300MW供熱機(jī)組排渣余熱的利用分析

馬利斌 任建興 李夢(mèng)奇 張林建 朱鍇鍇

1上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院

2上海機(jī)電設(shè)計(jì)研究院

0 前言

目前社會(huì)各行業(yè)對(duì)70℃～110℃熱量的需求空間越來越廣泛，然而這部分熱量卻是由化石燃料提供，嚴(yán)重降低了化石燃料的利用率，直接導(dǎo)致了PM2.5、PM10等微小顆粒的排放，造成我國(guó)華北和東北地區(qū)冬季霧霾天氣頻發(fā)?；诃h(huán)境和國(guó)家能源政策的壓力，發(fā)電企業(yè)對(duì)電廠余熱的利用進(jìn)行了大量的探索[1]。在供熱機(jī)組中，已存在大量利用熱泵回收循環(huán)水余熱加熱回水[2-6]，但是由于熱泵壓縮機(jī)的限制，熱泵出水溫度低于60℃，不能滿足遠(yuǎn)距離供熱。利用冷渣器適當(dāng)彌補(bǔ)熱泵出水溫度的不足，其能夠回收800℃～900℃的鍋爐排渣余熱，相當(dāng)于每天回收熱量2×109kJ/kg，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤168.46t[7]。有學(xué)者研究利用冷渣器與低壓加熱器串聯(lián)或并聯(lián)加熱冷凝水，提高機(jī)組的熱效率[8-10]。本文分析了熱泵-鍋爐排渣余熱應(yīng)用于供暖對(duì)機(jī)組效率的影響，比較了抽氣式供熱和熱泵-鍋爐排渣余熱供熱的特點(diǎn)和能耗。

1 熱泵—排渣余熱系統(tǒng)

鍋爐運(yùn)行期間，會(huì)產(chǎn)生大量的循環(huán)冷卻水和高溫爐渣。為了利用這部分余熱，可通過冷渣器和熱泵回收這部分熱能用來供熱。熱泵用于集中供熱，由于常溫?zé)岜脡嚎s機(jī)的限制，雖然供熱回水有一定的溫升，但不能滿足熱用戶的需求[11]。供熱水繼續(xù)在冷渣器中加熱，回收高溫爐渣的余熱。由于排渣量的限制不能將供熱水加熱到所需溫度，因此還需從汽輪機(jī)抽汽加熱供熱水，供熱系統(tǒng)如圖1所示。

2 新型供暖方式的能耗分析

通過上述對(duì)熱泵-冷渣器工作原理的介紹，對(duì)某廠300MW抽汽式供熱鍋爐進(jìn)行余熱改造，供熱機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)如表1所示。余熱雖然不能完全彌補(bǔ)抽汽供熱，但能夠適當(dāng)提高回水的溫度和減少抽汽。其工作原理如圖2所示，該裝置的主要特點(diǎn)是在加熱器前安裝冷渣器，利用鍋爐底渣的高溫加熱回水，從而實(shí)現(xiàn)能源的階梯利用，減少汽輪機(jī)抽汽。同時(shí)，循環(huán)水作為熱泵的冷源，工質(zhì)蒸發(fā)吸收循環(huán)水的余熱使其溫度降低后回到循環(huán)水池中降低循環(huán)水的溫度。循環(huán)水溫度越低，凝汽器的真空越大，汽輪機(jī)的排汽焓就越小，從而提高機(jī)組的效率，降低煤耗，提高機(jī)組發(fā)電效率。此供熱系統(tǒng)與抽汽式供熱相比，其能耗是由熱泵消耗的電能W，循環(huán)水溫度降低汽輪機(jī)增加的發(fā)電量P1和冷渣器為回水提供余熱排擠的蒸汽做功P2組成。

圖2 熱泵—渣器余熱供熱原理

表1 2x300MW供熱機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)[12]

2.1 水源熱泵的能耗W

Q=GwGpΔt

式中COP—熱泵的性能系數(shù)，取為5；Δt—冷凝側(cè)水溫升，取5℃；Gw—供熱回水量，取3 589t/h

2.2 循環(huán)水溫度降低而增加的機(jī)組發(fā)電量P1

式中Pe—汽輪機(jī)機(jī)組的額定發(fā)電量，300MW；η—機(jī)組的熱效率，取35%；Δ η—循環(huán)水溫度降低Δ t時(shí)機(jī)組提高的熱效率。

熱泵換熱器的設(shè)計(jì)端差Δ t0，所需循環(huán)水量m0

式中Cp—循環(huán)水的比熱容。循環(huán)水蓄水池的溫降Δ t′

式中m—凝汽器設(shè)計(jì)循環(huán)水量。研究[12]表明300MW機(jī)組循環(huán)水溫度每降低1℃，機(jī)組熱效率提高0.23%。

水源熱泵機(jī)組換熱器的端差為5℃，凝汽器的循環(huán)水量為m=37300t/h。

2.3 冷渣器回收余熱

某電廠2×300MW供熱機(jī)組使用風(fēng)氧化煤、煤矸石、煤泥等混合煤作為燃料，鍋爐底渣參數(shù)具體如表2。機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，800℃～900℃的底渣排放量為49.2t/h，可知底渣熱損失是鍋爐熱損失中很重要的一部分。由于輸渣皮帶的承受溫度的限制，冷渣器排渣溫度低于100℃～150℃[13]。本項(xiàng)目將鍋爐排渣余熱用來加熱供熱回水，減少汽輪機(jī)抽汽，提高機(jī)組的發(fā)電量。

表2 300MW鍋爐底渣參數(shù)

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，冷渣器供給供熱回水的熱量：

根據(jù)等效焓降法，供熱抽汽減少：

由等效焓降法，整個(gè)機(jī)組做功增加量：

新增蒸汽等效熱降的增量：

裝置效率相對(duì)提高為：

熱耗降低值：

Δ q=Δ ηq0

標(biāo)準(zhǔn)煤耗：

3 常規(guī)抽汽供熱做功損失分析

在抽汽供熱情況下，蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹h-s曲線如圖3所示。在Pn處蒸汽壓力發(fā)生突變，這是由于蒸汽被抽出供熱造成一部分壓降所致的，這部分抽出的蒸汽也使機(jī)組發(fā)電量減少P3；供熱工況下汽輪機(jī)排汽焓要高于原運(yùn)行工況下的排汽焓，這部分排汽也造成了一定的做功損失P4。根據(jù)等效焓降法，采暖抽汽損失的發(fā)電量為：

有采暖抽氣壓損造成的發(fā)電損失為：

式中，hn—采暖抽汽焓；hc—采暖抽汽工況下排汽焓；hc—原工況下排汽焓，2559.8kJ/kg；

Dc—采暖抽汽量；Dn——汽輪機(jī)排汽量

圖3 汽輪機(jī)中蒸汽膨脹焓熵曲線

從表3中可以得知，熱泵利用余熱供暖與抽汽供暖相比，其抽汽量減少了27.27t/h，做功增加3 493.32kW。熱泵-冷渣器聯(lián)合供熱每小時(shí)抽汽量比抽汽供熱減少了41.04t，是熱泵供暖減少抽汽量的1.5倍。在熱泵利用循環(huán)水余熱后，雖然循環(huán)水溫度只降低了0.36℃，但機(jī)組每天能增加功率1 8210.24kWh。假如我國(guó)北方供暖120天，且全天候工作。根據(jù)文獻(xiàn)[14]對(duì)煤粉燃燒污染物排放的研究顯示：每千克標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒會(huì)產(chǎn)生0.44kg的CO2、0.075 kg的SO2、0.0375 kg的NOX、0.26 kg的粉塵。對(duì)于2x300MW的供熱機(jī)組回收鍋爐排渣余熱供暖，每年供暖期可以節(jié)約3 283.2t標(biāo)準(zhǔn)煤，減少1 444.608t的 CO2、246.24t的 SO2、123.12t的 NOX和853.632t的粉塵排放，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。熱泵回收余熱在一個(gè)供暖周期可以節(jié)約2 102.4t標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于機(jī)組回收鍋爐排渣余熱供暖節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤的64%，熱泵回收余熱是熱泵-鍋爐排渣余熱回收的0.4倍。

表3 供熱量相同時(shí)有無余熱利用的能耗比較

4 結(jié)論

（1）汽網(wǎng)供暖的能耗高于水網(wǎng)供暖的能耗，這是因?yàn)槠W(wǎng)供熱是直接抽取較高品質(zhì)的蒸汽，嚴(yán)重?fù)p害蒸汽的做功能力。

（2）相對(duì)于汽網(wǎng)供暖，利用余熱供暖不僅減少了粉塵等污染物的排放，而且還能減少循環(huán)冷卻水在冷卻塔中的損失。

（3）對(duì)于2×300MW的供熱機(jī)組回收鍋爐排渣余熱供暖，每年供暖期可以節(jié)約3 283.2t標(biāo)準(zhǔn)煤，是熱泵余熱供暖節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤的1.6倍。

（4）由于熱泵壓縮機(jī)的限制，傳統(tǒng)的熱泵集中供熱的節(jié)能效果不是十分的明顯。