水輪機(jī)余壓回收帶動回水加壓泵的可行性分析

李海冬

(太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030012)

1 概述

高群淞[1]針對一級管網(wǎng)中近端用戶，提出利用富裕水頭能量采用水輪機(jī)余壓回收輸出機(jī)械能、發(fā)電，具有一定經(jīng)濟(jì)效益。劉向華等人[2]在高低區(qū)直聯(lián)系統(tǒng)的回水管上增設(shè)水輪機(jī)進(jìn)行余壓回收帶動加壓泵工作，以替代減壓閥等減壓裝置。楊奎奎分析了熱網(wǎng)水輪機(jī)余壓回收的原理以及水輪機(jī)與水泵的連接形式[3]14。

本文針對某大高差長輸熱網(wǎng)，提出水輪機(jī)回收供水管網(wǎng)余壓(以替代隔壓熱力站)帶動回水加壓泵方案，與設(shè)置隔壓熱力站方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)性對比。

2 工程概況

某熱電廠一期工程配置2臺額定發(fā)電功率為350 MW的熱電機(jī)組，單臺額定熱功率為415 MW。熱電廠二期規(guī)劃2臺額定發(fā)電功率為660 MW的熱電機(jī)組，單臺額定熱功率為730 MW。熱電廠首站供、回水溫度為130、35 ℃，質(zhì)量流量為20 730 t/h。熱網(wǎng)起點(diǎn)為熱電廠首站，終點(diǎn)為市區(qū)邊界，管網(wǎng)長度約47 km，管網(wǎng)路由見圖1。

圖1 管網(wǎng)路由

選用4根(2供2回)DN 1 400 mm的供熱管道，平均比摩阻為20 kPa/km。管網(wǎng)起點(diǎn)海拔為1 240 m，沿途管網(wǎng)最高點(diǎn)海拔為1 260 m。管網(wǎng)終點(diǎn)為市區(qū)邊界，海拔為920 m，與沿途管網(wǎng)最高點(diǎn)高差為340 m。

考慮到市區(qū)管網(wǎng)的安全運(yùn)行，在管網(wǎng)終點(diǎn)設(shè)置1號隔壓熱力站與市區(qū)管網(wǎng)間接連接。常規(guī)解決方案是在1號隔壓熱力站與熱電廠首站間設(shè)置2號隔壓熱力站，以保證熱電廠首站與2號隔壓熱力站、2號隔壓熱力站與1號隔壓熱力站之間管道壓力均不超過2.5 MPa?？紤]到增設(shè)2號隔壓熱力站，將導(dǎo)致供水溫度下降，筆者提出水輪機(jī)回收供水管網(wǎng)余壓帶動回水加壓泵方案，在保證供水溫度的前提下，確保管網(wǎng)不超壓。熱電廠首站水頭損失按50 m考慮，隔壓熱力站水頭損失按30 m考慮。

3 水輪機(jī)余壓回收工藝

長輸熱網(wǎng)水輪機(jī)回收供水管網(wǎng)余壓帶動回水加壓泵工藝流程見圖2。在通過水輪機(jī)的過程中，水流與蝸殼、轉(zhuǎn)輪等機(jī)構(gòu)產(chǎn)生機(jī)械摩擦，部分壓力勢能轉(zhuǎn)化為水的熱力學(xué)能，但對水溫影響不大，因此在熱網(wǎng)中安裝水輪機(jī)不會對供熱系統(tǒng)正常運(yùn)行造成影響。水輪機(jī)通過驅(qū)動軸、離合器帶動回水加壓泵2，當(dāng)水輪機(jī)輸出功率不足以完全帶動回水加壓泵2時，可增配電動機(jī)作為輔助動力源[3]15。本文設(shè)定水輪機(jī)的效率為0.8、傳動比為1，即水輪機(jī)可為回水加壓泵2提供的揚(yáng)程為水輪機(jī)余壓回收水頭的80%，不足部分由電動機(jī)提供。水泵電動機(jī)功率P的計算式為：

圖2 長輸熱網(wǎng)水輪機(jī)回收供水管網(wǎng)余壓帶動回水加壓泵工藝流程

(1)

式中P——水泵電動機(jī)功率，kW

qm——水泵質(zhì)量流量，t/h

H——不足揚(yáng)程，m

η——水泵的全效率，本文取0.65

4 方案

① 方案1

設(shè)置水輪機(jī)帶動2號回水加壓泵。在距離熱電廠首站36 km，海拔為1 128 m位置設(shè)置水輪機(jī)、2號回水加壓泵。在距離電廠首站43 km，海拔為990 m位置設(shè)置1號回水加壓泵。方案1水壓圖見圖3。圖3中2個環(huán)路的熱網(wǎng)參數(shù)一致，因此僅標(biāo)注了1個環(huán)路的熱網(wǎng)參數(shù)，水壓圖中的數(shù)值的單位為m。圖4、5也采用相同表達(dá)方法，且靜水壓不變。

圖3 方案1水壓圖

由圖3可知，水輪機(jī)節(jié)流水頭為170 m，為2號回水加壓泵提供的揚(yáng)程為136 m，恰好滿足熱網(wǎng)要求。1號回水加壓泵所需揚(yáng)程為128 m，首站循環(huán)泵所需揚(yáng)程為174 m。在1個環(huán)路中，水泵按照4用不備考慮，由此可得1號回水加壓泵、首站循環(huán)泵的質(zhì)量流量、水泵電動機(jī)功率(見表1)。

表1 方案1各水泵的質(zhì)量流量及水泵電動機(jī)功率

② 方案2

設(shè)置水輪機(jī)、電動機(jī)帶動2號回水加壓泵。在距離熱電廠首站36 km，海拔為1 128 m位置設(shè)置水輪機(jī)。在1號隔壓熱力站設(shè)置1號回水加壓泵。方案2水壓圖見圖4。

由圖4可知，水輪機(jī)節(jié)流水頭為170 m，為2號回水加壓泵提供的揚(yáng)程為136 m，而2號回水加壓泵所需揚(yáng)程為206 m，缺口為70 m。1號回水加壓泵所需揚(yáng)程為58 m，首站循環(huán)泵所需揚(yáng)程為174 m。水泵仍按4用不備考慮，由此可得1號回水加壓泵、2號回水加壓泵、首站循環(huán)泵的質(zhì)量流量、水泵電動機(jī)功率(見表2)。

圖4 方案2水壓圖

表2 方案2各水泵的質(zhì)量流量及水泵電動機(jī)功率

③ 方案3

設(shè)置2號隔壓熱力站。在距離電廠首站36 km，海拔1 128 m的位置，設(shè)置2號隔壓熱力站。距離電廠首站41 km，海拔為1 004 m位置設(shè)置1號回水加壓泵。方案3水壓圖見圖5。

首站循環(huán)泵揚(yáng)程為174 m，2號回水加壓泵揚(yáng)程為50 m，2號隔壓熱力站循環(huán)泵揚(yáng)程為72 m，1號回水加壓泵揚(yáng)程為32 m。水泵仍按4用不備考慮，將已知參數(shù)代入式(1)，可計算得到方案3各水泵的質(zhì)量流量、水泵電動機(jī)功率(見表3)。

5 方案對比

① 供熱能力。由方案1～3可知，方案1、2的1號隔壓熱力站低溫側(cè)供、回水溫度為125、30 ℃，方案3為120、25 ℃。當(dāng)熱水質(zhì)量流量一定時，各方案的供熱能力基本一致。

② 耗電量。年平均有效負(fù)荷率取0.74，每日運(yùn)行24 h，供暖期151 d。由計算結(jié)果可知，方案1、2的耗電量相同，方案3的耗電量高出8.6%。

③ 占地面積。水輪機(jī)房比常規(guī)隔壓熱力站少了換熱器、除污器等設(shè)備，占地面積更小。

④ 管網(wǎng)安全。設(shè)置水輪機(jī)的管網(wǎng)閥門及控制節(jié)點(diǎn)比較多，與隔壓熱力站相比，存在更大的安全風(fēng)險。

6 結(jié)論

① 方案1、2的1號隔壓熱力站低溫側(cè)供、回水溫度為125、30 ℃，方案3為120、25 ℃。當(dāng)熱水質(zhì)量流量一定時，各方案的供熱能力基本一致。

② 方案1、2的耗電量相同，方案3的耗電量高出8.6%。

③ 水輪機(jī)房比常規(guī)隔壓熱力站少了換熱器、除污器等設(shè)備，占地面積更小。

④ 設(shè)置水輪機(jī)的管網(wǎng)閥門及控制節(jié)點(diǎn)比較多，與隔壓熱力站相比，存在更大的安全風(fēng)險。