背壓式機組熱電廠節(jié)能型耦合供水系統(tǒng)設計探討

蔡興初， 朱一鳴， 郭悅

（中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司， 南京 211102）

碳達峰、 碳中和背景下， 以發(fā)電為主的傳統(tǒng)火電廠建設將放緩， 但為滿足化工、 紡織、 印染、 食品等產(chǎn)業(yè)用熱需求， 以天然氣、 潔凈煤為燃料的背壓式機組熱電聯(lián)產(chǎn)電廠（以下稱背壓式熱電廠）還將有進一步的發(fā)展。 背壓式熱電廠沒有汽輪機（主機）循環(huán)冷卻水系統(tǒng)， 設有輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)［1］，其輔機開式循環(huán)冷卻水量相對較小， 與化學生水需求量相近， 但兩者對水溫、 水質(zhì)有不同要求［2］。 如果輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補充水和化學生水的水質(zhì)相同， 兩者存在互相利用的條件。 本文以某工程為例， 探討將輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)與化學生水供水系統(tǒng)耦合設計， 通過梯級利用冷熱水和合理利用工業(yè)水來水的余壓， 設計兼具直流及循環(huán)供水功能的耦合供水系統(tǒng)， 并分析其節(jié)能效益。

1 背壓式熱電廠供水系統(tǒng)

基于不同的水量和水質(zhì)的需求， 背壓式熱電廠輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和化學生水供水系統(tǒng)通常是2 套獨立系統(tǒng)。

1.1 輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)用于冷卻全廠輔機或輔機閉式冷卻水， 通過循環(huán)水泵將開式冷卻水（以下稱開式水）升壓后送到全廠各輔機或主廠房水-水換熱器進行換熱， 升溫后的開式水經(jīng)過管道回至機力通風冷卻塔（以下稱機力塔）冷卻降溫， 然后經(jīng)循環(huán)水泵繼續(xù)循環(huán)使用［3］。 輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設施包括： 輔機循環(huán)水泵房、 循環(huán)水泵、 機力塔、 控制閥門及輔機循環(huán)冷卻水管道等。 輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)對補充水的水質(zhì)要求相對不高， 按DL／T 5339—2018《火力發(fā)電廠水工設計規(guī)范》要求， 其懸浮物質(zhì)量濃度不超過50 mg／L 即可［2］。

1.2 化學生水供水系統(tǒng)

化學生水供水系統(tǒng)屬于化學制水系統(tǒng)的一部分， 負責將經(jīng)過凈化處理后的工業(yè)水（或市政工業(yè)水）存儲， 并通過化學生水泵輸送至化學制水系統(tǒng)的除鹽水處理裝置。 化學生水對水溫、 水質(zhì)都有一定的要求。 水溫對反滲透除鹽裝置的產(chǎn)水量、 產(chǎn)水水質(zhì)、 設備壽命等均有影響。 水溫每升高1 ℃， 在系統(tǒng)條件不變的情況下， 其產(chǎn)水通量大致增大3%［4］；水溫降低時， 則需要通過提高運行壓力來提高產(chǎn)水量［4］。 因此， 反滲透除鹽工藝一般考慮生水加熱措施［5］， 但考慮到膜材料的溫度承受能力及壽命， 最高設計水溫不宜超過30 ℃， 最佳的設計水溫約為25 ℃。 水質(zhì)上一般要求化學生水的懸浮物質(zhì)量濃度不大于3 mg／L［6］。

2 耦合供水系統(tǒng)

大型背壓式熱電廠的供水系統(tǒng)具有以下特點：①熱電廠基本建設在工業(yè)園區(qū)， 工業(yè)園區(qū)通常給包括熱電廠在內(nèi)的園區(qū)工業(yè)用戶統(tǒng)一供給凈化后的工業(yè)水， 熱電廠輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和化學生水供水系統(tǒng)的補充水水質(zhì)一致。 ②熱電廠沒有汽輪機（主機）循環(huán)冷卻水系統(tǒng)， 其輔機開式循環(huán)冷卻水量相對較小， 而熱電廠的供熱量大， 其化學生水需求量較大， 因此輔機開式循環(huán)冷卻水量和化學生水量較為接近。 ③輔機開式循環(huán)冷卻水需要低溫水［7］，而化學生水的水溫不宜過低， 兩者存在互用的可能性。 ④園區(qū)工業(yè)水來水可能有可觀的余壓可供利用。

基于以上特點， 可以將輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和化學生水供水系統(tǒng)耦合為1 套供水系統(tǒng)， 通過閥門啟閉切換實現(xiàn)以下功能： ①在園區(qū)工業(yè)水水溫較低的時候， 工業(yè)水梯級利用到輔機冷卻和化學生水。 與化學生水量同流量的園區(qū)工業(yè)水先供熱電廠輔機冷卻使用， 經(jīng)換熱升溫后的回水供化學生水。該工況下， 輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用直流供水， 直接利用了工業(yè)水的冷能， 同時機力塔停用，循環(huán)水泵運行參數(shù)降低， 節(jié)約大量電耗。 而化學生水則利用了輔機開式循環(huán)冷卻水回水的熱能， 可減少大量升溫所需的蒸汽等能源耗量。 ②在工業(yè)水水溫較高時（如夏季）， 輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和化學生水供水系統(tǒng)獨立運行。 輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用帶冷卻塔的循環(huán)供水方式， 化學生水則由園區(qū)工業(yè)水直供。 ③在達產(chǎn)過渡期， 化學生水需水量可能遠小于輔機開式循環(huán)冷卻水量， 兩者匹配較困難， 輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用帶冷卻塔的循環(huán)供水方式， 夏季時的化學生水由工業(yè)水直供， 冷季時則由輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)以旁流的方式供應部分換熱后的開式水回水作為化學生水（此時輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補水量中包含了化學生水量）。 ④園區(qū)工業(yè)水來水有一定的余壓， 可以通過抬高蓄水構(gòu)筑物內(nèi)設計水位， 將工業(yè)水余壓轉(zhuǎn)換為勢能蓄能， 從而利用工業(yè)水余壓。 通過以上系統(tǒng)的耦合， 可以梯級使用冷熱水， 同時合理利用工業(yè)水來水的余壓， 節(jié)能效果可觀。

3 工程案例

3.1 工程概況

某工程位于江蘇省某大型石化產(chǎn)業(yè)基地， 為滿足產(chǎn)業(yè)基地供熱需求， 擬建設9 × 800 t／h 循環(huán)流化床鍋爐， 配置9 × 35 MW 級背壓式汽輪發(fā)電機組。 全廠無汽輪機（主機）循環(huán)冷卻水系統(tǒng)， 設輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)用于冷卻全廠輔機閉式冷卻水。 機組設計年運行8 000 h， 額定工況的供汽量為4 200 t／h， 采用超濾-反滲透膜法制除鹽水。

3.2 設計條件

3.1.1 氣象條件

廠址所在地累年平均氣溫為14.5 ℃， 夏季頻率10%日平均濕球溫度為26.8 ℃。

3.1.2 水源

電廠水源為產(chǎn)業(yè)基地統(tǒng)一提供的凈化后工業(yè)水（以下稱工業(yè)水）， 項目業(yè)主與供水方簽訂的協(xié)議約定廠界水壓不小于0.20 MPa（±0.00 m 處， 下同），各月的平均水溫見表1。

表1 工業(yè)水各月水溫資料Tab. 1 Temperature data of industrial water in different months

3.1.3 設計水量

（1） 輔機開式循環(huán)冷卻水量。 設計全廠輔機開式循環(huán)冷卻水量為7 500 m3／h， 設計進出熱交換器的水溫差為5 ℃， 其中設計出水水溫不超過38 ℃。全年平均氣象條件下， 開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補充水量為65 m3／h（按濃縮倍率為3 倍計）， 用于補充冷卻塔的蒸發(fā)、 風吹和排污水量損失［8］。

（2） 化學生水需水量。 全廠額定工況設計供汽量為4 200 t／h， 采用超濾-反滲透膜法制除鹽水。考慮超濾的反沖洗用水和反滲透裝置的回收率［6］，化學生水需水量約為5 600 m3／h。

3.3 獨立型供水系統(tǒng)

采用獨立型供水系統(tǒng)時， 輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)配4 臺循環(huán)水泵、 3 臺機力塔， 供回水母管管徑為DN 1 200 mm， 設進水前池和半地下式循環(huán)水泵房。 化學生水供水系統(tǒng)配置2 座5 000 m3化學水池， 鋼混結(jié)構(gòu)， 池高4 m， 半地下布置； 配置6 臺生水泵， 設1 座半地下式生水泵房。 機力塔、 循環(huán)水泵房、 化學水池、 生水泵房等均布置在水務區(qū)。獨立型輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和高程示意見圖1、圖2， 獨立型化學生水供水系統(tǒng)和高程示意見圖3、圖4， 主要設備參數(shù)見表2。

圖1 獨立型輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)Fig. 1 Open circulating cooling water system of independent auxiliary engine

圖2 獨立型輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)高程Fig. 2 Elevation of open circulating cooling water system of independent auxiliary engine

圖3 獨立型化學生水供水系統(tǒng)Fig. 3 Independent chemical water supply system

圖4 獨立型化學生水供水系統(tǒng)高程Fig. 4 Elevation of independent chemical water supply system

表2 獨立型供水系統(tǒng)主要設備及參數(shù)Tab. 2 Main equipments and parameters of independed water supply system

3.4 耦合型供水系統(tǒng)

通過將輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)回水管道與化學生水儲水設施補水管（廠外工業(yè)水來水管）連通， 增設大口徑機力塔水池補給水管， 構(gòu)成1 套耦合供水系統(tǒng)。 耦合型供水系統(tǒng)和高程示意分別見圖5、 圖6。

圖5 耦合型供水系統(tǒng)Fig. 5 Coupled mode water supply system

圖6 耦合型供水系統(tǒng)高程Fig. 6 Elevation of coupled mode water supply system

3.4.1 工業(yè)水余壓利用措施

通過抬高蓄水構(gòu)筑物內(nèi)設計水位， 可以將工業(yè)水余壓轉(zhuǎn)換為勢能蓄能， 從而利用工業(yè)水余壓。 結(jié)合供水系統(tǒng)高程（圖6）分析， 抬高蓄水構(gòu)筑物（機力塔水池、 化學水箱）水位不影響循環(huán)水泵幾何揚程， 但化學水箱的水位決定著生水泵的幾何揚程：水箱水位越高， 生水泵幾何揚程越小。 本工程考慮一定的富裕水頭， 擬利用工業(yè)水余壓0.15 MPa， 確定化學水箱、 機力塔水池的設計水位為15 m。 考慮可能會出現(xiàn)的工業(yè)水來水水壓不足工況， 在工業(yè)水進入廠區(qū)的供水總管上設置旁路， 安裝2 臺提升水泵作為備用措施。

3.4.2 系統(tǒng)連通切換措施

在輔機開式循環(huán)冷卻水回水管上增設支管（AB段， 見圖5， 下同）與化學水箱的工業(yè)水進水管連通， 新增相應的控制閥門Va。 增設1 條管徑為DN 1 000 mm 的機力塔水池補水管， 化學水箱設溢流管至機力塔水池。 通過該措施實現(xiàn)供水系統(tǒng)的連通和切換。

3.4.3 系統(tǒng)運行方式

（1） 達產(chǎn)期運行方式。 鑒于超濾-反滲透裝置入口的水溫不宜超過30 ℃， 結(jié)合表1 的各月工業(yè)水水溫， 在1 ～5 月份和10 ～12 月份， 輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和化學生水供水系統(tǒng)耦合為1 套供水系統(tǒng)運行。 此時， 關閉閥門Vb 和機力塔的進水閥門， 同時其他閥門全開， 與化學生水需求量等量的工業(yè)水（5 600 m3／h）進入機力塔水池， 經(jīng)過循環(huán)水泵升壓供熱電廠換熱器冷卻， 換熱（折算升溫6.7 ℃）后通過回水支管（AB 段）至化學水箱供化學生水用。 該工況， 機力塔不運行， 2 臺循環(huán)水泵變頻運行。

工業(yè)水水溫較高時（6 ～9 月份）， 開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和化學生水供水系統(tǒng)獨立運行， 此時關閉閥門Va 和Vc， 其他閥門全開。 開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用帶冷卻塔的循環(huán)冷卻供水方式， 循環(huán)冷卻水量為7 500 m3／h。 化學生水（5 600 m3／h）則由工業(yè)水直供。 該工況3 臺機力塔全部投運， 3 臺循環(huán)水泵工頻運行。

（2） 達產(chǎn)過渡期運行方式。 本項目作為石化產(chǎn)業(yè)基地的基礎設施， 先于熱用戶工程建成。 受外界需求影響， 項目初始對外供熱量將達不到設計值。此時化學生水需水量可能遠小于開式循環(huán)冷卻水量， 兩者匹配較困難。 該階段， 夏季（6 ～9 月份）的運行方式同達產(chǎn)期夏季運行方式。 其他月份運行方式如下： 關閉閥門Vb， 切斷園區(qū)工業(yè)水直接進入化學水箱； 同時其他閥門全開。 輔機開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用帶冷卻塔的循環(huán)供水方式， 部分經(jīng)換熱后的循環(huán)冷卻水通過回水支管（AB 段）以旁流的方式至化學水箱供化學生水用。 在運行時， 需要通過調(diào)整化學水箱的進水閥門開度來控制其進水量。此時進入機力塔水池的補給水量（工業(yè)水量）是機力塔的蒸發(fā)、 風吹損失水量、 化學生水量之和。

（3） 備用提升水泵運行。 當廠外工業(yè)水來水水壓不足0.15 MPa 時， 備用的提升水泵通過設置在管道上的壓力開關自動啟動， 按泵出口壓力0.15 MPa 恒壓變頻運行； 當廠外工業(yè)水來水水壓大于0.15 MPa 時， 提升水泵自動停泵。

3.4.4 主要構(gòu)筑物

機力塔水池兼具調(diào)蓄廠外工業(yè)來水量的功能，需要一定的容積， 在平面尺寸（L × B ＝48 m × 19 m）確定的情況下， 適當加大其有效水深至4 m， 池底高程為11 m， 有效容積約為3 600 m3。 循環(huán)水泵和提升水泵均布置在冷卻塔水池下部空間， 并設圍護結(jié)構(gòu)。 該布置方案在減少占地的同時， 省去了通常設計中的循環(huán)水泵房前池及相應輔助設備。

化學水箱采用鋼制水箱， 有效容積為5 000 m3。 運行中可能出現(xiàn)化學生水需水量短時波動， 將和開式水供水量不匹配， 過量的開式水需要從化學水箱溢流回至冷卻塔水池。 考慮溢流水頭差需要，設定溢流水位為18 m， 確定水箱實際高度為19 m，水箱直徑為21 m。

3.4.5 主要設備參數(shù)

系統(tǒng)設備的配置兼顧耦合運行和獨立運行工況， 主要設備參數(shù)見表3。

表3 耦合型供水系統(tǒng)主要設備及參數(shù)Tab. 3 Main equipments and parameters of coupled mode water supply system

3.5 節(jié)能效益分析

與獨立型供水系統(tǒng)相比， 耦合型供水系統(tǒng)通過冷熱水的梯級使用及利用工業(yè)水來水的余壓， 產(chǎn)生較大的節(jié)能收益， 以達產(chǎn)期為計算工況， 節(jié)能效益分析如下。

3.5.1 蓄能（工業(yè)水余壓利用）

據(jù)前文所述， 工業(yè)水余壓利用主要降低的是生水泵的幾何揚程。 化學生水量約為5 600 m3／h，設計利用工業(yè)水余壓為0.15 MPa（15 mH2O）。 水泵配套電機功率按公式（1）計算。

式中： N 為水泵配套電機功率， kW； γ 為水的密度， kg／m3； Q 為水量， 取1.56 m3／s（5 600 m3／h）； ΔH 為節(jié)省的水泵揚程， mH2O； η1、 η2分別為水泵和電機的效率， 分別取0.85 和0.93。

計算得知， 生水泵配套電機降低功率約290 kW， 全年（12 個月）節(jié)約電耗約232 萬kW·h， 按上網(wǎng)電價0.475 元／（kW·h）計， 年節(jié)約電費110 萬元。

3.5.2 節(jié)電

（1） 機力塔在直流供水工況不運行。 機力塔按運行2 臺， 全年（8 個月）運行5 333 h 計， 全年節(jié)約風機電耗約141 萬kW·h（按風機銘牌功率）。

（2） 開式水在直流工況不上機力塔， 循環(huán)水泵揚程降低10 m， 按公式（1）計算循環(huán)水泵電機降低功率為191 kW， 直流工況（8 個月）節(jié)約電耗約103萬kW·h。

全年共節(jié)約開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中機力塔風機和循環(huán)水泵電機電耗約244 萬kW·h， 按上網(wǎng)電價0.475 元／（kW·h）計， 年節(jié)約電費116 萬元。

3.5.3 節(jié)汽

輔機循環(huán)冷卻水回水溫升Δt ＝6.7 ℃（折算后）后供化學生水， 可降低化學生水加熱耗汽量68 t／h（加熱用蒸汽參數(shù)： P ＝0.6 MPa， t ＝180 ℃）， 全年（8 個月）節(jié)省蒸汽量約363 萬t， 折合標煤37.4 萬t，按標煤價800 元／t 計， 年節(jié)約燃料費2 992 萬元。

3.5.4 節(jié)水

直流供水工況， 開式水不上機力塔， 無機力塔蒸發(fā)、 風吹和排污水量損失。 按直流工況（8 個月）平均干球溫度9 ℃為計算工況， 節(jié)水量約為60 m3／h， 全年共節(jié)水約32 萬m3， 按工業(yè)水價2 元／m3計， 年節(jié)約水費約64 萬元。

4 結(jié)語

供熱量較大的大型背壓式熱電廠輔機開式冷卻水量與其化學生水需水量相差較小， 兩者對水溫有不同要求。 將輔機開式循環(huán)冷卻水供水系統(tǒng)與化學生水供水系統(tǒng)耦合設計， 通過梯級使用冷熱水， 同時合理利用工業(yè)水來水的余壓， 設計兼具直流及循環(huán)供水功能的輔機開式冷卻水供水系統(tǒng)， 可產(chǎn)生較大節(jié)能效益。