電廠城市供熱循環(huán)水余熱利用技術(shù)方案探討

鄒曉輝，徐厚達(dá)，張 剛，郭 棟，王莉莉

(1.華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030；2.華電國(guó)際電力股份有限公司萊城發(fā)電廠，山東 萊蕪 271100)

電廠城市供熱循環(huán)水余熱利用技術(shù)方案探討

鄒曉輝1，徐厚達(dá)1，張 剛2，郭 棟1，王莉莉1

(1.華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030；2.華電國(guó)際電力股份有限公司萊城發(fā)電廠，山東 萊蕪 271100)

根據(jù)目前余熱回收利用技術(shù)在不同容量電廠中的應(yīng)用情況，對(duì)比分析不同余熱回收利用技術(shù)，分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可為相同機(jī)組型號(hào)的電廠節(jié)能降耗改造提供前期選擇參考，為機(jī)組選型提供依據(jù)。

余熱利用；節(jié)能減排；對(duì)比

0 引 言

火力發(fā)電廠排煙熱損失在鍋爐各項(xiàng)熱損失中所占比例最大，冷凝熱通過(guò)涼水塔或空冷島排入大氣，形成巨大的冷端損失，是火力發(fā)電廠能源使用效率低下的主要原因，同時(shí)造成能量和水的浪費(fèi)。對(duì)于火力發(fā)電廠鍋爐尾部煙氣循環(huán)水余熱回收技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量研究，從回收利用的方式來(lái)看，目前常用的技術(shù)有: 汽輪機(jī)低真空運(yùn)行供熱技術(shù)；壓縮式熱泵回收余熱；集中設(shè)置吸收熱泵供熱；“NCB”新型供熱機(jī)組；大溫差集中供熱系統(tǒng)等有較好應(yīng)用的技術(shù)?，F(xiàn)將這些技術(shù)方案進(jìn)行整理分析，找出各自的優(yōu)缺點(diǎn)并對(duì)比，為以后同類型的機(jī)組進(jìn)行節(jié)能改造提供參考。

1 各種汽輪機(jī)排汽冷凝熱利用方案分析

1.1 汽輪機(jī)低真空運(yùn)行供熱技術(shù)

汽輪機(jī)低真空運(yùn)行供熱技術(shù)在理論上可以實(shí)現(xiàn)很高的能效，國(guó)內(nèi)外都有很多成功的研究成果和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，如孟繁晉[1]對(duì)其進(jìn)行熱力學(xué)分析,從經(jīng)濟(jì)性和分析；考芳[2]對(duì)低真空運(yùn)行循環(huán)水供熱改造進(jìn)行實(shí)例說(shuō)明，并從安全性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析；張耀輝等[3]對(duì)低真空運(yùn)行供熱技術(shù)在煉油廠動(dòng)力站的抽凝式汽輪機(jī)上的應(yīng)用，主要用于加熱煉油廠的伴熱水和采暖水，效果較好。凝汽式汽輪機(jī)改造為低真空運(yùn)行供熱后，凝汽器成為熱水供熱系統(tǒng)的基本加熱器，原來(lái)的循環(huán)冷卻水變成了供暖熱媒，在熱網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行閉式循環(huán)，有效地利用了汽輪機(jī)凝汽所釋放的汽化潛熱。當(dāng)需要更高的供熱溫度時(shí)，則在加熱器中進(jìn)行二級(jí)加熱，供熱系統(tǒng)簡(jiǎn)圖(如圖1所示)。

圖1 凝汽式汽輪機(jī)低真空運(yùn)行系統(tǒng)流程圖

盡管低壓缸真空度提高后，在相同的進(jìn)汽量下與純凝工況相比，發(fā)電量減少了，并且汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率也有所降低，但因降低了熱力循環(huán)中的冷源損失，系統(tǒng)總的熱效率仍會(huì)有很大程度的提高。

傳統(tǒng)的低真空運(yùn)行供熱技術(shù)主要受以下幾方面的限制：

(1)低真空運(yùn)行機(jī)組類似于背壓式供熱機(jī)組，其通過(guò)的新汽量決定于用戶熱負(fù)荷的大小，所以發(fā)電功率受用戶熱負(fù)荷的制約，不能分開(kāi)獨(dú)立的進(jìn)行調(diào)節(jié)，即其運(yùn)行是“以熱定電”，因此只適用于用戶熱負(fù)荷比較穩(wěn)定的供熱系統(tǒng)；

(2)汽輪機(jī)背壓提高后，會(huì)影響汽輪機(jī)組的發(fā)電效率；

(3)凝汽式汽輪機(jī)改造為低真空運(yùn)行循環(huán)水供熱時(shí)，對(duì)小型和少數(shù)中型機(jī)組在經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的變工況運(yùn)行計(jì)算，對(duì)排汽缸結(jié)構(gòu)、軸向推力的改變、末級(jí)葉輪的改造等方面做嚴(yán)格校核和一定改動(dòng)后方可以實(shí)行，但對(duì)現(xiàn)代大型機(jī)組則是不允許的，尤其對(duì)于中間再熱式大型汽輪機(jī)組，凝汽壓力過(guò)高會(huì)使機(jī)組的末級(jí)出口蒸汽溫度過(guò)高，且蒸汽的容積流量過(guò)小，從而引起機(jī)組的強(qiáng)烈振動(dòng)，危及運(yùn)行安全。

1.2 壓縮式熱泵回收余熱

火力發(fā)電廠的循環(huán)水中含有大量的潛在熱量，鋪設(shè)單獨(dú)的管道，將電廠凝汽余熱引至用戶，在用戶熱力站等處設(shè)置分布式電動(dòng)壓縮式熱泵，這種方式能夠收到一定的節(jié)能效果，將循環(huán)水中低品位的冷凝熱量轉(zhuǎn)換為高品位的熱能。但是管道投資巨大，輸送泵耗高，因此無(wú)法遠(yuǎn)距離輸送，供熱半徑僅限制在電廠周邊3～5 km范圍以內(nèi)。郭江龍等[4]采用COP指數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)得出采用壓縮式熱泵制造熱量是耗電量的3倍～6倍。孫天宇等[5]對(duì)壓縮式與吸收式熱泵進(jìn)行了比較，分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)，指出壓縮式熱泵的單臺(tái)設(shè)備容量小，出水溫度較低，僅為45～60 ℃。

另一種方式就是在電廠處集中設(shè)置壓縮式熱泵，可以是電動(dòng)的，這種熱泵形式造成廠用電耗量大，在能源轉(zhuǎn)換效率上不是最好的方式；也可以是汽輪機(jī)直接做功驅(qū)動(dòng)的，但僅當(dāng)有壓力較高的蒸汽時(shí)才具有可行性。

1.3 集中設(shè)置吸收熱泵供熱方式

將吸收式熱泵機(jī)組集中設(shè)置在電廠內(nèi)部，系統(tǒng)流程如圖2所示，與常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)相比，僅采用吸收式熱泵替代汽水換熱器低溫加熱部分。華電大同第一熱電廠等大型火力發(fā)電機(jī)組都是用這種模式將冷凝熱回收技術(shù)應(yīng)用于集中供熱[6]。具體方案為：采用吸收式熱泵回收汽輪機(jī)排汽冷凝熱，將一次網(wǎng)熱水從60 ℃加熱到90 ℃，熱水90 ℃到120 ℃仍然使用汽輪機(jī)抽汽來(lái)加熱；汽輪機(jī)排汽向冷卻水冷凝放熱，冷卻水40 ℃ 進(jìn)熱泵，30 ℃出熱泵，再進(jìn)汽輪機(jī)凝汽器吸熱升溫，如此循環(huán)，將凝汽器排熱輸送給熱泵；吸收式熱泵需要使用部分0.2 MPa以上的飽和蒸汽作為驅(qū)動(dòng)熱源。

圖2 集中式吸收熱泵供熱方式系統(tǒng)流程圖

這種方式可以回收部分汽輪機(jī)乏汽余熱，具有一定節(jié)能效果，但同時(shí)在應(yīng)用中存在著以下不足：

(1)由于受熱網(wǎng)回水溫度高的限制，為了達(dá)到回收余熱的目的，需要的熱泵容量大，導(dǎo)致電廠熱泵設(shè)備占地面積大，在多數(shù)電廠會(huì)缺少場(chǎng)地布置；

(2)由于熱網(wǎng)回水溫度相對(duì)較高，一般電廠回收余熱要求更高汽輪機(jī)抽汽參數(shù)和余熱參數(shù)才能到達(dá)一定效果；回收余熱的比例較小，節(jié)能性受到限制。

1.4 “NCB”新型供熱機(jī)組

何堅(jiān)忍等[7]專家針對(duì)300 MW大型供熱機(jī)組提出了“NCB”供熱汽輪機(jī)模式，并申請(qǐng)了專利。其特點(diǎn)是具有背壓式供熱汽輪機(jī)和抽凝式供熱汽輪機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能克服這兩種供熱汽輪機(jī)的缺點(diǎn)，系統(tǒng)圖如圖3所示。機(jī)組在非供熱期時(shí)，關(guān)閉供熱抽汽控制閥、完全打開(kāi)低壓缸進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥，該汽輪機(jī)呈純凝工況運(yùn)行，使得機(jī)組具有純凝式汽輪機(jī)發(fā)電效率高的優(yōu)點(diǎn)；在正常供熱期，根據(jù)運(yùn)行情況調(diào)控低壓缸進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥、供氣抽氣控制閥開(kāi)度，機(jī)組呈抽汽工況運(yùn)行，具有抽凝汽輪機(jī)優(yōu)點(diǎn)，即能對(duì)外抽汽供熱還可以保持高的發(fā)電效率；在高峰供熱期，打開(kāi)供熱抽汽控制閥、關(guān)閉低壓缸進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥，汽輪機(jī)呈背壓工況運(yùn)行，具有背壓供熱汽輪機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，可做到最大供熱能力，低壓缸部分處于低速盤車狀態(tài)，可隨時(shí)投運(yùn)。

圖3 集中式吸收熱泵供熱方式系統(tǒng)流程圖

但是該項(xiàng)技術(shù)改造要受兩方面的局限：若原300 MW 機(jī)組為單軸汽輪機(jī)，如果改造為雙軸汽輪機(jī)，需要解決排汽缸結(jié)構(gòu)、軸向推力的改變等因素的影響，同時(shí)需要完成汽輪機(jī)葉輪的改造等工作，改造過(guò)程需要停機(jī)，改造難度大。

1.5 大溫差集中供熱系統(tǒng)

大溫差集中供熱系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 大溫差集中供熱系統(tǒng)流程圖

如圖4所示為大溫差供熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)由汽輪機(jī)、凝汽器、蒸汽吸收式熱泵、汽-水換熱器、熱水吸收式熱泵、水-水換熱器以及連接管路和附件組成[8]。其主要特征是：熱網(wǎng)供熱溫差大，與常規(guī)熱網(wǎng)相比在運(yùn)行期間溫差能增大約一倍，這樣可以大幅度增加熱網(wǎng)的輸送能力，但同時(shí)由于回水溫度低，無(wú)保溫和熱應(yīng)力補(bǔ)償問(wèn)題，可以節(jié)省在回水管網(wǎng)和整個(gè)管網(wǎng)建設(shè)方面的投資；該系統(tǒng)在余熱利用開(kāi)發(fā)中能最大挖掘節(jié)能潛力，同時(shí)改造熱源與熱網(wǎng)兩側(cè)，使得熱源側(cè)余熱充分回收，熱網(wǎng)側(cè)現(xiàn)有管網(wǎng)輸送能力大大提高而避免破路施工，但兩側(cè)改造費(fèi)用較大，特別是對(duì)現(xiàn)有熱力站換熱設(shè)備的改造需要多方協(xié)調(diào)，工作量大。

2 對(duì)比分析

將上述五種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，列表見(jiàn)表1。

表1 供熱循環(huán)水余熱利用方式對(duì)照表

3 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)計(jì)劃到 2020 年將碳排放量減少 40%～45% 。隨著時(shí)間的推移，目前面臨著巨大的減排壓力，余熱回收利用作為提高能源利用效率的有效途徑，國(guó)家出臺(tái)多項(xiàng)政策鼓勵(lì)企業(yè)進(jìn)行余熱回收利用，未來(lái)將有很大的應(yīng)用空間，對(duì)比分析不同余熱利用在城市供熱循環(huán)水的應(yīng)用方案，可為新建余熱利用項(xiàng)目提供方案支撐。

[1] 孟繁晉．抽凝機(jī)組低真空循環(huán)水供熱技術(shù)熱力學(xué)分析[J]．暖通空調(diào)，2012,42(9):58-61.

[2] 考 芳．小型凝汽式汽輪機(jī)低真空運(yùn)行循環(huán)水供熱改造[J]．山東電力技術(shù)，2010,3:46-48.

[3] 張耀輝．抽凝式汽輪機(jī)低真空循環(huán)水供熱技術(shù)分析及應(yīng)用[J]．石油化工設(shè)備，2014,43(2):67-69.

[4] 郭江龍．壓縮式和吸收式熱泵回收電廠循環(huán)水冷凝熱經(jīng)濟(jì)性分析[J]．汽輪機(jī)技術(shù)，2012,54(5):379-381.

[5] 孫天宇．壓縮式與吸收式熱泵系統(tǒng)的分析比較[J]．上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2014,30(2):115-119.

[6] 李 巖．基于吸收式換熱的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)配置與運(yùn)行研究[D]．清華大學(xué)，2012.

[7] 何堅(jiān)忍．節(jié)能增效的 NCB 新型專用供熱機(jī)[J]．熱電技術(shù), 2009, (3):1-4.

[8] 付 林．一種大溫差集中供熱系統(tǒng)[P]．200810101065.

Study on Waste Heat Recovery of Heat-Feeding Water Circulating in City

ZOU Xiao-hui1, XU Hou-da1, ZHANG Gang2, GUO Dong1, WANG Li-li1

(1. Huadian Electric Power, Research Institute, Hangzhou 310030, China; 2. Huadian Power International Corp Laicheng Power Plant, Laiwu 271100, Shandong Province, China)

According to the current application status of waste heat recovery and utilization technology in different capacity in power plant, the comparative analysis of different waste heat recovery and utilization technology, analysis of their advantages and disadvantages, which can provide reference for the early selection of conservation of energy saving in power plant the same set of models, provide the basis for the selection of units.

Waste heat utilization; Energy saving; Contrast

2014-10-11

2014-11-10

鄒曉輝(1980-)，男，寧夏回族自治區(qū)省、中衛(wèi)市/中寧縣，工程師，碩士，從事汽輪機(jī)方面的研究。

10.3969/j.issn.1009-3230.2014.12.010

TU832.1.3

B

1009-3230(2014)12-0041-05