李文
【摘 要】 本文對基于溴化鋰熱泵技術(shù)回收熱電廠循環(huán)水余熱的技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計研究,解決了熱電廠在冬季循環(huán)水泵低速運行,循環(huán)水流量大幅度減小影響熱泵COP的問題,使熱泵回收余熱量仍然達(dá)到相當(dāng)于循環(huán)水泵高速運行時循環(huán)水量中的余熱量,增加了投資效益。同時解決循環(huán)水中熱量被回收后的冷卻水塔凍冰問題。
【關(guān)鍵詞】 熱電廠 循環(huán)水 余熱回收 優(yōu)化設(shè)計
0 引言
熱電廠循環(huán)水余熱回收技術(shù)正在東北、華北、西北地區(qū)大力推行,取得顯著節(jié)能減排效益。在不增加燃煤量的情況下,通過溴化鋰熱泵技術(shù)提取電廠循環(huán)水中的低溫?zé)崮埽尤氲匠鞘袩峋W(wǎng)中,增加城市供熱面積。
但是,有的熱電廠冬季循環(huán)水泵處于低轉(zhuǎn)速運行工況,循環(huán)水量較小,進(jìn)入熱泵的熱源水就少,直接影響熱泵的COP及回收余熱量的能力。為充分挖掘節(jié)能降耗的潛能,最大限度的回收電廠機組排汽余熱量,提高熱泵投資收益,采用什么樣的循環(huán)水系統(tǒng)改造方案,既保證機組安全,又能保證余熱回收設(shè)備COP達(dá)到最佳態(tài),從中能夠最大限度的回收循環(huán)水余熱量開展了優(yōu)化設(shè)計研究。
1 問題的提出
河北某2×300MW熱電廠實施循環(huán)水余熱回收利用改造工程,該廠歷史悠久,機組較多,兩臺300MW機組分別被排號為#10、#11機。循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計一機對應(yīng)一塔的單元制系統(tǒng),每臺機凝汽器出口至冷卻塔的循環(huán)水管道在水塔前分成三路上塔。每臺機組循環(huán)水系統(tǒng)均配有兩臺循環(huán)水泵,具有高低速兩個運行工況。夏季,兩個循環(huán)水泵高速同時運行,單泵運行時流量為17640 t/h。冬季,每臺機組保持一臺循環(huán)水泵低速運行,循環(huán)水量約為14000t/h,凝汽器循環(huán)水進(jìn)出口溫度一般在24/35℃上下。
該廠循環(huán)水余熱回收工程確定在#11機進(jìn)行。熱泵熱源水余熱回收系統(tǒng)常規(guī)設(shè)計方案是按照電廠冬季正常運行時的循環(huán)水流量14000t/h來設(shè)計,相應(yīng)的熱泵熱源水管道直徑也是按照14000t/h來設(shè)計。存在許多弊病,一是循環(huán)水量偏小,熱泵回收余熱量少,效率(COP)明顯降低,延長投資回收期;二是循環(huán)水中的余熱被提取后,水塔結(jié)凍不可避免。為了獲取最佳投資收益,又能實現(xiàn)水塔防凍,本人對該工程循環(huán)水余熱回收利用改造方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計研究。
2 水塔防凍方案優(yōu)化設(shè)計研究
常規(guī)設(shè)計#11機組循環(huán)水通過熱泵,其中熱量被熱泵提取,溫度降低,然后被送回到原來#11機冷卻水塔繼續(xù)冷卻降溫,水塔容易發(fā)生結(jié)冰凍壞的情況。
為解決冷卻水塔防凍問題,制定了兩塔合一方案(請詳見附圖)。在熱泵循環(huán)水進(jìn)口前設(shè)計兩臺升壓泵,增加熱泵出口循環(huán)水去#10機水塔的管道及閥門。#11機循環(huán)水上水水塔的三路閥門被關(guān)閉,#11機水塔停運。#11機循環(huán)水在熱泵與凝汽器形成一個閉式循環(huán)回路,調(diào)節(jié)凝汽器入口水溫的循環(huán)水送往#10機冷卻塔,增加了#10機冷卻塔上水量,可實現(xiàn)兩塔合一的防凍效果。
2.1 運行流程
熱泵正常運行時,閥門111、112、113關(guān)閉,循環(huán)水不送上#11機冷卻水塔。循環(huán)水通過電廠循環(huán)水泵P11打入凝汽器入口A,然后通過升壓泵形成A→B→C→D→E→A閉式循環(huán)水路徑。
在熱泵循環(huán)水出口母管接一管路D-F,安裝一個調(diào)節(jié)閥2,當(dāng)循環(huán)水溫度過高將#11機循環(huán)水部分送往#10機冷卻塔冷卻,冷卻后的循環(huán)水通過循環(huán)水泵P11(或P10)打回到凝汽器。
為防止#10機循環(huán)水系統(tǒng)出現(xiàn)故障,也可將熱泵循環(huán)水送入本機冷卻水塔運行,增加了靈活性。增加了凝汽器循環(huán)水出口管道截斷閥4和熱泵出口循環(huán)水送往#11機冷卻水塔的閥門3及管路。這樣循環(huán)水即可兩塔合一,也可分塔獨立運行”系統(tǒng)。
該方案的益處是升壓泵、熱泵、凝汽器形成閉式循環(huán)系統(tǒng),閉式循環(huán)系統(tǒng)的流量不受電廠循環(huán)水泵流量的限制,電廠循環(huán)水泵P11只起到頂壓和補水作用,不但節(jié)約電廠循環(huán)水泵P11耗電量,而且能夠增大熱泵的熱源水流量,使回收余熱量最大化。
2.2 循環(huán)水溫度調(diào)節(jié)方法
調(diào)節(jié)閥1進(jìn)行凝汽器出口溫度主要調(diào)節(jié)閥,調(diào)節(jié)閥2作為輔助調(diào)節(jié)閥。當(dāng)凝汽器出口溫度高于(低于)給定值34℃,開大(關(guān)?。┱{(diào)節(jié)閥1,增大(減少)循環(huán)水流量,此時電廠循環(huán)水泵P11只起到補水作用,以保持循環(huán)水正常壓力。當(dāng)調(diào)節(jié)閥1已經(jīng)全開,凝汽器出口溫度仍高于給定值34℃,輔助調(diào)節(jié)閥2將開啟,一部分循環(huán)水被輸送到#10機冷卻水塔淋水層降溫。否則,調(diào)節(jié)閥2關(guān)閉。
在初、末寒期,機組供熱抽汽量較小,汽輪機排汽量相對較大,循環(huán)水在凝汽器中的溫升幅度大于在熱泵降溫幅度,因此需要開啟調(diào)節(jié)閥2,將部分循環(huán)水送到冷卻塔降溫后,再通過電廠循環(huán)水泵補充水作用返回凝汽器入口管道混合,降低凝汽器入口溫度。在嚴(yán)寒期,機組供熱抽汽量較大,汽輪機排汽量相對較小,循環(huán)水在熱泵降溫幅度和在凝汽器中的溫升幅度基本相當(dāng),此階段基本不需要開啟調(diào)節(jié)閥2。
2.3 安全保護(hù)措施
當(dāng)出現(xiàn)兩臺升壓泵同時跳閘事故時,自動聯(lián)鎖開啟冷卻水塔閥門111、112、113即可。如果#11機循環(huán)水泵P11在停運狀態(tài)時,同時自動聯(lián)動循環(huán)水泵P11,或自動提升#10機循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速到高速運行。
3 熱泵最大余熱量回收優(yōu)化設(shè)計研究
根據(jù)電廠循環(huán)水泵高低速兩種運行工況的不同流量,熱泵熱源水系統(tǒng)設(shè)計兩個升壓泵選型方案。
3.1方案一
熱泵熱源水系統(tǒng)升壓泵參數(shù)按照常規(guī)方法選配,與電廠一臺循環(huán)水水泵低速運行時的流量14000t/h匹配設(shè)計,選擇兩臺循環(huán)水泵,每臺流量7200t/h,揚程15米,電機功率440KW。
3.2方案二
熱泵熱源水系統(tǒng)升壓泵參數(shù)按照熱泵最佳COP所需循環(huán)水系統(tǒng)流量18000t/h設(shè)計,升壓泵選型為兩臺循環(huán)水泵,每臺流量9200t/h,揚程15米,電機功率560KW。endprint
3.3 系統(tǒng)耗電費用測算分析比較
基礎(chǔ)數(shù)據(jù):(1)電廠循環(huán)泵高速424rpm對應(yīng)電機1500KW功率,計算出低速374rpm時對應(yīng)的功率是1030KW。(2)初寒末寒期,熱網(wǎng)按照11000t/h流量,供回水溫度48/70℃,需熱泵驅(qū)動蒸汽和熱網(wǎng)加熱器蒸汽共286.2t/h,減去廠用輔助蒸汽約25t/h,實際汽輪機排汽量約300t/h,余熱量為201MW。(3)寒初寒末期和嚴(yán)寒期分別按照70天/50天計算節(jié)約電量,上網(wǎng)電價0.386元。(4)供熱價格24.6元/GJ,供暖期為4個月(2880小時)。(5)上網(wǎng)電價是0.386元/kWh。
3.3.1 方案一和方案二兩臺不同流量升壓泵耗電費用比較
方案一:兩臺熱泵440KW升壓泵年耗電費用:880×2880×0.386=978278.4元。
方案二:兩臺熱泵560KW升壓泵年耗電費用:1120×2880×0.386=1245081.6元。
表面上看,方案二比方案一多耗電價格266803.2元。但是,將電廠循環(huán)水泵(低速)和升壓泵作為一個整體耗電系統(tǒng)進(jìn)行全過程分析,卻是不同的結(jié)果。
3.3.2 兩個方案的電廠循環(huán)水泵和升壓泵整體耗電量計算分析
(1)方案一,電廠一臺低速循環(huán)水泵運行,熱泵熱源水選用兩臺流量7200t/h升壓泵運行時,電廠循環(huán)水泵用電分析。
在初寒末寒期階段,依據(jù)上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)2可知,汽輪機排汽余熱量為201MW,可使14000t/h循環(huán)水溫升達(dá)12.4℃,按照熱泵最佳COP熱源水進(jìn)口溫度34℃的要求,即從21.6℃升高到34℃,而熱泵溫降從34℃降低到28.9℃,溫降幅度5.1℃,還需要增加溫降幅度7.3℃,才能將凝汽器入口循環(huán)水溫維持在21.6℃。冷卻水塔降溫能力仍然按照10℃計算,需要9520t/h循環(huán)水送去冷卻水塔降溫,也就是需要電廠循環(huán)水泵補充9520t/h循環(huán)水,消耗功率427KW(14米揚程計算),每小時節(jié)電1030-427=603KW。
在嚴(yán)寒期,當(dāng)汽輪機抽汽量達(dá)到450t/h時,汽輪機排汽余熱量還大于與熱泵吸收余熱量,需要分流送去冷卻塔降溫的循環(huán)水流量2800t/h,需要電廠循環(huán)水泵補充2800t/h水,才能將凝汽器入口循環(huán)水溫維持在21.6℃,因此還需要用#11機循環(huán)水泵繼續(xù)保持低速運行,無法停運。從循環(huán)水泵運行曲線查出,此時電機功率仍為463KW,每小時節(jié)電1030-463=567KW
升壓泵與電廠循環(huán)水泵作為一個整體耗電系統(tǒng),在寒初寒末期,折扣電廠循環(huán)水泵節(jié)電量,實際每小時多增加耗電880-603=277KW。在嚴(yán)寒期,折扣電廠循環(huán)水泵節(jié)電量,實際每小時多增加耗電880-567=313KW。
寒初寒末期和嚴(yán)寒期分別按照70天/50天計算節(jié)約電量,則整個熱泵循環(huán)水系統(tǒng)水泵耗電費用比改造前實際增加電費:
(277×24×70+313×24×50)×0.386=324610.6元。
(2)方案二,電廠一臺循環(huán)水泵低速運行,熱泵熱源水選用兩臺流量9200t/h升壓泵運行時,電廠循環(huán)水泵用電分析。
首先,在初寒末寒期階段,循環(huán)水補水量消耗水泵功率計算。
初寒末寒期階段,依據(jù)上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(2)可計算出,汽輪機排汽量余熱量為201MW,可使18000t/h循環(huán)水溫升達(dá)9.6℃,按照熱泵最佳COP熱源水進(jìn)口溫度34℃的要求,即從24.4℃升高到34℃,而熱泵循環(huán)水(熱源水)溫降從34℃降低到29.5℃,溫降幅度4.5℃,還需要再溫降5.1℃才能將凝汽器入口循環(huán)水溫維持在24.4℃。冷卻水塔降溫能力按照10℃計算,還需要8742t/h循環(huán)水送去冷卻水塔降溫,也就是需要電廠循環(huán)水泵補充8742t/h循環(huán)水,僅消耗功率390KW(14米揚程計算),每小時節(jié)電1030-390=640KW。此時還需要用#11機循環(huán)水泵繼續(xù)保持低速運行,多余水量通過聯(lián)絡(luò)門打入#10機循環(huán)水系統(tǒng)。有利于提高#10機的真空,降低熱耗。隨著逐漸趨近寒冷,汽輪機供熱抽汽量加大,汽輪機排汽量逐漸減少,排出的余熱量也同步減少,分流去冷卻塔降溫的循環(huán)水流量也逐步減少,電廠循環(huán)水泵補水量消耗的功率隨之減少,節(jié)電效果逐步加大。
在嚴(yán)寒期,當(dāng)汽輪機抽汽量達(dá)到450t/h時,汽輪機排汽余熱量幾乎與熱泵吸收余熱量相當(dāng),循環(huán)水不需要再分流去冷卻塔降溫,也就不需要電廠循環(huán)水泵補水了。在升壓泵、熱泵、凝汽器之間完全形成閉式循環(huán),可停止#11機循環(huán)水泵運行。此時只需要用#10機循環(huán)水泵在低速運行狀態(tài)下通過聯(lián)絡(luò)門維持#11機凝汽器入口管道壓力(頂壓)即可,或維持50~100t/h左右的補水量,對應(yīng)電機多耗電9KW,每小時可節(jié)電1030-9=1021KW。
升壓泵與電廠循環(huán)水泵做為一個整體耗電系統(tǒng),雖然,兩臺升壓泵功率增大到1120KW。但是,它替代了電廠循環(huán)水泵的絕大部分循環(huán)水動力,增加耗電和節(jié)約用電部分抵消,總體增加耗電費用如下。
在寒初寒末期階段,折扣電廠循環(huán)水泵節(jié)約電量,實際每小時只多增加耗電1120-640=480 KW,并且越來越少。在嚴(yán)寒期階段,折扣電廠循環(huán)水泵節(jié)電量,實際每小時只多增加耗電1120-1021=9KW。
初寒末寒期和嚴(yán)寒期分別按照70天/50天計算節(jié)約電量,則整個循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備耗電費用比改造前實際增加電費:
(480×24×70+9×24×50)×0.386=315439.2元。
3.3.3 兩個方案回收余熱量效益分析
方案一選擇14000t/h循環(huán)流量和方案二選擇18000t/h循環(huán)水流量熱泵循環(huán)水系統(tǒng)兩個系統(tǒng)回收余熱收益進(jìn)行計算分析。
根據(jù)前面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對熱泵余熱回收能力的熱力計算,結(jié)果是,如果按照方案二18000t/h熱泵循環(huán)水流量回收余熱,熱泵回收余熱可達(dá)102.4MW,全年回收余熱106.1萬GJ,收入2610.47萬元,而且COP也較高,運行成本降低。而方案一選擇14000t/h熱泵循環(huán)水流量的熱泵回收余熱僅98.4MW, 全年回收余熱102萬GJ,收入2509.2萬元,而且COP也較低,運行成本提高。方案二比方案一多增加2610.47-2509.2=101.27萬元收入,而且COP也較高,效益更好。
4 結(jié)語
經(jīng)過上述循環(huán)水余熱回收系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計研究,我們得到以下幾個方面的成果。
一是方案二打破了傳統(tǒng)的熱泵熱源水系統(tǒng)服從于電廠循環(huán)水流量匹配設(shè)計的常規(guī)設(shè)計方案。當(dāng)時方案爭論的焦點是,電廠循環(huán)水泵低速運行工況只有14000t/h循環(huán)水量,按照18000t/h流量熱源水系統(tǒng)設(shè)計怎么能運行呢?雖然電廠循環(huán)水泵低速運行工況只有14000t/h循環(huán)水量,但是由于熱泵與凝汽器之間設(shè)計有升壓泵,保證了熱泵、升壓泵與凝汽器之間能夠行成獨立的閉式循環(huán)系統(tǒng),所以熱泵熱源水(循環(huán)水)仍然能夠按照18000t/h流量循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計回收余熱,保證能夠向熱泵提供最大余熱量。電廠低速循環(huán)水泵只起到補水泵的作用。
二是通過將電廠循環(huán)水泵和升壓泵作為整體耗電系統(tǒng)研究,改變?nèi)藗儽砻嫔虾唵握J(rèn)知,方案二設(shè)計兩臺大流量升壓泵比方案一設(shè)計兩臺小流量升壓泵增加電廠廠用電量高的問題,實際投產(chǎn)后證明,方案二的電廠循環(huán)水泵節(jié)電效果比理論分析更好,并且方案二的熱泵從循環(huán)水中回收的余熱收益遠(yuǎn)高于方案一。
三是通過兩塔合一的優(yōu)化設(shè)計方案,很好地解決了北方循環(huán)水余熱回收后的水塔結(jié)凍問題。
通過方案優(yōu)化設(shè)計研究分析報告,最終,工程決策者采納了方案二實施組織設(shè)計。該廠循環(huán)水余熱回收系統(tǒng)已于2012年1月投入運行,實際運行證明,方案二取得預(yù)期的令人滿意效益。
附圖:“兩塔合一”設(shè)計方案圖endprint
3.3 系統(tǒng)耗電費用測算分析比較
基礎(chǔ)數(shù)據(jù):(1)電廠循環(huán)泵高速424rpm對應(yīng)電機1500KW功率,計算出低速374rpm時對應(yīng)的功率是1030KW。(2)初寒末寒期,熱網(wǎng)按照11000t/h流量,供回水溫度48/70℃,需熱泵驅(qū)動蒸汽和熱網(wǎng)加熱器蒸汽共286.2t/h,減去廠用輔助蒸汽約25t/h,實際汽輪機排汽量約300t/h,余熱量為201MW。(3)寒初寒末期和嚴(yán)寒期分別按照70天/50天計算節(jié)約電量,上網(wǎng)電價0.386元。(4)供熱價格24.6元/GJ,供暖期為4個月(2880小時)。(5)上網(wǎng)電價是0.386元/kWh。
3.3.1 方案一和方案二兩臺不同流量升壓泵耗電費用比較
方案一:兩臺熱泵440KW升壓泵年耗電費用:880×2880×0.386=978278.4元。
方案二:兩臺熱泵560KW升壓泵年耗電費用:1120×2880×0.386=1245081.6元。
表面上看,方案二比方案一多耗電價格266803.2元。但是,將電廠循環(huán)水泵(低速)和升壓泵作為一個整體耗電系統(tǒng)進(jìn)行全過程分析,卻是不同的結(jié)果。
3.3.2 兩個方案的電廠循環(huán)水泵和升壓泵整體耗電量計算分析
(1)方案一,電廠一臺低速循環(huán)水泵運行,熱泵熱源水選用兩臺流量7200t/h升壓泵運行時,電廠循環(huán)水泵用電分析。
在初寒末寒期階段,依據(jù)上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)2可知,汽輪機排汽余熱量為201MW,可使14000t/h循環(huán)水溫升達(dá)12.4℃,按照熱泵最佳COP熱源水進(jìn)口溫度34℃的要求,即從21.6℃升高到34℃,而熱泵溫降從34℃降低到28.9℃,溫降幅度5.1℃,還需要增加溫降幅度7.3℃,才能將凝汽器入口循環(huán)水溫維持在21.6℃。冷卻水塔降溫能力仍然按照10℃計算,需要9520t/h循環(huán)水送去冷卻水塔降溫,也就是需要電廠循環(huán)水泵補充9520t/h循環(huán)水,消耗功率427KW(14米揚程計算),每小時節(jié)電1030-427=603KW。
在嚴(yán)寒期,當(dāng)汽輪機抽汽量達(dá)到450t/h時,汽輪機排汽余熱量還大于與熱泵吸收余熱量,需要分流送去冷卻塔降溫的循環(huán)水流量2800t/h,需要電廠循環(huán)水泵補充2800t/h水,才能將凝汽器入口循環(huán)水溫維持在21.6℃,因此還需要用#11機循環(huán)水泵繼續(xù)保持低速運行,無法停運。從循環(huán)水泵運行曲線查出,此時電機功率仍為463KW,每小時節(jié)電1030-463=567KW
升壓泵與電廠循環(huán)水泵作為一個整體耗電系統(tǒng),在寒初寒末期,折扣電廠循環(huán)水泵節(jié)電量,實際每小時多增加耗電880-603=277KW。在嚴(yán)寒期,折扣電廠循環(huán)水泵節(jié)電量,實際每小時多增加耗電880-567=313KW。
寒初寒末期和嚴(yán)寒期分別按照70天/50天計算節(jié)約電量,則整個熱泵循環(huán)水系統(tǒng)水泵耗電費用比改造前實際增加電費:
(277×24×70+313×24×50)×0.386=324610.6元。
(2)方案二,電廠一臺循環(huán)水泵低速運行,熱泵熱源水選用兩臺流量9200t/h升壓泵運行時,電廠循環(huán)水泵用電分析。
首先,在初寒末寒期階段,循環(huán)水補水量消耗水泵功率計算。
初寒末寒期階段,依據(jù)上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(2)可計算出,汽輪機排汽量余熱量為201MW,可使18000t/h循環(huán)水溫升達(dá)9.6℃,按照熱泵最佳COP熱源水進(jìn)口溫度34℃的要求,即從24.4℃升高到34℃,而熱泵循環(huán)水(熱源水)溫降從34℃降低到29.5℃,溫降幅度4.5℃,還需要再溫降5.1℃才能將凝汽器入口循環(huán)水溫維持在24.4℃。冷卻水塔降溫能力按照10℃計算,還需要8742t/h循環(huán)水送去冷卻水塔降溫,也就是需要電廠循環(huán)水泵補充8742t/h循環(huán)水,僅消耗功率390KW(14米揚程計算),每小時節(jié)電1030-390=640KW。此時還需要用#11機循環(huán)水泵繼續(xù)保持低速運行,多余水量通過聯(lián)絡(luò)門打入#10機循環(huán)水系統(tǒng)。有利于提高#10機的真空,降低熱耗。隨著逐漸趨近寒冷,汽輪機供熱抽汽量加大,汽輪機排汽量逐漸減少,排出的余熱量也同步減少,分流去冷卻塔降溫的循環(huán)水流量也逐步減少,電廠循環(huán)水泵補水量消耗的功率隨之減少,節(jié)電效果逐步加大。
在嚴(yán)寒期,當(dāng)汽輪機抽汽量達(dá)到450t/h時,汽輪機排汽余熱量幾乎與熱泵吸收余熱量相當(dāng),循環(huán)水不需要再分流去冷卻塔降溫,也就不需要電廠循環(huán)水泵補水了。在升壓泵、熱泵、凝汽器之間完全形成閉式循環(huán),可停止#11機循環(huán)水泵運行。此時只需要用#10機循環(huán)水泵在低速運行狀態(tài)下通過聯(lián)絡(luò)門維持#11機凝汽器入口管道壓力(頂壓)即可,或維持50~100t/h左右的補水量,對應(yīng)電機多耗電9KW,每小時可節(jié)電1030-9=1021KW。
升壓泵與電廠循環(huán)水泵做為一個整體耗電系統(tǒng),雖然,兩臺升壓泵功率增大到1120KW。但是,它替代了電廠循環(huán)水泵的絕大部分循環(huán)水動力,增加耗電和節(jié)約用電部分抵消,總體增加耗電費用如下。
在寒初寒末期階段,折扣電廠循環(huán)水泵節(jié)約電量,實際每小時只多增加耗電1120-640=480 KW,并且越來越少。在嚴(yán)寒期階段,折扣電廠循環(huán)水泵節(jié)電量,實際每小時只多增加耗電1120-1021=9KW。
初寒末寒期和嚴(yán)寒期分別按照70天/50天計算節(jié)約電量,則整個循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備耗電費用比改造前實際增加電費:
(480×24×70+9×24×50)×0.386=315439.2元。
3.3.3 兩個方案回收余熱量效益分析
方案一選擇14000t/h循環(huán)流量和方案二選擇18000t/h循環(huán)水流量熱泵循環(huán)水系統(tǒng)兩個系統(tǒng)回收余熱收益進(jìn)行計算分析。
根據(jù)前面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對熱泵余熱回收能力的熱力計算,結(jié)果是,如果按照方案二18000t/h熱泵循環(huán)水流量回收余熱,熱泵回收余熱可達(dá)102.4MW,全年回收余熱106.1萬GJ,收入2610.47萬元,而且COP也較高,運行成本降低。而方案一選擇14000t/h熱泵循環(huán)水流量的熱泵回收余熱僅98.4MW, 全年回收余熱102萬GJ,收入2509.2萬元,而且COP也較低,運行成本提高。方案二比方案一多增加2610.47-2509.2=101.27萬元收入,而且COP也較高,效益更好。
4 結(jié)語
經(jīng)過上述循環(huán)水余熱回收系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計研究,我們得到以下幾個方面的成果。
一是方案二打破了傳統(tǒng)的熱泵熱源水系統(tǒng)服從于電廠循環(huán)水流量匹配設(shè)計的常規(guī)設(shè)計方案。當(dāng)時方案爭論的焦點是,電廠循環(huán)水泵低速運行工況只有14000t/h循環(huán)水量,按照18000t/h流量熱源水系統(tǒng)設(shè)計怎么能運行呢?雖然電廠循環(huán)水泵低速運行工況只有14000t/h循環(huán)水量,但是由于熱泵與凝汽器之間設(shè)計有升壓泵,保證了熱泵、升壓泵與凝汽器之間能夠行成獨立的閉式循環(huán)系統(tǒng),所以熱泵熱源水(循環(huán)水)仍然能夠按照18000t/h流量循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計回收余熱,保證能夠向熱泵提供最大余熱量。電廠低速循環(huán)水泵只起到補水泵的作用。
二是通過將電廠循環(huán)水泵和升壓泵作為整體耗電系統(tǒng)研究,改變?nèi)藗儽砻嫔虾唵握J(rèn)知,方案二設(shè)計兩臺大流量升壓泵比方案一設(shè)計兩臺小流量升壓泵增加電廠廠用電量高的問題,實際投產(chǎn)后證明,方案二的電廠循環(huán)水泵節(jié)電效果比理論分析更好,并且方案二的熱泵從循環(huán)水中回收的余熱收益遠(yuǎn)高于方案一。
三是通過兩塔合一的優(yōu)化設(shè)計方案,很好地解決了北方循環(huán)水余熱回收后的水塔結(jié)凍問題。
通過方案優(yōu)化設(shè)計研究分析報告,最終,工程決策者采納了方案二實施組織設(shè)計。該廠循環(huán)水余熱回收系統(tǒng)已于2012年1月投入運行,實際運行證明,方案二取得預(yù)期的令人滿意效益。
附圖:“兩塔合一”設(shè)計方案圖endprint
3.3 系統(tǒng)耗電費用測算分析比較
基礎(chǔ)數(shù)據(jù):(1)電廠循環(huán)泵高速424rpm對應(yīng)電機1500KW功率,計算出低速374rpm時對應(yīng)的功率是1030KW。(2)初寒末寒期,熱網(wǎng)按照11000t/h流量,供回水溫度48/70℃,需熱泵驅(qū)動蒸汽和熱網(wǎng)加熱器蒸汽共286.2t/h,減去廠用輔助蒸汽約25t/h,實際汽輪機排汽量約300t/h,余熱量為201MW。(3)寒初寒末期和嚴(yán)寒期分別按照70天/50天計算節(jié)約電量,上網(wǎng)電價0.386元。(4)供熱價格24.6元/GJ,供暖期為4個月(2880小時)。(5)上網(wǎng)電價是0.386元/kWh。
3.3.1 方案一和方案二兩臺不同流量升壓泵耗電費用比較
方案一:兩臺熱泵440KW升壓泵年耗電費用:880×2880×0.386=978278.4元。
方案二:兩臺熱泵560KW升壓泵年耗電費用:1120×2880×0.386=1245081.6元。
表面上看,方案二比方案一多耗電價格266803.2元。但是,將電廠循環(huán)水泵(低速)和升壓泵作為一個整體耗電系統(tǒng)進(jìn)行全過程分析,卻是不同的結(jié)果。
3.3.2 兩個方案的電廠循環(huán)水泵和升壓泵整體耗電量計算分析
(1)方案一,電廠一臺低速循環(huán)水泵運行,熱泵熱源水選用兩臺流量7200t/h升壓泵運行時,電廠循環(huán)水泵用電分析。
在初寒末寒期階段,依據(jù)上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)2可知,汽輪機排汽余熱量為201MW,可使14000t/h循環(huán)水溫升達(dá)12.4℃,按照熱泵最佳COP熱源水進(jìn)口溫度34℃的要求,即從21.6℃升高到34℃,而熱泵溫降從34℃降低到28.9℃,溫降幅度5.1℃,還需要增加溫降幅度7.3℃,才能將凝汽器入口循環(huán)水溫維持在21.6℃。冷卻水塔降溫能力仍然按照10℃計算,需要9520t/h循環(huán)水送去冷卻水塔降溫,也就是需要電廠循環(huán)水泵補充9520t/h循環(huán)水,消耗功率427KW(14米揚程計算),每小時節(jié)電1030-427=603KW。
在嚴(yán)寒期,當(dāng)汽輪機抽汽量達(dá)到450t/h時,汽輪機排汽余熱量還大于與熱泵吸收余熱量,需要分流送去冷卻塔降溫的循環(huán)水流量2800t/h,需要電廠循環(huán)水泵補充2800t/h水,才能將凝汽器入口循環(huán)水溫維持在21.6℃,因此還需要用#11機循環(huán)水泵繼續(xù)保持低速運行,無法停運。從循環(huán)水泵運行曲線查出,此時電機功率仍為463KW,每小時節(jié)電1030-463=567KW
升壓泵與電廠循環(huán)水泵作為一個整體耗電系統(tǒng),在寒初寒末期,折扣電廠循環(huán)水泵節(jié)電量,實際每小時多增加耗電880-603=277KW。在嚴(yán)寒期,折扣電廠循環(huán)水泵節(jié)電量,實際每小時多增加耗電880-567=313KW。
寒初寒末期和嚴(yán)寒期分別按照70天/50天計算節(jié)約電量,則整個熱泵循環(huán)水系統(tǒng)水泵耗電費用比改造前實際增加電費:
(277×24×70+313×24×50)×0.386=324610.6元。
(2)方案二,電廠一臺循環(huán)水泵低速運行,熱泵熱源水選用兩臺流量9200t/h升壓泵運行時,電廠循環(huán)水泵用電分析。
首先,在初寒末寒期階段,循環(huán)水補水量消耗水泵功率計算。
初寒末寒期階段,依據(jù)上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(2)可計算出,汽輪機排汽量余熱量為201MW,可使18000t/h循環(huán)水溫升達(dá)9.6℃,按照熱泵最佳COP熱源水進(jìn)口溫度34℃的要求,即從24.4℃升高到34℃,而熱泵循環(huán)水(熱源水)溫降從34℃降低到29.5℃,溫降幅度4.5℃,還需要再溫降5.1℃才能將凝汽器入口循環(huán)水溫維持在24.4℃。冷卻水塔降溫能力按照10℃計算,還需要8742t/h循環(huán)水送去冷卻水塔降溫,也就是需要電廠循環(huán)水泵補充8742t/h循環(huán)水,僅消耗功率390KW(14米揚程計算),每小時節(jié)電1030-390=640KW。此時還需要用#11機循環(huán)水泵繼續(xù)保持低速運行,多余水量通過聯(lián)絡(luò)門打入#10機循環(huán)水系統(tǒng)。有利于提高#10機的真空,降低熱耗。隨著逐漸趨近寒冷,汽輪機供熱抽汽量加大,汽輪機排汽量逐漸減少,排出的余熱量也同步減少,分流去冷卻塔降溫的循環(huán)水流量也逐步減少,電廠循環(huán)水泵補水量消耗的功率隨之減少,節(jié)電效果逐步加大。
在嚴(yán)寒期,當(dāng)汽輪機抽汽量達(dá)到450t/h時,汽輪機排汽余熱量幾乎與熱泵吸收余熱量相當(dāng),循環(huán)水不需要再分流去冷卻塔降溫,也就不需要電廠循環(huán)水泵補水了。在升壓泵、熱泵、凝汽器之間完全形成閉式循環(huán),可停止#11機循環(huán)水泵運行。此時只需要用#10機循環(huán)水泵在低速運行狀態(tài)下通過聯(lián)絡(luò)門維持#11機凝汽器入口管道壓力(頂壓)即可,或維持50~100t/h左右的補水量,對應(yīng)電機多耗電9KW,每小時可節(jié)電1030-9=1021KW。
升壓泵與電廠循環(huán)水泵做為一個整體耗電系統(tǒng),雖然,兩臺升壓泵功率增大到1120KW。但是,它替代了電廠循環(huán)水泵的絕大部分循環(huán)水動力,增加耗電和節(jié)約用電部分抵消,總體增加耗電費用如下。
在寒初寒末期階段,折扣電廠循環(huán)水泵節(jié)約電量,實際每小時只多增加耗電1120-640=480 KW,并且越來越少。在嚴(yán)寒期階段,折扣電廠循環(huán)水泵節(jié)電量,實際每小時只多增加耗電1120-1021=9KW。
初寒末寒期和嚴(yán)寒期分別按照70天/50天計算節(jié)約電量,則整個循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備耗電費用比改造前實際增加電費:
(480×24×70+9×24×50)×0.386=315439.2元。
3.3.3 兩個方案回收余熱量效益分析
方案一選擇14000t/h循環(huán)流量和方案二選擇18000t/h循環(huán)水流量熱泵循環(huán)水系統(tǒng)兩個系統(tǒng)回收余熱收益進(jìn)行計算分析。
根據(jù)前面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對熱泵余熱回收能力的熱力計算,結(jié)果是,如果按照方案二18000t/h熱泵循環(huán)水流量回收余熱,熱泵回收余熱可達(dá)102.4MW,全年回收余熱106.1萬GJ,收入2610.47萬元,而且COP也較高,運行成本降低。而方案一選擇14000t/h熱泵循環(huán)水流量的熱泵回收余熱僅98.4MW, 全年回收余熱102萬GJ,收入2509.2萬元,而且COP也較低,運行成本提高。方案二比方案一多增加2610.47-2509.2=101.27萬元收入,而且COP也較高,效益更好。
4 結(jié)語
經(jīng)過上述循環(huán)水余熱回收系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計研究,我們得到以下幾個方面的成果。
一是方案二打破了傳統(tǒng)的熱泵熱源水系統(tǒng)服從于電廠循環(huán)水流量匹配設(shè)計的常規(guī)設(shè)計方案。當(dāng)時方案爭論的焦點是,電廠循環(huán)水泵低速運行工況只有14000t/h循環(huán)水量,按照18000t/h流量熱源水系統(tǒng)設(shè)計怎么能運行呢?雖然電廠循環(huán)水泵低速運行工況只有14000t/h循環(huán)水量,但是由于熱泵與凝汽器之間設(shè)計有升壓泵,保證了熱泵、升壓泵與凝汽器之間能夠行成獨立的閉式循環(huán)系統(tǒng),所以熱泵熱源水(循環(huán)水)仍然能夠按照18000t/h流量循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計回收余熱,保證能夠向熱泵提供最大余熱量。電廠低速循環(huán)水泵只起到補水泵的作用。
二是通過將電廠循環(huán)水泵和升壓泵作為整體耗電系統(tǒng)研究,改變?nèi)藗儽砻嫔虾唵握J(rèn)知,方案二設(shè)計兩臺大流量升壓泵比方案一設(shè)計兩臺小流量升壓泵增加電廠廠用電量高的問題,實際投產(chǎn)后證明,方案二的電廠循環(huán)水泵節(jié)電效果比理論分析更好,并且方案二的熱泵從循環(huán)水中回收的余熱收益遠(yuǎn)高于方案一。
三是通過兩塔合一的優(yōu)化設(shè)計方案,很好地解決了北方循環(huán)水余熱回收后的水塔結(jié)凍問題。
通過方案優(yōu)化設(shè)計研究分析報告,最終,工程決策者采納了方案二實施組織設(shè)計。該廠循環(huán)水余熱回收系統(tǒng)已于2012年1月投入運行,實際運行證明,方案二取得預(yù)期的令人滿意效益。
附圖:“兩塔合一”設(shè)計方案圖endprint