小，導(dǎo)致門(mén)后壓力很低，減溫水不能很好地霧化。

針對(duì)以上問(wèn)題，調(diào)試人員與設(shè)計(jì)院、減溫器廠家和建設(shè)方溝通，綜合考慮壓降對(duì)經(jīng)濟(jì)性影響等因素，決定將減溫器后直管段加長(zhǎng)20 m，降低管段爬升高度;同時(shí)，為了解決投運(yùn)初期蒸汽流量低、減溫水調(diào)門(mén)開(kāi)度小、減溫水霧化不好的問(wèn)題，增加由熱泵蒸汽母管末端通過(guò)一個(gè)調(diào)整門(mén)直接接回?zé)峋W(wǎng)加熱器的管段，以便在投運(yùn)初期打開(kāi)該調(diào)整門(mén)增加用汽量，解決了初期投運(yùn)用汽量小、減溫水不好控制的矛盾。更換霧化效果好的噴頭，霧化噴頭120孔，孔徑為1.2 mm。改造后減溫器工作正常，減溫后各熱泵入口溫度控制在飽和溫度140℃左右。改造前、后蒸汽系統(tǒng)如圖4、圖5所示。

3.2 熱源水系統(tǒng)

3.2.1 熱源水系統(tǒng)概況

該電廠熱泵房布置在#11機(jī)組熱網(wǎng)加熱器廠房南側(cè)場(chǎng)地，該場(chǎng)地距離抽汽管道和循環(huán)水管道很近。從#11機(jī)組凝汽器出水循環(huán)水干管上接出2根DN 1400的管道至2臺(tái)循環(huán)水升壓泵(50%容量)入口;循環(huán)水升壓泵供水至熱泵熱源水供水母管(DN 1400)上，熱源水通過(guò)熱泵后回流到1根DN 1800的熱源水出水母管。出水母管設(shè)2條回路，其中一條回路通過(guò)電動(dòng)閥門(mén)1、調(diào)節(jié)閥2與#11機(jī)組凝汽器入口循環(huán)水干管相連接;另一條回路通過(guò)電動(dòng)閥門(mén)3、調(diào)節(jié)閥4與#10機(jī)組凝汽器出口循環(huán)水干管相連。

循環(huán)水升壓泵布置在熱泵機(jī)房的泵坑內(nèi)，共設(shè)置2臺(tái)循環(huán)水升壓泵，不設(shè)備用。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，循環(huán)水升壓泵的揚(yáng)程在參考循環(huán)水系統(tǒng)壓力計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上考慮5 m的裕度。

系統(tǒng)投運(yùn)后，老廠2臺(tái)機(jī)組各有1臺(tái)循環(huán)水泵低速運(yùn)行，原循環(huán)水泵房外的循環(huán)水聯(lián)絡(luò)閥門(mén)打開(kāi)，#11冷卻塔關(guān)閉，#10冷卻塔運(yùn)行，整個(gè)熱泵本體運(yùn)行的循環(huán)水量為18400m3/h。機(jī)組的具體運(yùn)行流程為:熱泵本體正常運(yùn)行時(shí)，#11冷卻塔入口3個(gè)閥門(mén)關(guān)閉。循環(huán)水通過(guò)升壓泵進(jìn)入熱泵，經(jīng)熱泵吸收熱量后，大部分循環(huán)水通過(guò)電動(dòng)蝶閥1與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥2返回#11機(jī)組凝汽器入口，形成一個(gè)閉式循環(huán)路徑;為調(diào)節(jié)凝汽器出口循環(huán)水溫度，通過(guò)電動(dòng)蝶閥3與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥4調(diào)節(jié)一部分循環(huán)水進(jìn)入#10機(jī)組凝汽器出口循環(huán)水退水管道，進(jìn)入#10冷卻水塔進(jìn)行冷卻，實(shí)現(xiàn)兩塔合一的運(yùn)行方式，提高了冷卻水塔的防凍能力。冷卻后的這部分循環(huán)水經(jīng)電廠循環(huán)水泵打回#11機(jī)組凝汽器入口，與閉式循環(huán)的冷卻水進(jìn)行混合，達(dá)到控制溫度的目的。電廠循環(huán)水泵只起到補(bǔ)水的作用。對(duì)于#10機(jī)組，在冬季正常運(yùn)行工況下，其循環(huán)水量為2臺(tái)循環(huán)水泵出水量之和減去#11機(jī)組的用水量。熱源水系統(tǒng)示意圖如圖6所示。

3.2.2 熱源水系統(tǒng)存在的問(wèn)題

熱泵系統(tǒng)試運(yùn)行期間，循環(huán)水出水溫度達(dá)到34℃，滿(mǎn)足熱泵要求的最佳入口溫度，循環(huán)水溫降最大為4℃，低于設(shè)計(jì)溫降值，熱網(wǎng)水溫升由55℃達(dá)到73℃，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由于熱源水溫降達(dá)不到設(shè)計(jì)值(6℃)，造成#11機(jī)組凝汽器循環(huán)水入口溫度偏高，為了避免對(duì)主機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生影響，需要去#10塔調(diào)節(jié)閥4常開(kāi)，由此造成#10，#11機(jī)組真空度由－98 kPa下降到 －95kPa，端差由2.4℃增加到4.6℃，影響#10機(jī)組真空度。為了不對(duì)#10機(jī)組產(chǎn)生影響，將#3，#4門(mén)關(guān)閉，打開(kāi)回#11塔的3個(gè)門(mén)，由于熱源水溫度降低，為避免#11凝汽器進(jìn)口溫度高，只能限制#1，#2門(mén)的開(kāi)度，從而影響熱泵提取總熱量效果，使熱泵經(jīng)濟(jì)性有較大的折扣。

3.2.3 原因分析與改造

(1)使用超聲波流量計(jì)測(cè)量循環(huán)水流量，測(cè)量結(jié)果顯示熱源水流量偏大，導(dǎo)致?lián)Q熱給熱網(wǎng)水同樣熱量所需的熱源水溫降低于設(shè)計(jì)值。另外，循環(huán)水流量偏大還會(huì)增加廠用電率，進(jìn)一步影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。建議對(duì)升壓泵進(jìn)行改造。

(2)循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)不盡合理，應(yīng)避免#11機(jī)組熱泵系統(tǒng)投運(yùn)對(duì)#10機(jī)組產(chǎn)生影響，#11機(jī)組退水接回本塔，不能向#10機(jī)組退水排放，以擠壓#10機(jī)組退水，影響#10機(jī)組循環(huán)水量，對(duì)#10機(jī)組真空度產(chǎn)生影響。熱泵熱源水出水按圖7進(jìn)行改造，可以控制循環(huán)水進(jìn)水溫度，避免對(duì)本機(jī)組真空度產(chǎn)生影響，也可以避免對(duì)#10機(jī)組真空度產(chǎn)生影響。

圖6 熱源水系統(tǒng)示意圖

(3)確定熱泵入口循環(huán)水溫度時(shí)，不應(yīng)太多考慮熱泵單體成本，應(yīng)該綜合考慮機(jī)組整體經(jīng)濟(jì)性，不能為了余熱回收系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)提高凝汽器循環(huán)水出口溫度，從而影響凝汽器真空度。因?yàn)槟髡婵斩认陆禃?huì)造成裝置效率、熱耗及煤耗增加，最終會(huì)使熱泵的經(jīng)濟(jì)性有較大的折扣。

圖7 改造后的熱源水示意圖

4 結(jié)論

(1)利用“基于吸收式循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱”技術(shù)，可將提高熱源供熱能力、增加管網(wǎng)輸送能力以及電廠的節(jié)能增效有機(jī)結(jié)合起來(lái)，是熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱領(lǐng)域一項(xiàng)有前景的技術(shù)革新。

(2)熱泵機(jī)組具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，但是熱泵制熱性能系數(shù)(COP)很高，電廠整個(gè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)性未必高。要達(dá)到熱泵制熱效率與電廠整個(gè)循環(huán)效率雙贏的目的，就不應(yīng)該通過(guò)提高凝汽器循環(huán)水出口溫度來(lái)滿(mǎn)足熱泵的最佳工況，這樣做會(huì)影響凝汽器的真空度，進(jìn)而影響整個(gè)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。雖然熱泵機(jī)組本身的制熱效率很高，但由于真空度的下降，整個(gè)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性下降，大大抵消了熱泵本身所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。所以，在熱泵機(jī)組選型時(shí)，對(duì)熱源水溫度的選取應(yīng)該建立在機(jī)組最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況下循環(huán)水出水溫度前提下，綜合考慮初投資及收益年限，選取一個(gè)對(duì)汽輪機(jī)組綜合效率較經(jīng)濟(jì)的熱泵本體熱源水進(jìn)水溫度參數(shù)。

(3)循環(huán)水系統(tǒng)對(duì)機(jī)組安全性及經(jīng)濟(jì)性影響較大，升壓泵退水應(yīng)獨(dú)立回塔，以免影響其他機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，導(dǎo)致總的經(jīng)濟(jì)性沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。

［1］宋之平，張光，周少祥.新模式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng):聯(lián)產(chǎn)供熱的一個(gè)發(fā)展［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，1997，18(5):536－539.