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

關(guān)鍵詞：汽輪機低真空循環(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)展起來的一項節(jié)能技術(shù)。汽輪機低真空循環(huán)水供熱的原理，簡言之就是將汽輪機改為低真空運行，利用排汽熱量來加熱熱網(wǎng)水，把熱用戶的散熱器當作冷卻設備使用。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，按照設定曲線確定恰當?shù)墓┧疁囟?，對機組負荷進行調(diào)整，適時啟動尖峰加熱器并調(diào)節(jié)控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，控制尖峰加熱器的蒸汽量，實現(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。

隨著城市規(guī)模的迅猛擴張，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”項目替代關(guān)停機組，2015年供暖期結(jié)束實施關(guān)停后，新華熱電區(qū)域?qū)⒂薪?00萬m2的供熱能力缺口。供熱能力不足的問題越發(fā)顯現(xiàn)。然而，北廠2×50MW供熱機組產(chǎn)生的排汽余熱沒有得到利用，而是通過循環(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;遠期可新開發(fā)供熱面積，滿足供熱市場快速發(fā)展的需求。

2.提升競爭能力

2015年，新華熱電在實施了石灰石-石膏濕法脫硫及SNCR脫硝環(huán)保升級改造的基礎上，又實施了環(huán)保深度改造，污染物排放指標達到超低排放標準。隨著循環(huán)水余熱利用項目的實施，新華熱電生存能力、盈利能力及市場競爭能力將進一步得到提升。

3.節(jié)能減排要求

實施循環(huán)水余熱利用改造，可充分利用汽輪機末級做功后的排汽熱量，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熱源相比，具有顯著的優(yōu)勢：一是蘊含的熱量巨大，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題是循環(huán)水的溫度通常比較低，達不到直接供熱的品位要求，需設法適當提高溫度，可采用的方法有兩個：一是降低排汽缸真空，提高乏汽溫度，即通常所說的汽輪機組低真空運行;二是以電廠循環(huán)水為低位熱源，采用熱泵技術(shù)吸取其中余熱實現(xiàn)供熱。

(一)汽輪機低真空運行供熱技術(shù)

凝汽式汽輪機改造為低真空運行供熱后，凝汽器成為供熱系統(tǒng)的基本加熱器，原來的循環(huán)冷卻水變成了供暖熱媒，在熱網(wǎng)系統(tǒng)中進行閉式循環(huán)，可有效利用汽輪機凝汽所釋放的汽化潛熱。當需要更高的供熱溫度時，則在尖峰加熱器中進行二級加熱。

盡管機組真空降低后，在相同的進汽量條件下與純凝工況相比，發(fā)電量減少了，并且汽輪機的相對內(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)總的熱效率仍會有很大程度的提高。

1.傳統(tǒng)低真空運行供熱方式

通常來說，用戶采用常規(guī)的末端散熱器所要求的水溫較高，汽輪機在低真空下運行，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)的低真空運行供熱技術(shù)受到兩方面的限制：首先，傳統(tǒng)的低真空運行機組類似于背壓式供熱機組，通過的蒸汽量取決于用戶熱負荷的大小，所以發(fā)電功率受到用戶熱負荷的制約，不能分開進行獨立的調(diào)節(jié)，即其運行是“以熱定電”，因此只適用于熱負荷比較穩(wěn)定的供熱系統(tǒng);其次，凝汽式汽輪機改造為低真空運行供熱時，需經(jīng)過嚴格的變工況運行計算，對排汽缸結(jié)構(gòu)、軸向推力的改變、末級葉輪的改造等方面做出嚴格校核和一定改動后方可實行，而這對現(xiàn)代大型機組而言則是不允許的，尤其對于中間再熱式大型汽輪機組，凝汽壓力過高會使機組的末級葉片出口蒸汽溫度過高且蒸汽的容積流量過小，從而會引起機組的強烈振動，危及運行安全。為了解決這些問題，一些大機組采用了低壓轉(zhuǎn)子互換技術(shù)。所謂低壓缸雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換，即：供熱期間使用動靜葉片級數(shù)相對減少的轉(zhuǎn)子，機組高背壓運行;非供熱期恢復至原純凝工況運行。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題，但每年需例行更換轉(zhuǎn)子兩次，且投資偏大。

2.低真空運行低溫供熱方式

保持機組排汽壓力不超過設計值，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荷大于用戶熱負荷，多余的熱量通過循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排放到環(huán)境中，實現(xiàn)熱電負荷的獨立調(diào)節(jié)。當然，該系統(tǒng)也可以按“以熱定電”的方式運行，即汽輪機排汽釋放的汽化潛熱全部用于供熱，此時熱效率無疑是最高的。這種系統(tǒng)稱為低真空運行低溫供熱系統(tǒng)。低真空運行低溫供熱方式不會影響機組的正常安全運行，發(fā)電功率也不受用戶熱負荷的制約，因此既適合于中小型機組，也適合于大容量機組。但此供熱方式存在兩個缺點：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10℃，小溫差大流量必然會增大輸送能耗，制約了其合理的供熱半徑。這兩個缺點可能會影響到熱負荷，如果熱負荷不太大，考慮隨天氣變化的因素，循環(huán)水的熱量沒有得到全部利用甚至利用的份額很小，此時的系統(tǒng)綜合能效和經(jīng)濟性將會受到影響。為了解決這些問題，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)動能源;也可以采用吸收式，利用蒸汽、燃氣等作為驅(qū)動能源。

電動熱泵由電能驅(qū)動壓縮機，使工質(zhì)(如制冷劑R22)循環(huán)運動反復發(fā)生物理相變過程，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利用。在此過程中，熱泵的壓縮機需要一定量的高位電能驅(qū)動，其蒸發(fā)器吸收的是循環(huán)水攜帶的低位熱能，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)動力是高位蒸汽熱能和少量電能。

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

三、低真空運行低溫供熱方案

(一)改造方案

本次改造依據(jù)上海汽輪機廠在余熱利用工況下，對機組軸向推力和末級葉片強度進行校核的結(jié)果，制定了機組本體不做改造，僅對廠內(nèi)循環(huán)水管道進行改造，并配套建設尖峰換熱站、相應供熱管網(wǎng)和換熱站，并選擇適當用戶。見圖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充水。見圖2


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



2.尖峰換熱站

尖峰站按兩臺機排汽總熱量的50%進行設計，安裝了2臺共37MW尖峰加熱器，3臺熱網(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，除穿越道路用隧道穿越外，其余均采用直埋敷設方式。管路全長1740米。考慮施工環(huán)境和造價，供熱管道采用無補償冷安裝敷設方式。

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，考慮設計供回水溫度，選擇為地板采暖用戶。

(二)運行方式

汽輪機低真空運行，利用凝汽器循環(huán)水供熱，將汽輪發(fā)電機組真空降低到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，配套建設尖峰換熱站，尖峰站按兩臺機排汽總?cè)萘康?0%進行設計，以提升供水溫度并彌補極端天氣供熱能力的不足。

考慮供熱負荷逐步開發(fā)、接帶的實際情況，制定以下幾種運行方式，充分滿足供熱需求。

1.單臺機組單側(cè)凝汽器帶循環(huán)水供熱運行。當熱負荷不能滿足單臺機組帶循環(huán)水供熱運行時，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)水上冷卻塔的運行方式，必要時投入少許尖峰站加熱，以滿足外界負荷需要。

2.單臺機組帶循環(huán)水供熱運行。當熱負荷不能滿足雙機運行方式的需求。供暖初期采用單機運行方式，隨著室外溫度逐步降低，當單機余熱不能滿足供熱需求時，采用單機加尖峰站運行方式。

3.兩臺機組帶循環(huán)水供熱運行。當熱負荷達到設計的227.5萬平米時，供暖初期采用雙機運行方式，隨著室外溫度逐步降低，當雙機余熱不能滿足供熱需求時，采用雙機加尖峰站運行方式。

(三)低真空循環(huán)水供熱的經(jīng)濟性分析

1.節(jié)能降耗分析

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

Q=Gc(hc’—hc)η

其中Q—汽輪機排汽的熱量(kJ)

Gc—汽輪機排汽量(kg)

hc’—汽輪機排汽焓值(kJ/kg)

hc—凝結(jié)水焓值(kJ/kg)

η—凝汽器熱效率(取90%)

計算得出單臺汽機排汽的熱量為133.172GJ,熱負荷為37MW;則兩臺機的總排汽熱量為266.344GJ,熱負荷為74MW。


供電煤耗計算：

發(fā)電、供熱總耗汽量=汽機進汽量×(進汽焓—給水焓)

機組供熱百分比=機組供熱量/機組發(fā)電、供熱耗熱量

機組供熱耗標煤量=(總耗標煤量—直供耗標煤量)×機組供熱百分比

供電耗標準煤量=總耗標煤量—供熱總耗標煤量

供電標準煤耗=供電耗標煤量/(發(fā)電量—發(fā)電廠用電量)

節(jié)能量計算：

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計算，本項目年可利用排汽余熱熱量為76.7萬GJ,折合標準煤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，由于相應供熱面積不足，采用單臺機組單側(cè)凝汽器帶循環(huán)水供熱運行，每日供熱量約為2000GJ左右，供暖期供熱量累計達174360GJ，折合標準煤7148t，減少粉塵排放4860t、SO2排放263t、NOX排放268t，機組供電煤耗降低約15g/kWh，節(jié)能與環(huán)保效益明顯。

2.經(jīng)濟性分析

兩臺機組余熱加尖峰站可供采暖面積為277.5萬m2(全部為地板采暖用戶，用戶采暖熱指標40W/m2)。2015-2016年供暖期，供熱面積70萬m2，售熱價格為42.48元/GJ(為不含稅價)，年收入為740.68萬元。2016年后，年供熱面積277.5萬m2，為設計能力的100%，供暖期外供熱量80.845萬GJ,年收入為3434.3萬元。

生產(chǎn)期按20年設計，平均年收入為3335.83萬元，稅后利潤為1398.25萬元，投資回收期稅后為3.31年。

四、結(jié)論

通過實施循環(huán)水余熱利用改造可有效回收排汽熱量，減少汽輪機冷源損失，達到節(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。