摘要：對(duì)比論證各種循環(huán)水余熱利用方案，在對(duì)機(jī)組本體不做改造的前提下，實(shí)施汽輪機(jī)低真空循環(huán)水余熱利用改造，充分挖掘設(shè)備潛能，提升電廠供熱能力，并制定各種運(yùn)行方式，以滿足不同階段供熱需求，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)低真空循環(huán)水余熱利用，尖峰加熱器，節(jié)能環(huán)保，供熱調(diào)節(jié)

引言

汽輪機(jī)低真空循環(huán)水余熱利用是為了滿足節(jié)能環(huán)保要求而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)。汽輪機(jī)低真空循環(huán)水供熱的原理，簡(jiǎn)言之就是將汽輪機(jī)改為低真空運(yùn)行，利用排汽熱量來(lái)加熱熱網(wǎng)水，把熱用戶的散熱器當(dāng)作冷卻設(shè)備使用。循環(huán)水經(jīng)凝汽器加熱后，由熱網(wǎng)泵將升溫后的熱水注入熱網(wǎng)。為滿足不同時(shí)段供熱需求，在凝汽器出口之后加裝尖峰熱網(wǎng)加熱器，利用機(jī)組抽汽或減溫減壓后的新蒸汽提升熱網(wǎng)水溫度。根據(jù)室外溫度的變化及室內(nèi)溫度的要求，按照設(shè)定曲線確定恰當(dāng)?shù)墓┧疁囟龋瑢?duì)機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，適時(shí)啟動(dòng)尖峰加熱器并調(diào)節(jié)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，控制尖峰加熱器的蒸汽量，實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)供水溫度與室外溫度變化的匹配，避免產(chǎn)生能源浪費(fèi)。

隨著城市規(guī)模的迅猛擴(kuò)張，新華熱電供熱能力不足與供熱需求增加的矛盾日益突出，特別是新華熱電南廠屬“上大壓小”項(xiàng)目替代關(guān)停機(jī)組，2015年供暖期結(jié)束實(shí)施關(guān)停后，新華熱電區(qū)域?qū)⒂薪?00萬(wàn)m2的供熱能力缺口。供熱能力不足的問(wèn)題越發(fā)顯現(xiàn)。然而，北廠2×50MW供熱機(jī)組產(chǎn)生的排汽余熱沒(méi)有得到利用，而是通過(guò)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排放到了環(huán)境中。這部分低品位余熱能量很大，如能將這部分余熱回收用于供熱，現(xiàn)有機(jī)組的供熱能力可提高15%左右。

一、循環(huán)水余熱利用的意義

1.滿足供熱需求

實(shí)施循環(huán)水余熱利用改造，近期可有效解決供熱能力的不足;遠(yuǎn)期可新開(kāi)發(fā)供熱面積，滿足供熱市場(chǎng)快速發(fā)展的需求。

2.提升競(jìng)爭(zhēng)能力

2015年，新華熱電在實(shí)施了石灰石-石膏濕法脫硫及SNCR脫硝環(huán)保升級(jí)改造的基礎(chǔ)上，又實(shí)施了環(huán)保深度改造，污染物排放指標(biāo)達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)。隨著循環(huán)水余熱利用項(xiàng)目的實(shí)施，新華熱電生存能力、盈利能力及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力將進(jìn)一步得到提升。

3.節(jié)能減排要求

實(shí)施循環(huán)水余熱利用改造，可充分利用汽輪機(jī)末級(jí)做功后的排汽熱量，減少冷源損失，提高電廠綜合能源利用率、減少污染物排放量。

二、循環(huán)水余熱供熱技術(shù)現(xiàn)狀

電廠循環(huán)水與目前常用的低溫?zé)嵩聪啾?，具有顯著的優(yōu)勢(shì)：一是蘊(yùn)含的熱量巨大，溫度適中且穩(wěn)定;二是水質(zhì)好，與地表水、城市污水相比，不會(huì)因腐蝕、阻塞等因素影響傳熱效果;三是環(huán)保效果顯著，由于利用余熱，可減少冷卻塔向環(huán)境的散熱和水分蒸發(fā)，降低對(duì)電廠周邊環(huán)境的熱濕污染。

電廠循環(huán)水余熱利用存在的問(wèn)題是循環(huán)水的溫度通常比較低，達(dá)不到直接供熱的品位要求，需設(shè)法適當(dāng)提高溫度，可采用的方法有兩個(gè)：一是降低排汽缸真空，提高乏汽溫度，即通常所說(shuō)的汽輪機(jī)組低真空運(yùn)行;二是以電廠循環(huán)水為低位熱源，采用熱泵技術(shù)吸取其中余熱實(shí)現(xiàn)供熱。

(一)汽輪機(jī)低真空運(yùn)行供熱技術(shù)

凝汽式汽輪機(jī)改造為低真空運(yùn)行供熱后，凝汽器成為供熱系統(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)，可有效利用汽輪機(jī)凝汽所釋放的汽化潛熱。當(dāng)需要更高的供熱溫度時(shí)，則在尖峰加熱器中進(jìn)行二級(jí)加熱。

盡管機(jī)組真空降低后，在相同的進(jìn)汽量條件下與純凝工況相比，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。

1.傳統(tǒng)低真空運(yùn)行供熱方式

通常來(lái)說(shuō)，用戶采用常規(guī)的末端散熱器所要求的水溫較高，汽輪機(jī)在低真空下運(yùn)行，真空需降低到-80kPa左右，將熱網(wǎng)水在凝汽器中加熱到55℃左右。傳統(tǒng)的低真空運(yùn)行供熱技術(shù)受到兩方面的限制：首先，傳統(tǒng)的低真空運(yùn)行機(jī)組類似于背壓式供熱機(jī)組，通過(guò)的蒸汽量取決于用戶熱負(fù)荷的大小，所以發(fā)電功率受到用戶熱負(fù)荷的制約，不能分開(kāi)進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)節(jié)，即其運(yùn)行是“以熱定電”，因此只適用于熱負(fù)荷比較穩(wěn)定的供熱系統(tǒng);其次，凝汽式汽輪機(jī)改造為低真空運(yùn)行供熱時(shí)，需經(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出嚴(yán)格校核和一定改動(dòng)后方可實(shí)行，而這對(duì)現(xiàn)代大型機(jī)組而言則是不允許的，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)葉片出口蒸汽溫度過(guò)高且蒸汽的容積流量過(guò)小，從而會(huì)引起機(jī)組的強(qiáng)烈振動(dòng)，危及運(yùn)行安全。為了解決這些問(wèn)題，一些大機(jī)組采用了低壓轉(zhuǎn)子互換技術(shù)。所謂低壓缸雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換，即：供熱期間使用動(dòng)靜葉片級(jí)數(shù)相對(duì)減少的轉(zhuǎn)子，機(jī)組高背壓運(yùn)行;非供熱期恢復(fù)至原純凝工況運(yùn)行。如果不換轉(zhuǎn)子效率將下降很多，發(fā)電量減少，排汽溫度上升很多，葉片發(fā)生顫振，影響安全。采用此技術(shù)雖然解決了安全供熱問(wèn)題，但每年需例行更換轉(zhuǎn)子兩次，且投資偏大。

2.低真空運(yùn)行低溫供熱方式

保持機(jī)組排汽壓力不超過(guò)設(shè)計(jì)值，以45℃左右的循環(huán)水直接供給熱用戶的地板輻射供暖系統(tǒng)，如果凝汽器排汽熱負(fù)荷大于用戶熱負(fù)荷，多余的熱量通過(guò)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排放到環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)熱電負(fù)荷的獨(dú)立調(diào)節(jié)。當(dāng)然，該系統(tǒng)也可以按“以熱定電”的方式運(yùn)行，即汽輪機(jī)排汽釋放的汽化潛熱全部用于供熱，此時(shí)熱效率無(wú)疑是最高的。這種系統(tǒng)稱為低真空運(yùn)行低溫供熱系統(tǒng)。低真空運(yùn)行低溫供熱方式不會(huì)影響機(jī)組的正常安全運(yùn)行，發(fā)電功率也不受用戶熱負(fù)荷的制約，因此既適合于中小型機(jī)組，也適合于大容量機(jī)組。但此供熱方式存在兩個(gè)缺點(diǎn)：一是供熱溫度低，不適于傳統(tǒng)的散熱末端;二是可利用的溫差有限，一般不超過(guò)10℃，小溫差大流量必然會(huì)增大輸送能耗，制約了其合理的供熱半徑。這兩個(gè)缺點(diǎn)可能會(huì)影響到熱負(fù)荷，如果熱負(fù)荷不太大，考慮隨天氣變化的因素，循環(huán)水的熱量沒(méi)有得到全部利用甚至利用的份額很小，此時(shí)的系統(tǒng)綜合能效和經(jīng)濟(jì)性將會(huì)受到影響。為了解決這些問(wèn)題，一是選擇地板輻射供暖熱用戶，二是在其合理的供熱半徑內(nèi)尋找能與熱源相匹配的熱用戶，保證循環(huán)水的熱量能夠有效得到利用。

(二)熱泵回收余熱技術(shù)

熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的裝置。它可以采用壓縮式，利用電力作為驅(qū)動(dòng)能源;也可以采用吸收式，利用蒸汽、燃?xì)獾茸鳛轵?qū)動(dòng)能源。

電動(dòng)熱泵由電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，使工質(zhì)(如制冷劑R22)循環(huán)運(yùn)動(dòng)反復(fù)發(fā)生物理相變過(guò)程，分別在蒸發(fā)器中汽化吸熱，在冷凝器中液化放熱，使熱量不斷得到溫位提升并傳導(dǎo)利用。在此過(guò)程中，熱泵的壓縮機(jī)需要一定量的高位電能驅(qū)動(dòng)，其蒸發(fā)器吸收的是循環(huán)水?dāng)y帶的低位熱能，但輸出的熱量是可利用的高位熱能，其數(shù)量是新消耗的高位熱能和新吸收的低位熱能的總和。

吸收式熱泵的蒸發(fā)器用于電廠循環(huán)水熱量的吸收，吸收器和冷凝器作為用戶供熱熱水循環(huán)加熱系統(tǒng)，它的驅(qū)動(dòng)力是高位蒸汽熱能和少量電能。

綜上所述，無(wú)論是采用汽輪機(jī)低真空運(yùn)行供熱技術(shù)，還是采用熱泵回收余熱技術(shù)，均能有效利用汽輪機(jī)排汽熱量。但采用傳統(tǒng)低真空運(yùn)行供熱方式，機(jī)組本體及轉(zhuǎn)子均需做改造，且50MW機(jī)組為單轉(zhuǎn)子，投資大、改造工期長(zhǎng)，不能滿足當(dāng)年供熱需求;采用吸收式熱泵技術(shù)，存在新華熱電本身供熱能力不足，蒸汽供給不足的問(wèn)題;采用電動(dòng)熱泵技術(shù)，需修建110/10KV等級(jí)變壓器一臺(tái),但新華熱電110KV母線已無(wú)空余間隔，存在占地面積大，電源無(wú)法滿足的問(wèn)題。綜合考慮以上因素，本次改造采用低真空運(yùn)行低溫供熱方式。

三、低真空運(yùn)行低溫供熱方案

(一)改造方案

本次改造依據(jù)上海汽輪機(jī)廠在余熱利用工況下，對(duì)機(jī)組軸向推力和末級(jí)葉片強(qiáng)度進(jìn)行校核的結(jié)果，制定了機(jī)組本體不做改造，僅對(duì)廠內(nèi)循環(huán)水管道進(jìn)行改造，并配套建設(shè)尖峰換熱站、相應(yīng)供熱管網(wǎng)和換熱站，并選擇適當(dāng)用戶。見(jiàn)圖1


1.循環(huán)水管道改造

將凝汽器水側(cè)入口管與熱網(wǎng)的回水管連接，將其出口管與熱網(wǎng)供水管連接，并設(shè)必要的切換閥門的方案。為了防止凝汽器超壓，在熱網(wǎng)回水管道上安裝了壓力安全閥，保證回水壓力不超過(guò)0.22MPa。為了防止凝汽器及熱網(wǎng)管道結(jié)垢，熱網(wǎng)循環(huán)水采用除鹽水作為補(bǔ)充水。見(jiàn)圖2


50MW汽輪發(fā)電機(jī)組、凝汽器的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1-2。供暖期，采用低真空循環(huán)水供熱運(yùn)行，凝汽器作為熱源使用，利用汽輪機(jī)排汽加熱熱網(wǎng)循環(huán)水。非供暖期，汽輪機(jī)高真空運(yùn)行，循環(huán)水由冷卻塔冷卻。



2.尖峰換熱站

尖峰站按兩臺(tái)機(jī)排汽總熱量的50%進(jìn)行設(shè)計(jì)，安裝了2臺(tái)共37MW尖峰加熱器，3臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)泵。

3.熱網(wǎng)和換熱站

熱網(wǎng)管道主要沿道路和道路一側(cè)敷設(shè)，除穿越道路用隧道穿越外，其余均采用直埋敷設(shè)方式。管路全長(zhǎng)1740米。考慮施工環(huán)境和造價(jià)，供熱管道采用無(wú)補(bǔ)償冷安裝敷設(shè)方式。

換熱站為改造工程，共改造換熱站3座。換熱站的改造方式是將原有換熱器更換為端差較低的換熱器，并且增大換熱面積。

4.熱用戶的選擇原則

在選擇熱用戶時(shí)，考慮設(shè)計(jì)供回水溫度，選擇為地板采暖用戶。

(二)運(yùn)行方式

汽輪機(jī)低真空運(yùn)行，利用凝汽器循環(huán)水供熱，將汽輪發(fā)電機(jī)組真空降低到87.4kPa，排汽溫度為52℃，考慮凝汽器的端差為8℃，則凝汽器的最高出口溫度為44℃;供熱規(guī)范要求熱用戶供水溫度為45℃，用戶換熱站端差取2℃，則需將供水溫度提至47℃。因此，配套建設(shè)尖峰換熱站，尖峰站按兩臺(tái)機(jī)排汽總?cè)萘康?0%進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提升供水溫度并彌補(bǔ)極端天氣供熱能力的不足。

考慮供熱負(fù)荷逐步開(kāi)發(fā)、接帶的實(shí)際情況，制定以下幾種運(yùn)行方式，充分滿足供熱需求。

1.單臺(tái)機(jī)組單側(cè)凝汽器帶循環(huán)水供熱運(yùn)行。當(dāng)熱負(fù)荷不能滿足單臺(tái)機(jī)組帶循環(huán)水供熱運(yùn)行時(shí)，采取單側(cè)凝汽器帶循環(huán)水供熱、另一側(cè)凝汽器循環(huán)水上冷卻塔的運(yùn)行方式，必要時(shí)投入少許尖峰站加熱，以滿足外界負(fù)荷需要。

2.單臺(tái)機(jī)組帶循環(huán)水供熱運(yùn)行。當(dāng)熱負(fù)荷不能滿足雙機(jī)運(yùn)行方式的需求。供暖初期采用單機(jī)運(yùn)行方式，隨著室外溫度逐步降低，當(dāng)單機(jī)余熱不能滿足供熱需求時(shí)，采用單機(jī)加尖峰站運(yùn)行方式。

3.兩臺(tái)機(jī)組帶循環(huán)水供熱運(yùn)行。當(dāng)熱負(fù)荷達(dá)到設(shè)計(jì)的227.5萬(wàn)平米時(shí)，供暖初期采用雙機(jī)運(yùn)行方式，隨著室外溫度逐步降低，當(dāng)雙機(jī)余熱不能滿足供熱需求時(shí)，采用雙機(jī)加尖峰站運(yùn)行方式。

(三)低真空循環(huán)水供熱的經(jīng)濟(jì)性分析

1.節(jié)能降耗分析

根據(jù)上海汽輪機(jī)廠所提供的熱力平衡圖(圖3)，得出機(jī)組真空87.4KPa，汽輪機(jī)排汽溫度52℃，排汽焓值為2571.5kJ/kg,凝結(jié)水焓值為217.7kJ/kg，單臺(tái)機(jī)排汽量為62.864t/h。根據(jù)公式

Q=Gc(hc’—hc)η

其中Q—汽輪機(jī)排汽的熱量(kJ)

Gc—汽輪機(jī)排汽量(kg)

hc’—汽輪機(jī)排汽焓值(kJ/kg)

hc—凝結(jié)水焓值(kJ/kg)

η—凝汽器熱效率(取90%)

計(jì)算得出單臺(tái)汽機(jī)排汽的熱量為133.172GJ,熱負(fù)荷為37MW;則兩臺(tái)機(jī)的總排汽熱量為266.344GJ,熱負(fù)荷為74MW。


供電煤耗計(jì)算：

發(fā)電、供熱總耗汽量=汽機(jī)進(jìn)汽量×(進(jìn)汽焓—給水焓)

機(jī)組供熱百分比=機(jī)組供熱量/機(jī)組發(fā)電、供熱耗熱量

機(jī)組供熱耗標(biāo)煤量=(總耗標(biāo)煤量—直供耗標(biāo)煤量)×機(jī)組供熱百分比

供電耗標(biāo)準(zhǔn)煤量=總耗標(biāo)煤量—供熱總耗標(biāo)煤量

供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗=供電耗標(biāo)煤量/(發(fā)電量—發(fā)電廠用電量)

節(jié)能量計(jì)算：

節(jié)煤量=排汽余熱熱量/29.307

相同工況下，余熱全部利用后，按石家莊市年供暖期2880h計(jì)算，本項(xiàng)目年可利用排汽余熱熱量為76.7萬(wàn)GJ,折合標(biāo)準(zhǔn)煤26178t;可減少粉塵排放量17801t、SO2排放量963t、NOX排放量981t。

2015-2016供暖期，由于相應(yīng)供熱面積不足，采用單臺(tái)機(jī)組單側(cè)凝汽器帶循環(huán)水供熱運(yùn)行，每日供熱量約為2000GJ左右，供暖期供熱量累計(jì)達(dá)174360GJ，折合標(biāo)準(zhǔn)煤7148t，減少粉塵排放4860t、SO2排放263t、NOX排放268t，機(jī)組供電煤耗降低約15g/kWh，節(jié)能與環(huán)保效益明顯。

2.經(jīng)濟(jì)性分析

兩臺(tái)機(jī)組余熱加尖峰站可供采暖面積為277.5萬(wàn)m2(全部為地板采暖用戶，用戶采暖熱指標(biāo)40W/m2)。2015-2016年供暖期，供熱面積70萬(wàn)m2，售熱價(jià)格為42.48元/GJ(為不含稅價(jià))，年收入為740.68萬(wàn)元。2016年后，年供熱面積277.5萬(wàn)m2，為設(shè)計(jì)能力的100%，供暖期外供熱量80.845萬(wàn)GJ,年收入為3434.3萬(wàn)元。

生產(chǎn)期按20年設(shè)計(jì)，平均年收入為3335.83萬(wàn)元，稅后利潤(rùn)為1398.25萬(wàn)元，投資回收期稅后為3.31年。

四、結(jié)論

通過(guò)實(shí)施循環(huán)水余熱利用改造可有效回收排汽熱量，減少汽輪機(jī)冷源損失，達(dá)到節(jié)省煤炭消耗，減少污染物排放，提升電廠供熱能力和盈利水平的目的。