杜 威,孫建磊,楊海生

(國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

我國正在全面推進(jìn)節(jié)能環(huán)保的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱方式[1],依托大容量、低能耗熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組,替代能耗高、效率低、污染大的中小供熱鍋爐,是我國落實(shí)“碳達(dá)峰、碳中和”重大決策部署的一個(gè)方面。隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,供熱負(fù)荷需求也呈快速增長趨勢(shì)。近10年來,北方集中供熱面積年均增長率達(dá)13%[2]。部分機(jī)組的供熱系統(tǒng)需要增容改造。

供熱系統(tǒng)增容包括對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水泵、熱網(wǎng)加熱器、管網(wǎng)等進(jìn)行改造。其中熱網(wǎng)循環(huán)泵主要有工業(yè)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)2種方式[3],用來向熱電企業(yè)用戶提供供熱介質(zhì),是供熱電廠供暖期間主要的耗能設(shè)備。因此,為確保熱電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,供熱系統(tǒng)增容改造時(shí)需要合理選擇熱網(wǎng)循環(huán)泵的驅(qū)動(dòng)方式[4]。

本文以面臨供熱系統(tǒng)增容改造的某300 MW亞臨界供熱機(jī)組為例,以等效熱降理論對(duì)2種驅(qū)動(dòng)方式的熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行計(jì)算與分析。

1 不同驅(qū)動(dòng)方式的系統(tǒng)流程

熱網(wǎng)循環(huán)泵的電泵方案,即由電機(jī)驅(qū)動(dòng)2臺(tái)50%容量泵。此方案下機(jī)組供熱系統(tǒng)如圖1所示。熱網(wǎng)回水通過熱網(wǎng)循環(huán)泵升壓后進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器水側(cè),來自機(jī)組五抽的供熱抽汽進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器汽側(cè),在熱網(wǎng)加熱器內(nèi)兩者進(jìn)行熱交換。熱網(wǎng)水升溫后向外網(wǎng)供熱。供熱抽汽冷卻為疏水,由疏水泵升壓后返回?zé)崃ο到y(tǒng),匯入5號(hào)低壓加熱器出口凝結(jié)水管道。

圖1 電泵方案系統(tǒng)示意

圖2 為汽泵方案。由2臺(tái)50%容量的單級(jí)背壓式小汽機(jī)為熱網(wǎng)循環(huán)泵提供驅(qū)動(dòng)力。小汽機(jī)汽源取自機(jī)組冷段再熱蒸汽。擁有一定過熱度的小汽機(jī)排汽與供熱抽汽一起進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器,加熱熱網(wǎng)水后返回?zé)崃ο到y(tǒng)。

圖2 汽泵方案系統(tǒng)示意

2 熱經(jīng)濟(jì)性模型的建立

等效熱降法是發(fā)電機(jī)組熱力系統(tǒng)分析的一種有效工具,具有簡(jiǎn)捷、方便的特點(diǎn)[56]。經(jīng)過驗(yàn)證,等效熱降法與常規(guī)熱平衡方法之間具有一致性[7],可以較為準(zhǔn)確的計(jì)算熱經(jīng)濟(jì)性的變化[89]。因此,本文以等效熱降法為基礎(chǔ)建立數(shù)學(xué)模型,對(duì)汽泵方案和電泵方案進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算與分析。

為保證結(jié)果的客觀準(zhǔn)確,本文中進(jìn)行的熱經(jīng)濟(jì)性比較應(yīng)遵循以下原則。

(1)2個(gè)方案的比較應(yīng)是在相同的供熱工況下,具體包括:主蒸汽流量相同,供熱量相同,除供熱外的廠用電量相同。這樣就排除了驅(qū)動(dòng)方式之外的因素對(duì)熱經(jīng)濟(jì)性的影響。

(2)認(rèn)為與電泵方案相比,汽泵方案中冷段再熱抽汽不影響主汽輪機(jī)膨脹線。依照等效熱降理論,主蒸汽流量不變時(shí),冷段再熱額外抽汽可視為不影響全局的小擾動(dòng),即主機(jī)各段蒸汽參數(shù)不變,只影響各段抽汽量。這樣的假設(shè)是合理的。

(3)2個(gè)方案中的熱網(wǎng)循環(huán)水泵性能相同,僅驅(qū)動(dòng)方式有所區(qū)別。

遵循以上原則,建模具體過程如下。

2.1 電驅(qū)動(dòng)方式功耗

當(dāng)熱網(wǎng)循環(huán)泵能滿足熱網(wǎng)系統(tǒng)流量Qp與揚(yáng)程Hp的需求時(shí),則輸入泵的有效功率為

當(dāng)泵使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式時(shí),消耗的電功率為

式中:g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?ηp、ηi、ηe分別為循環(huán)泵效率,聯(lián)軸器機(jī)械傳動(dòng)效率和電機(jī)效率。

2.2 小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)方式功耗

當(dāng)小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)泵時(shí),則其消耗的冷段再熱蒸汽量為

式中:hlz和hc分別為冷段再熱焓和小汽機(jī)排汽焓值,kJ/kg;ηj為汽泵減速器機(jī)械效率。

汽動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式下,耗費(fèi)的冷段再熱蒸汽使得主機(jī)作功能力降低,其值為alz流量的蒸汽直達(dá)凝汽器所作的功為

同時(shí),相應(yīng)有alz流量的熱網(wǎng)疏水返回?zé)崃ο到y(tǒng),匯入主凝結(jié)水管道,產(chǎn)生回收功。計(jì)算式為

所以發(fā)電機(jī)出力變化量應(yīng)為二者的代數(shù)和

小汽機(jī)排汽直接匯入熱網(wǎng)加熱器。與電泵驅(qū)動(dòng)時(shí)相比,同樣供熱量下五抽相應(yīng)減少agr供熱抽汽,由熱網(wǎng)加熱器返回的疏水也減少agr。與冷段再熱抽汽同理,其對(duì)主機(jī)做功能力的影響為

式中:h5為五段抽汽焓值,kJ/kg。

2.3 供電煤耗率變化的數(shù)學(xué)模型

與電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式相比,在同樣的供熱量與主蒸汽流量下,小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)除了降低主機(jī)出力,減少了廠用電率外,也改變了再熱流量,使再熱吸熱量減少。因此,評(píng)價(jià)兩種驅(qū)動(dòng)方式的熱經(jīng)濟(jì)性時(shí),應(yīng)綜合考慮這三方面的影響,宜采用供電煤耗率較為合理。即

式中:ΔP=Pgr-Plz,k W;hzr為機(jī)組再熱蒸汽焓值,kJ/kg;b為標(biāo)煤發(fā)熱量,kJ;Pcy為機(jī)組廠用電量,k W;ηgl與ηgd分別為鍋爐效率和管道效率;Q為主機(jī)總吸熱量,kJ/h;Pfd為發(fā)電機(jī)出線端功率,k W。

3 實(shí)例計(jì)算與分析

以面臨供熱改造的某300 MW機(jī)組為例。該機(jī)組為增加供熱能力,擬將原有的3臺(tái)較小容量的電動(dòng)熱網(wǎng)循環(huán)泵更換為2臺(tái)大流量泵。通過上文建立的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算機(jī)組額定供熱和最大供熱工況下汽泵方案與電泵方案的熱經(jīng)濟(jì)性,供熱系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)見表1。

額定供熱工況與最大供熱工況下機(jī)組蒸汽參數(shù)見表2。根據(jù)表1、2中的參數(shù)及上文的計(jì)算依據(jù),得出電泵和汽泵方案的主要熱經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)的對(duì)比,如表3所示。

通過分析比較在機(jī)組額定供熱工況和最大供熱工況下熱網(wǎng)循環(huán)泵2種驅(qū)動(dòng)方式的計(jì)算結(jié)果,可知。

(1)從供電煤耗率方面考慮,雖然采用汽泵方案使得機(jī)組凈出力較電動(dòng)方案降低,但同時(shí)機(jī)組吸熱量即煤耗量也相應(yīng)減少。由表3的計(jì)算結(jié)果可得出汽泵方案下機(jī)組的供電煤耗率與電泵方案相差不大,兩者在熱經(jīng)濟(jì)性方面差距不明顯。

(2)從機(jī)組出力方面來看,汽泵方案與電泵方案相比,其發(fā)電機(jī)出線端功率有所降低,雖然其廠用電功率也有所減少,但機(jī)組凈出力仍低于電泵方案。由于2個(gè)方案的機(jī)組煤耗率差別很小,因此在煤價(jià)合理、機(jī)組能夠盈利的前提下,電泵方案更高的凈出力意味著更高的利潤。

(3)從廠用電方面考慮,由表3數(shù)據(jù)可知,采用汽泵方案后由于減少了廠用電的消耗,使廠用電率相對(duì)電泵方案下降約1.5%。需要進(jìn)行熱網(wǎng)

4 結(jié)論

對(duì)于該300 M W供熱機(jī)組,新增的大流量熱網(wǎng)循環(huán)泵采用汽泵方案或電泵方案在熱經(jīng)濟(jì)性方面的差別并不明顯。而在機(jī)組收益方面,2個(gè)方案各有優(yōu)點(diǎn)。此外,汽泵方案在運(yùn)行調(diào)整方面相對(duì)更有優(yōu)勢(shì);電泵方案系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、維護(hù)便利。在選擇驅(qū)動(dòng)方式時(shí)除了運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性外,還應(yīng)綜合考慮改造成本、系統(tǒng)可靠性、易維護(hù)性、調(diào)節(jié)便利性、投資回收期等方面。系統(tǒng)增容改造的老機(jī)組普遍存在高壓廠用變壓器容量較小的情況,難以容納新增的驅(qū)動(dòng)熱網(wǎng)循環(huán)泵的大功率電動(dòng)機(jī)。而選擇汽泵方案,可以避免額外的高壓廠用變壓器增容工程,節(jié)省了相關(guān)費(fèi)用。