徐在亮，丁瑞平，姜世春

(青島后海熱電有限公司膠南市供熱辦公室，山東青島266400)

0 引言

青島后海熱電有限公司現(xiàn)有3臺130 t/h次高壓蒸汽鍋爐、1臺170 t/h次高壓蒸汽鍋爐，1臺24 MW抽凝發(fā)電機組和1臺12 MW背壓發(fā)電機組。投產(chǎn)以來已替代小鍋爐42臺(鍋爐容量413.6 t/h)，主要承擔(dān)李滄城區(qū)供熱任務(wù)。供熱區(qū)域規(guī)劃總供暖面積達1 700萬m2。對鳳凰印染廠、青島橡膠六廠、青島啤酒集團四啤有限公司等15家單位實行了集中供蒸汽。生產(chǎn)蒸汽負荷80 t/h左右。對李村和滄口地區(qū)近600萬m2的建筑物實行了集中供暖。

凝汽式電廠的熱效率只能達到30%～40%，其它熱量白白損失掉了，而其中最大的損失就是凝汽器的冷源損失，約占總損失的60%。為提高能源利用率，降低小型汽輪機組的冷源損失，冬季供暖期可以將汽輪機組的冷源損失加以利用，即循環(huán)水所攜帶的熱量不是被排入大氣，而是被作為傳熱工質(zhì)將其攜帶的熱量輸送到千家萬戶，供采暖用戶取暖之用。這樣運行對電廠而言，既節(jié)能、又經(jīng)濟，還環(huán)保。我國從20世紀(jì)80年代起就開始利用該技術(shù)改造中低壓機組，已有數(shù)百臺凝汽(抽凝)式機組進行了改造。

面對我國日益嚴(yán)峻的能源和環(huán)境問題，如何提高我國量大面廣的中小熱電企業(yè)的能源利用效率和降低環(huán)境污染，已成為當(dāng)前熱電行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問題之一。汽輪機低真空循環(huán)水供熱其基本原理是降低凝汽器的真空，提高汽輪機的排汽溫度，將凝汽器的循環(huán)水直接為熱用戶供熱。提高熱電企業(yè)的運行熱效率，是實現(xiàn)節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的重要舉措。

1 項目改造內(nèi)容及工藝

項目主要采用1號機組低真空運行循環(huán)水供熱的供暖方式，改變原僅采用0.98 MPa的蒸汽經(jīng)過換熱器換熱的供暖方式，利用凝汽器的乏汽對采暖用戶供熱。主要改造內(nèi)容如下：

1.1 供熱首站建設(shè)

在電廠內(nèi)建設(shè)1號機組低真空運行循環(huán)水供熱首站。通過改造將1號機組凝汽器直接作為加熱采暖回水的設(shè)備，并建設(shè)與之配套的換熱器。其中2臺供熱循環(huán)泵采用汽輪機拖動。

1.2 管網(wǎng)建設(shè)

建設(shè)循環(huán)水高溫水供熱管網(wǎng)(一次網(wǎng))。根據(jù)循環(huán)水高溫混水供熱方式，改造現(xiàn)有的蒸汽管網(wǎng)和熱水管網(wǎng)，并敷設(shè)新增的熱水管網(wǎng)，管網(wǎng)采用閉式雙管制支狀管網(wǎng)，主干線最大管徑為DN1000。

1.3 換熱子站建設(shè)

建設(shè)循環(huán)水高溫混水供熱混水子站，子站內(nèi)低溫網(wǎng)(二次網(wǎng))循環(huán)泵電機采用交流變頻調(diào)速技術(shù)。

1.4 供熱監(jiān)控系統(tǒng)

建設(shè)機組低真空運行循環(huán)水高溫混水供熱控制系統(tǒng)。

1.5 主要工藝

項目實施改造后，在供暖期內(nèi)汽輪機的抽汽分為兩部分，一部分用于工業(yè)用戶和循環(huán)水供熱首站用汽。在非供暖期，汽輪發(fā)電機組的運行方式和未改造前相同。

項目實施前1號抽凝式機組做完功后產(chǎn)生的乏汽在凝汽器內(nèi)與循環(huán)水進行熱交換后，循環(huán)水吸收的熱量通過冷卻塔散失在空氣中，大量乏汽余熱被浪費，存在較大的冷源損失。

項目首先將45℃～50℃采暖熱網(wǎng)回水經(jīng)過1號汽輪機凝汽器使其加熱到60℃～65℃左右，然后利用熱網(wǎng)泵加壓，經(jīng)過換熱器溫度升高到70℃～120℃(根據(jù)室外溫度進行調(diào)整)，通過高溫供熱管網(wǎng)輸送到各熱力站。在熱力站內(nèi)設(shè)置了混水泵，用混水泵抽二次網(wǎng)的部分回水，與高溫循環(huán)水混合成采暖所需的溫度后輸送到用戶，另外一部分回水回到凝汽器內(nèi)加熱，形成一個循環(huán)。

因為二次網(wǎng)換熱站采用混水工藝，高溫水網(wǎng)(一次網(wǎng))的回水溫度與低溫水網(wǎng)(二次網(wǎng))的回水溫度相同，確保了機組凝汽器安全經(jīng)濟運行。

2 項目改造方案

汽輪機低真空循環(huán)水供熱是在節(jié)能和環(huán)保要求而發(fā)展起來的一項節(jié)能技術(shù)。其基本原理是在發(fā)電過程中，凝汽器真空度降低，相應(yīng)的排汽壓力和排汽溫度隨之升高，可將凝汽器循環(huán)水溫度提高到50℃～65℃左右。將循環(huán)水直接作為采暖用水為熱用戶供熱，從而實現(xiàn)汽輪機低真空循環(huán)水供暖的目的。圖1為汽輪機低真空循環(huán)水供暖的簡單的系統(tǒng)圖。圖2為凝汽運行和低真空運行時的溫熵圖。其效益可從圖中看得更為清楚。

圖1 汽車機低真空循環(huán)水供暖系統(tǒng)示意圖

由圖1可以看出，汽輪機改為低真空供熱后，熱用戶實際上就成為熱電廠的“冷卻塔”，汽輪機的排汽余熱可以得到有效利用，避免了冷源損失，大大提高了熱電廠能源的綜合利用率。

圖2 凝汽運行和低真空運行時的溫熵圖

如圖2所示，汽輪機在純凝汽式發(fā)電時，面積1-2-3-5-6-1為蒸汽在汽輪機中做功的焓，面積2-7-9-3-2-為排出廢汽的焓;改造為低真空循環(huán)水供熱后，面積1-2b-3b-5-6-1為蒸汽做功的焓，面積2b-7-8-3b-2b為用于供暖的熱量。顯然，汽輪機低真空循環(huán)水供暖的經(jīng)濟效益比純凝汽發(fā)電時要高。該系統(tǒng)的優(yōu)點是由于泛汽的余熱全部被利用，消除了凝汽器中損失的占總熱量損失的60%-70%的冷源損失，因此熱效率高。由于排汽壓力升高，初參數(shù)不變，則機組的焓降減小，致使汽輪機發(fā)電功率下降，一般功率下降為額定功率的10%～20%。但低真空運行供暖機組的排汽壓力僅為 0.03 MPa～0.04 MPa，處于真空狀態(tài)。比其他形式的抽汽供熱機組影響發(fā)電功率要少。從熱化發(fā)電來衡量，低真空運行循環(huán)水供熱發(fā)電量最大。

2.1 循環(huán)水供熱方案的確定

1號機組低真空運行循環(huán)水供熱方案采用循環(huán)水供熱高溫循環(huán)水混水供熱方案。高溫循環(huán)水混水供熱系統(tǒng)的原理同低溫循環(huán)水供熱系統(tǒng)類似。首先將40℃～50℃熱網(wǎng)回水經(jīng)過抽汽凝汽機組的凝汽器(低真空運行)，使其加熱到55℃-65℃左右，然后用熱網(wǎng)泵加壓，經(jīng)過汽水加熱器，溫度可升至80℃～120℃，然后輸送到各熱力站。在熱力站內(nèi)設(shè)置了混水泵，用混水泵抽熱網(wǎng)的部分回水(40℃～50℃)，與高溫循環(huán)水混合成采暖所需要的溫度后輸送到用戶，另一部分回水回到凝汽器內(nèi)加熱，形成一個循環(huán)。

該系統(tǒng)除保留了低溫循環(huán)水供熱系統(tǒng)的優(yōu)點外，還增加了供回水溫差，最大可達75℃，增加了供回水溫差，最大可達75℃，增加了管網(wǎng)供熱能力達5倍左右，使得管網(wǎng)投資效益最大化。使供水溫度從常規(guī)的循環(huán)水供熱出口溫度65℃提高到最高可達到120℃。

在電廠內(nèi)建設(shè)機組低真空運行循環(huán)水供熱網(wǎng)總站。建設(shè)與之配套的換熱器。其中2臺供熱循環(huán)泵采用汽力拖動。

由于凝汽器循環(huán)流量需保持在一定流量范圍(4 500～5 500 t/h)、低真空循環(huán)水供熱的供熱量要將凝汽器凝汽熱量帶走方可正常運行?，F(xiàn)青島后海熱電有限公司供暖面積為600萬m2，完全可滿足凝汽器循環(huán)水供熱系統(tǒng)冷卻凝汽熱量的需求。嚴(yán)寒期可通過換熱器加熱，提高供水溫度來滿足供暖需要。

2.2 熱力系統(tǒng)

低真空運行循環(huán)水供熱系統(tǒng)如下圖所示。

從上圖可知，機組的原有循環(huán)水系統(tǒng)不用做大的改動(非采暖工況運行)，只是在凝汽器入口管及出口管上接入循環(huán)水供熱系統(tǒng)。

循環(huán)水供暖系統(tǒng)包括熱網(wǎng)循環(huán)水泵、換熱器、供水管道、熱用戶、采暖回水管道、除污器、凝汽器，以及補水管道和軟化水系統(tǒng)。

供熱時將機組凝汽器原冷卻系統(tǒng)切斷，開啟供熱循環(huán)泵。在采暖用戶放熱冷卻后循環(huán)水(40℃～50℃)進入冷凝器，吸收汽輪機乏汽熱量，經(jīng)換熱器加熱后送至采暖用戶。

熱網(wǎng)循環(huán)水泵出入口之間裝設(shè)了再循環(huán)管，作為啟動時再循環(huán)用。熱網(wǎng)循環(huán)水泵出入口之間裝設(shè)了止回閥聯(lián)通管路，以防止發(fā)生事故時產(chǎn)生水錘。

熱網(wǎng)循環(huán)水泵裝在凝汽器出口管側(cè)，使凝汽器不承受較高的壓力，凝汽器所承受的是0.5 MPa左右的回水壓力，機組按額定工況運行時凝汽器所承受的循環(huán)水泵出口壓力為0.2 MPa左右，對凝汽器進行了加固，使得能夠承受0.6兆帕的壓力。

為了進一步保證系統(tǒng)安全，防止凝汽器超壓，在循環(huán)水泵入口母管上裝設(shè)了安全閥，當(dāng)回水壓力達到0.55 MPa時(可根據(jù)具體運行情況進行調(diào)整)安全閥排放，同時取自回水母管上的壓力信號自動開啟通往水塔的電動閥門，向水塔放泄。

系統(tǒng)采用補水定壓，定壓點為凝汽器入口循環(huán)水回水管道，系統(tǒng)補水量按供水量的2%考慮。

為了防止熱用戶暖氣片和凝汽器鋼管結(jié)垢，影響傳熱效果。補水采用換熱器凝結(jié)水和反滲透產(chǎn)水。

2.3 1號機組低真空運行循環(huán)水供熱網(wǎng)總站主要設(shè)備

(1)1號汽輪機凝汽器

C24-4.9/0.981型汽輪機凝汽器 (汽輪機組相關(guān)設(shè)計參數(shù)詳見表1)進行技改后，冬季供暖期間投入循環(huán)水供居民采暖，采暖期間，機組主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表1 汽輪機組相關(guān)設(shè)計參數(shù)

表2 汽輪機組循環(huán)水供暖運行時主要技術(shù)參數(shù)

(2)尖峰加熱器

尖峰加熱器考慮凝汽器故障和嚴(yán)寒期供熱需求，換熱器換熱總供熱能力為250 MW。由于循環(huán)水溫度較低，汽水換熱器凝結(jié)水溫度較低，采用一級換熱，換熱器共設(shè)置三臺波節(jié)管換熱器，可根據(jù)供熱負荷發(fā)展情況分期設(shè)置。其中兩臺為汽-水換熱波節(jié)管換熱器，利用汽輪機抽汽進行換熱;另一臺汽-水換熱波節(jié)管換熱器利用拖動循環(huán)水泵的汽輪機尾汽進行換熱。

(3)水泵及動力設(shè)備

考慮凝汽器運行工況，系統(tǒng)設(shè)計循環(huán)流量為5 000 m3/h，根據(jù)水泵參數(shù)，并聯(lián)設(shè)置三臺循環(huán)水泵，兩運一備?；ハ嗦?lián)鎖，保證熱網(wǎng)正常運行。

①循環(huán)水泵選型

根據(jù)循環(huán)水泵要求達到的流量、揚程。項目單級雙吸中開蝸殼式水泵三臺，流量2 400t/h，揚程140 m，轉(zhuǎn)速 3 000轉(zhuǎn)/分鐘，額定軸功率1 400 kW。其中兩臺水泵采用汽輪機拖動，一臺采用電機拖動。循環(huán)水供熱時可根據(jù)供熱負荷采用一臺電泵、一臺汽泵運行，一臺汽泵備用，或兩臺汽泵運行，一臺電泵備用，汽泵排汽引入換熱器換熱。

②汽輪機選型

本項目選用了兩臺1 600 kW工業(yè)汽輪機直接拖動兩臺循環(huán)水泵作為循環(huán)動力。汽輪機采用單層布置，占地小，安裝使用方便。汽輪機的排汽(背壓蒸汽)經(jīng)管道引向換熱器加熱熱網(wǎng)回水，使得余熱得到充分利用。該機組的調(diào)速系統(tǒng)由汽輪機廠家配套，通過調(diào)節(jié)汽輪機汽閥連桿改變調(diào)節(jié)汽閥開度以達到調(diào)速目的，適合較寬的調(diào)速范圍。

設(shè)計參數(shù)：

進口蒸汽壓力0.98 MPa，溫度270℃，出口壓力 0.15 MPa。

額定轉(zhuǎn)速 v=3 000 r/min，額定功率 P=1 600 kW。

額定參數(shù)下耗汽量≈30 t/h。

③補水定壓泵

機組地面標(biāo)高約為5 m，根據(jù)后海熱電供熱管網(wǎng)設(shè)計，供熱范圍內(nèi)地勢最高的樓座地面標(biāo)高約為55 m。

由于本項目中循環(huán)水網(wǎng)直接供采暖用戶，循環(huán)水量較大。因此本項目補水泵采用三臺泵并聯(lián)運行，流量為150 t/h，變頻控制。

④除污器

為便于連續(xù)排污，除污器根據(jù)管徑大小選擇DN1000過濾排污器，根據(jù)除污器前后壓差，排污。除污器公稱壓力1.6 MPa，能除去大于或等于3.0 mm的微粒。濾網(wǎng)材質(zhì)為不銹鋼帶有龍骨加強。除污器前后裝有檢查堵塞情況的壓力表，裝有沖泄閥。

3 建設(shè)循環(huán)水高溫混水供熱管網(wǎng)

3.1 管網(wǎng)形式

根據(jù)《城市熱力網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》CJJ34-2002，確定循環(huán)水高溫混水供熱管網(wǎng)采用閉式雙管制支狀管網(wǎng)。

3.2 管網(wǎng)及敷設(shè)方式

主管道(DN1000)，穿越鐵路至四流中路，循環(huán)水高溫混水供熱管網(wǎng)原則上對直管段采用無補償冷安裝直埋敷設(shè)，以提高施工方便程度，減少管網(wǎng)投資，加快施工進度;對彎頭、三通等薄弱部件采用局部的有補償方法，以避免破壞產(chǎn)生。當(dāng)直管段達不到無補償冷安裝直埋敷設(shè)條件時，設(shè)置自然補償或采用直埋軸向內(nèi)壓型波紋補償器作為熱補償。

3.3 井室設(shè)置

管道在分支處設(shè)分支井;每隔1 000-1 500 m設(shè)分段閥門井;在最高點設(shè)放氣井;在最低點設(shè)泄水井。

3.4 管材

管網(wǎng)工作壓力PN＜1.6 MPa，其管網(wǎng)設(shè)備及附件除指明外均采用耐壓1.6 MPa的產(chǎn)品，耐溫130℃。管道公稱直徑DN≥250管道采用螺旋縫電焊鋼管《GB30902-82》，材質(zhì)為Q235-A鋼;管道公稱直徑DN≤200管道采用無縫鋼管《GB8163-87》，材質(zhì)為20號鋼。

3.5 管道附件

分支閥、分段閥均采用多偏心金屬硬密封蝶閥，采用蝸輪傳動方式。管網(wǎng)上的泄水閥、放氣閥均采用截止閥。管道的彎頭(PN=1.6 MPa)、三通(PN=1.6 MPa)、變徑管采用均采用標(biāo)準(zhǔn)成品件，彎頭彎曲半徑一般為1.5DN，補償彎頭采用3.0DN，三通采用加強焊制三通。

4 建設(shè)循環(huán)水高溫混水供熱混水子站

混水泵站就是將來自熱網(wǎng)供水管的高溫水，在熱力站與混合水泵抽引的供暖系統(tǒng)回水相混合，降低溫度后，再進入供暖系統(tǒng)。原二次網(wǎng)及戶內(nèi)采暖系統(tǒng)不須進行改造。換熱站改為混水站。一次網(wǎng)的回水溫度與二次網(wǎng)的回水溫度相同，保證機組凝汽器的進水溫度較低。

4.1 高溫混水供熱混水子站三種供熱方式

①二次網(wǎng)回水管上裝水泵的直接連接

當(dāng)熱網(wǎng)供水壓力高于二次網(wǎng)設(shè)計壓力時，應(yīng)將二次網(wǎng)循環(huán)泵放在二次網(wǎng)回水管;減壓閥、溫度控制閥放在一次網(wǎng)供水管，一次網(wǎng)循環(huán)泵放在一次網(wǎng)回水管。

②二次網(wǎng)供水管上裝水泵的直接連接

當(dāng)熱網(wǎng)供水壓力低于二次網(wǎng)設(shè)計壓力時，應(yīng)將二次網(wǎng)循環(huán)泵放在二次網(wǎng)供水管;減壓閥、溫度控制閥放在一次網(wǎng)回水管。

③跨越管上裝水泵的直接連接

當(dāng)熱網(wǎng)供水壓力略大于二次網(wǎng)設(shè)計壓力時，應(yīng)將二次網(wǎng)循環(huán)泵放在二次網(wǎng)供水管;差壓平衡閥、溫度控制閥放在一次網(wǎng)供水管。

混水具體型式根據(jù)一次網(wǎng)的壓力區(qū)域以及熱力站與主管道分支開口處的相對地勢高差來選擇。

4.2 循環(huán)水高溫混水子站二次網(wǎng)循環(huán)泵電機采用交流變頻調(diào)速技術(shù)

交流變頻調(diào)速已成為一種發(fā)展較為成熟的技術(shù)，作為電機系統(tǒng)節(jié)能的主要組成部分。交流變頻調(diào)速傳動具有以下特點：可以使普通異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)速;啟動電流小，減少電源設(shè)備容量;啟動平滑，消除機械的沖擊力，保護機械設(shè)備;對電機具有保護功能，降低電機的維修費用，具有顯著的節(jié)電效果。

5 建設(shè)循環(huán)水高溫混水供熱監(jiān)控系統(tǒng)

建設(shè)循環(huán)水高溫混水供熱監(jiān)控系統(tǒng)，按室外溫度的變化自動調(diào)整二次網(wǎng)的供水溫度?？刂聘邷鼗焖W(wǎng)供水溫度和流量，實現(xiàn)供熱系統(tǒng)經(jīng)濟運行和無人值守。可實現(xiàn)優(yōu)化運行參數(shù)降低能源消耗、提高企業(yè)能源利用水平。

6 節(jié)約資源量

6.1 節(jié)能量

2011～2012 年供暖期凝汽器低真空運行循環(huán)水供熱量為737 591吉焦，折標(biāo)煤25 167 t。

6.2 節(jié)水量

項目投運后，在供暖期1號汽輪機組的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)停止運行，每小時節(jié)約冷卻塔蒸發(fā)、風(fēng)吹、排污用水約90 m3/h，2011～2012年供暖期共節(jié)約水量約30萬m3。

7 結(jié)束語

低真空循環(huán)水高溫水網(wǎng)混水供暖系統(tǒng)，不僅利用汽輪機乏汽余熱供暖，同時有效的提高了供熱管網(wǎng)的供熱能力。該系統(tǒng)除保留了低溫循環(huán)水供熱系統(tǒng)的優(yōu)點外，還使機組運行平穩(wěn)，使得循環(huán)水供暖系統(tǒng)對系統(tǒng)發(fā)電供熱均無影響。增加了供回水溫差，最大可達75℃，使得常規(guī)低溫網(wǎng)的投資被有效利用，降低了運行費用。該項目實現(xiàn)機組低真空運行，循環(huán)水高溫網(wǎng)大流量、大溫差的運行方式，管網(wǎng)投資被有效利用，與低真空循環(huán)水低溫網(wǎng)供暖系統(tǒng)比較增加了管網(wǎng)供熱能力達5倍左右，使得管網(wǎng)投資效益最大化。

項目有效的將汽輪機乏汽余熱用于對外供暖，使得機組循環(huán)水所攜帶的熱量在供暖期不再白白排放到大氣中浪費掉，而是被作為傳熱工質(zhì)將其攜帶的熱量輸送到千家萬戶，有效提高了能源的綜合利用效率，節(jié)約了不可再生的煤炭資源，符合我國節(jié)約能源政策的要求。

［1］ 康松.汽輪機原理，中國電力出版社.

［2］ 賀平，孫剛.供熱工程，中國建筑工業(yè)出版社.

［3］ 時杉杉，姜雪松，傅靈玲，等.地源熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)的變頻改造［J］.森林工程，2008，24(6)：25-28.

［4］ 火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)程，DL5000-2000.

［5］ 企業(yè)節(jié)能量計算方法，(GB/T 13234—91).

［6］ 城市熱力網(wǎng)設(shè)計規(guī)范，(CJJ34—2002).