600 MW純凝改供熱空冷機(jī)組余壓余熱聯(lián)合利用改造分析

劉秋升， 袁珍亮,2， 安江濤， 周明君， 李永良， 李 瓊,2

(1. 河北冀研能源科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，石家莊 050000；2. 河北省火力發(fā)電清潔高效熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新中心，石家莊 050000；3. 河北建投沙河發(fā)電有限責(zé)任公司，河北邢臺 054100)

目前，我國電力工業(yè)以火力發(fā)電為主，火力發(fā)電廠的排汽損失是電廠熱力系統(tǒng)的主要損失。以供熱電廠為例，在冬季額定供熱工況下，汽輪機(jī)排汽損失可占燃料總發(fā)熱量的39%以上[1]。汽輪機(jī)排汽損失對于火力發(fā)電廠來說是廢熱排放，但是對于低品位的民用供熱而言，則是巨大的能源浪費。如果能夠充分回收汽輪機(jī)乏汽余熱將其用于供熱，可以大幅提高電廠的供熱能力和能源利用效率，帶來巨大的節(jié)能效益、環(huán)保效益與社會效益。

純凝改供熱機(jī)組的供熱抽汽壓力較高，一般在0.7～1.0 MPa，與供熱抽汽所需的壓力存在0.5 MPa的壓差，具有較大的余壓利用潛力。近年來，蒸汽噴射器在空冷機(jī)組余熱回收中的應(yīng)用日趨成熟，為余壓余熱聯(lián)合利用提供了重要解決方案。

蒸汽噴射器在電廠主要應(yīng)用于真空系統(tǒng)[2-4]，以提升凝汽器真空，減少真空泵的汽蝕，同時具有一定的節(jié)能效果。有多臺采用蒸汽噴射器余熱改造的機(jī)組成功實施并取得顯著收益[5-6]。蒸汽噴射器也可用于中壓工業(yè)抽汽，孫博昭等[7]分析了超臨界機(jī)組主蒸汽引射再熱蒸汽的蒸汽噴射器的應(yīng)用效果，并且對不同負(fù)荷下蒸汽噴射器的性能進(jìn)行了對比和總結(jié)。在余壓利用方面，許繼東[1]詳細(xì)論述了供熱抽汽余壓利用的3種方案，包括蒸汽引射器引射低壓抽汽、抽汽驅(qū)動熱網(wǎng)循環(huán)泵及抽汽余能發(fā)電，并且對各方案的節(jié)能收益進(jìn)行了對比分析。王立功等[8]介紹了供熱抽汽余壓節(jié)能的機(jī)理，并且結(jié)合300 MW機(jī)組情況，得出余壓利用可使供電煤耗率降低19.12 g/(kW·h)，熱電聯(lián)產(chǎn)熱效率提高2.42%的結(jié)論。劉秋升等[9]結(jié)合供熱抽汽余壓改造工程案例，對余壓改造效果及設(shè)備性能進(jìn)行了分析。

1 改造方案

供熱機(jī)組余壓利用的應(yīng)用目前已經(jīng)比較成熟，主要利用供熱抽汽壓力與供水溫度所需壓力的壓差驅(qū)動低壓(超低壓)汽輪機(jī)發(fā)電或拖動廠用設(shè)備。該類型汽輪機(jī)主要性能指標(biāo)為相對內(nèi)效率。以6 MW低壓汽輪機(jī)為例，其相對內(nèi)效率約為75%，僅增加質(zhì)量流量約為5 t/h的主蒸汽，即可輸出6 MW功率，可有效降低廠用電率，并且具有顯著的節(jié)能效果[9]。

利用蒸汽噴射器引射汽輪機(jī)排汽作為一種余熱回收的新技術(shù)，在供熱機(jī)組上已取得較好的應(yīng)用效果，其主要性能指標(biāo)為引射系數(shù)[10-11]。圖1為蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)示意圖。蒸汽噴射器是利用高壓流體抽吸低壓流體的壓縮裝置。蒸汽噴射器要由噴嘴、吸收室、混合管、擴(kuò)壓管等部件組成，結(jié)構(gòu)簡單且沒有運動部件，可以有效解決供熱機(jī)組蒸汽“高質(zhì)低用”的問題，提高能源利用率[12]。

A—高壓蒸汽；B—低壓蒸汽；C—混合蒸汽；1—高壓蒸汽入口；2—噴嘴；3—吸收室；4—混合管；5—擴(kuò)壓管。圖1 蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)示意圖

該600 MW純凝改供熱空冷機(jī)組余熱余壓聯(lián)合利用改造示意圖見圖2。

圖2 600 MW純凝改供熱空冷機(jī)組余壓余熱聯(lián)合利用改造示意圖

該機(jī)組共有7段抽汽，中壓缸排汽為第4段抽汽，其設(shè)計壓力為1.05 MPa，機(jī)組額定背壓為16 kPa。供熱蒸汽壓力0.2 MPa即可滿足用戶需求，因此有0.8 MPa左右的壓差可用于余壓發(fā)電。經(jīng)多次與設(shè)備廠家進(jìn)行技術(shù)交流，并且結(jié)合近年來多臺采用蒸汽噴射器改造的案例，證明蒸汽噴射器在動力蒸汽壓力為0.2～0.3 MPa時的引射效果最好，繼續(xù)提高動力蒸汽壓力，引射系數(shù)變化不大[7,11]。結(jié)合以上兩方面特點，采取的具體改造方案為：供熱初期，熱網(wǎng)回水溫度約為40 ℃，采用乏汽直接加熱熱網(wǎng)回水，將其作為一級加熱；供熱抽汽先進(jìn)入低壓汽輪機(jī)做功發(fā)電，低壓汽輪機(jī)排汽進(jìn)入蒸汽噴射器引射汽輪機(jī)乏汽，混合后的蒸汽用于加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，將其作為二級加熱；二級加熱不滿足外界供熱需求時，通過供熱抽汽直接進(jìn)行加熱，并且將其作為三級加熱。該改造方案充分利用供熱抽汽壓力與熱網(wǎng)所需壓力間的壓差進(jìn)行余壓發(fā)電，并且利用低壓汽輪機(jī)排汽作為蒸汽噴射器的動力蒸汽，回收汽輪機(jī)乏汽熱量。

2 節(jié)能分析

2.1 邊界條件

統(tǒng)計當(dāng)?shù)赝裙崦娣e的歷史數(shù)據(jù)后，根據(jù)供熱指標(biāo)將供熱期分為4個階段，具體分類見表1。

表1 供熱階段分類

統(tǒng)計機(jī)組歷史負(fù)荷，得到機(jī)組平均負(fù)荷率約為75%。因此，以75%負(fù)荷為基準(zhǔn)，計算該負(fù)荷下改造后設(shè)備的設(shè)計參數(shù)與不同供熱方式下的節(jié)能收益。

2.2 設(shè)備選型

汽輪機(jī)在75%負(fù)荷下的主要性能指標(biāo)見表2。

梁久明，祖籍山東梁山。曾在《詩刊》《星星》《詩探索》等雜志發(fā)表詩歌，有作品入選詩歌年度選本，已出版詩集《從1963年開始》《土地上的居住》兩部，獲第三屆“詩探索·春泥詩歌獎”。系黑龍江省作家協(xié)會會員。

表2 75%負(fù)荷下的主要性能指標(biāo)

根據(jù)機(jī)組的抽汽及排汽參數(shù)，結(jié)合蒸汽噴射器動力蒸汽壓力與引射系數(shù)的關(guān)系[11]，選取低壓汽輪機(jī)排汽(蒸汽噴射器高壓蒸汽)壓力為0.3 MPa。低壓汽輪機(jī)、蒸汽噴射器的參數(shù)分別見表3、表4。

表3 低壓汽輪機(jī)的參數(shù)

表4 蒸汽噴射器的參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

為保證最大程度地利用乏汽，先對蒸汽噴射器的不同工況進(jìn)行分析，確定蒸汽噴射器的進(jìn)汽量后，反推低壓汽輪機(jī)功率，再計算余壓發(fā)電的收益。

2.3.1 供熱方式與熱耗率的關(guān)系

考慮機(jī)組參與調(diào)峰，以純凝工況75%負(fù)荷為基準(zhǔn)，采用定流量分析法進(jìn)行供熱改造分析。圖3為機(jī)組在不同供熱階段和不同供熱方式下熱耗率的變化，其中：工況1為純凝工況，工況2為打孔抽汽供熱工況，工況3為機(jī)組額定背壓下的余壓余熱聯(lián)合利用工況，工況4為機(jī)組背壓為30 kPa時的余壓余熱聯(lián)合利用工況。熱電聯(lián)產(chǎn)作為一種節(jié)能方式，供熱抽汽量越大，熱耗率越低，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性越好[1,13]。

圖3 不同工況下機(jī)組各供熱階段熱耗率的變化

由圖3可得：采用工況2供熱時，熱耗率有明顯下降，當(dāng)由供熱階段A變?yōu)楣犭A段D時，由于供熱減少了排汽損失，機(jī)組熱耗率由6 541 kJ/(kW·h)降低至5 025.4 kJ/(kW·h)，折合機(jī)組發(fā)電煤耗率降低56.77 g/(kW·h)。機(jī)組額定背壓下，采用蒸汽噴射器供熱改造后，相比于工況2，機(jī)組熱耗率進(jìn)一步下降。蒸汽噴射器回收乏汽受熱網(wǎng)回水溫度的影響，在供熱階段A，熱網(wǎng)回水溫度最低，與工況2相比，工況3熱耗率下降明顯，為649.74 kJ/(kW·h)。在供熱階段D，熱網(wǎng)回水溫度升高，與工況2相比，工況3熱耗率下降381.28 kJ/(kW·h)。機(jī)組背壓提升至30 kPa時，蒸汽噴射器回收乏汽量大幅度增加，汽輪機(jī)排汽損失進(jìn)一步減少，故采用工況4運行時機(jī)組熱耗率繼續(xù)下降。隨著供熱期供熱量的增加，提升背壓后機(jī)組熱耗率下降更加明顯。與工況2相比，工況4的供熱階段A、供熱階段D的熱耗率分別下降1 128.51 kJ/(kW·h)、980.04 kJ/(kW·h)。

將蒸汽噴射器供熱運行方式劃分為6種，具體劃分見表5。

表5 6種運行方式的劃分

圖4為采用余壓余熱聯(lián)合利用后的6種運行方式下供熱量的變化。

圖4 不同供熱階段各運行方式下乏汽供熱量的變化

由圖4可得：不同供熱階段在相同鍋爐蒸發(fā)量下，運行方式1在各供熱階段均具有最高的乏汽供熱量，故采用運行方式1時更多的中壓缸排汽進(jìn)入低壓缸發(fā)電。因此，供熱期優(yōu)先采用增加熱網(wǎng)循環(huán)水流量保證供熱，有利于增加低品質(zhì)汽輪機(jī)乏汽的利用量，減少高品質(zhì)供熱抽汽量，從而降低機(jī)組燃煤量。

表6為4種工況下汽輪機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。由表6可得：打孔抽汽供熱減少了低壓缸進(jìn)汽流量，降低了機(jī)組的排汽損失，從而提高了機(jī)組效率，降低了熱耗率。采用蒸汽噴射器后，額定背壓下可回收質(zhì)量流量為235.99 t/h的乏汽，該流量約占低壓缸進(jìn)汽量的一半。隨著利用乏汽量的增加，空冷島的損失不斷減少。在機(jī)組背壓為30 kPa時，利用乏汽量大于排入空冷島的乏汽量。排汽損失的減少，是機(jī)組熱效率提高的主要原因。

表6 4種工況下汽輪機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

2.3.2 不同運行方式下低壓汽輪機(jī)發(fā)電功率

采用余壓余熱聯(lián)合利用后，低壓汽輪機(jī)發(fā)電功率由蒸汽噴射器高壓蒸汽流量決定，并且間接受機(jī)組背壓、熱網(wǎng)循環(huán)水流量的影響。供熱時逐步降低熱網(wǎng)循環(huán)水流量，熱網(wǎng)循環(huán)水流量的降低將引起熱網(wǎng)循環(huán)水泵功耗的降低，因此分析機(jī)組在不同運行方式下低壓汽輪機(jī)發(fā)電功率時，扣除了熱網(wǎng)循環(huán)水流量的變化引起的循環(huán)水泵功耗的變化。不同運行方式下低壓汽輪機(jī)發(fā)電功率見表7，其中：階段A熱網(wǎng)循環(huán)水質(zhì)量流量為6 000～8 000 t/h，其他階段熱網(wǎng)循環(huán)水質(zhì)量流量為8 000～10 000 t/h，。

表7 不同運行方式下低壓汽輪機(jī)發(fā)電功率

在各供熱階段，低壓汽輪機(jī)發(fā)電功率隨熱網(wǎng)循環(huán)水流量的增加而增加。供熱階段A，額定背壓下低壓汽輪機(jī)發(fā)電功率在3 100 kW以上，熱網(wǎng)循環(huán)水質(zhì)量流量每增加1 000 t/h，低壓汽輪機(jī)發(fā)電功率增加約520 kW。其他供熱階段，低壓汽輪機(jī)發(fā)電功率高于供熱階段A，由于熱網(wǎng)回水溫度的升高，機(jī)組背壓不變，蒸汽噴射器動力蒸汽流量基本不變，供熱階段B到供熱階段D，低壓汽輪機(jī)發(fā)電功率變化不明顯。當(dāng)機(jī)組背壓提高至30 kPa時，供熱階段A與供熱階段B蒸汽噴射器動力蒸汽流量接近，因此低壓汽輪機(jī)發(fā)電功率相差不大。當(dāng)熱網(wǎng)循環(huán)水流量變小，乏汽利用率降低，蒸汽噴射器動力蒸汽流量也同步降低，低壓汽輪機(jī)發(fā)電量減少。與額定背壓情況類似，低壓汽輪機(jī)發(fā)電功率隨熱網(wǎng)循環(huán)水流量增加而增加，但由供熱階段B到供熱階段D，在相同熱網(wǎng)循環(huán)水流量下，低壓汽輪機(jī)發(fā)電功率變化不明顯。

2.3.3 不同運行方式下節(jié)能收益

蒸汽噴射器利用乏汽余熱進(jìn)而減少了供熱抽汽量，所探討的余熱利用的節(jié)能收益為減少供熱抽汽而節(jié)省的標(biāo)準(zhǔn)煤質(zhì)量(扣除了因低壓汽輪機(jī)發(fā)電減少供熱增加的煤耗量)，計算方法參考文獻(xiàn)[9]，低壓汽輪機(jī)余壓發(fā)電收益為增加的上網(wǎng)電量，標(biāo)準(zhǔn)煤單價取720元/t，供熱期為120 d(每個供熱階段取30 d)，電價為0.36元/(kW·h)。整個供熱期的余熱利用節(jié)煤效果及余壓余熱聯(lián)合利用收益見表8、表9。

表8 各運行方式下余熱利用節(jié)煤效果

表9 余壓余熱聯(lián)合利用收益

由表8可得：余熱利用節(jié)煤效果與乏汽的供熱量呈線性關(guān)系，即乏汽利用量越大，節(jié)煤量越大。因此，機(jī)組背壓至提高30 kPa時的節(jié)煤量遠(yuǎn)高于額定背壓下的節(jié)煤量。

供熱階段A，在最大循環(huán)水流量下運行時，提升背壓后與額定背壓下低壓汽輪機(jī)發(fā)電功率接近；供熱階段A，在其他熱網(wǎng)循環(huán)水流量運行時，低壓汽輪機(jī)發(fā)電功率均提高300 kW以上，余壓得到進(jìn)一步利用。

由表9可得：運行方式1機(jī)組余熱利用、余壓利用的收益均為最大值，分別為2 641.3萬元、505.1萬元。機(jī)組背壓為30 kPa時的運行方式的余熱利用收益是額定背壓運行方式余熱利用收益的2倍以上，并且其余壓利用收益比額定背壓運行方式的余壓利用收益高至少30萬元。因此，機(jī)組在運行時，應(yīng)優(yōu)先選擇提高背壓；相同供熱量下，應(yīng)優(yōu)先選擇提高熱網(wǎng)循環(huán)水流量，而不是提高熱網(wǎng)供水溫度。

3 結(jié)語

以600 MW純凝改供熱空冷機(jī)組為例，針對該類型機(jī)組余壓余熱浪費的現(xiàn)象，提出蒸汽噴射器與低壓汽輪機(jī)聯(lián)合利用的方案，以歷史運行數(shù)據(jù)為依據(jù)，確定了蒸汽噴射器和低壓汽輪機(jī)的邊界參數(shù)，并且對設(shè)備進(jìn)行選型。采用定流量法定量分析了機(jī)組在6種運行方式下熱耗率的變化情況，并且對不同運行方式的收益進(jìn)行分析，主要得到如下結(jié)論：

(1) 與打孔抽汽供熱相比，采用余壓余熱聯(lián)合利用后，機(jī)組的熱耗率明顯降低，并且機(jī)組背壓越高，熱耗率降低越多。

(2) 供熱期優(yōu)先采用增加熱網(wǎng)循環(huán)水流量保證供熱，有利于增加低品質(zhì)乏汽的利用量，減少供熱抽汽量，提高機(jī)組的余熱回收量，降低機(jī)組燃煤量。

(3) 低壓汽輪機(jī)發(fā)電量隨蒸汽噴射器的乏汽利用量變化，提高機(jī)組背壓可有效提高乏汽利用量，從而增加低壓汽輪機(jī)的發(fā)電量，降低廠用電率，增加上網(wǎng)電量。

(4) 機(jī)組獲得最佳收益的運行方式為30 kPa機(jī)組背壓、最大熱網(wǎng)循環(huán)水流量的運行方式。各電廠可以根據(jù)自身熱網(wǎng)系統(tǒng)能力，在保證安全的前提下選擇最優(yōu)運行方式。