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        基于蒸汽噴射式熱泵的火電廠除氧器乏汽回收系統(tǒng)熱經(jīng)濟性分析

        2013-06-25 06:52:42陳海平于鑫瑋魯光武張學(xué)鐳
        動力工程學(xué)報 2013年5期
        關(guān)鍵詞:除氧器煤耗抽汽

        陳海平,于鑫瑋,魯光武,高 沛,張學(xué)鐳

        (1.華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院 國家火力發(fā)電工程技術(shù)研究中心,北京102206;2.華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院,保定071003)

        近年來,為了實現(xiàn)火電廠深層次的節(jié)能要求,除氧器的排汽余熱利用日益受到重視.一般,除氧器排出的蒸汽是除氧器用汽量的5%左右,其排汽溫度約為180℃[1].若除氧器的排汽直接進入大氣,既浪費工質(zhì),又損失熱量;同時,對于建在市區(qū)的火電廠,除氧器的排汽還會導(dǎo)致噪聲污染和機房頂蒸汽繚繞(俗稱“冒白龍”),除氧器的排汽產(chǎn)生的噪聲高達125dB[2],對周邊的環(huán)境影響極大.目前,應(yīng)用較多的是將除氧器的排汽引入凝汽器進行回收,某火電廠600 MW 超臨界機組即采用此種方式.雖然這種方式可以有效回收工質(zhì),但是除氧器排汽的熱能卻未能得到有效利用,且增加了凝汽器的熱負荷,進而影響其真空度.

        除氧器排汽造成了大量工質(zhì)損失以及熱能的浪費,進而使除氧器的補水量激增,導(dǎo)致除鹽水制水成本增加.若能回收這部分排汽,則節(jié)能效果較為顯著.近幾年發(fā)展起來的噴射式熱泵技術(shù)在除氧器乏汽回收方面取得了較好的效果.根據(jù)驅(qū)動介質(zhì)的不同,噴射式熱泵技術(shù)可以分為射液式和射汽式2種,均能很好地回收除氧器中的乏汽,從而得到出口壓力較為穩(wěn)定的中溫、中壓蒸汽以用于廠用輔助蒸汽或工業(yè)用汽,從而減少采用高壓蒸汽通過節(jié)流降壓而造成高品位汽源的浪費.本文通過蒸汽噴射式熱泵將除氧器乏汽直接回收到低壓加熱器,系統(tǒng)簡單可靠,且易于維修管理.筆者以某火電廠600 MW機組為例,對噴射式熱泵技術(shù)的應(yīng)用進行研究,以期為除氧器乏汽的高效再利用以及電廠的節(jié)能降耗提供科學(xué)依據(jù).

        1 除氧器的乏汽回收系統(tǒng)

        以N600-24.2/566/566型燃煤火電機組為例,對除氧器乏汽的回收進行了研究與分析,機組的熱力系統(tǒng)及其除氧器乏汽回收系統(tǒng)的工藝流程見圖1.額定(THA)工況下的主蒸汽、給水以及排汽參數(shù)見表1,回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)汽水參數(shù)見表2.除氧器的乏汽回收系統(tǒng)主要由蒸汽噴射式熱泵、除氧器自動排氧裝置、回收蒸汽壓力自動控制裝置、熱泵驅(qū)動蒸汽調(diào)節(jié)閥、測溫裝置、壓力變送器以及流量測量裝置等組成.

        圖1 乏汽回收系統(tǒng)的工藝流程示意圖Fig.1 Flow diagram of the recovery exhaust steam heating system

        表1 額定工況下的機組參數(shù)Tab.1 Parameters of the unit under rated conditions

        依據(jù)表2中的數(shù)據(jù),在額定工況下,機組循環(huán)吸熱量Q0、主蒸汽等效焓降H0以及第1~第4段抽汽系數(shù)的計算結(jié)果分別為:

        表2 回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)的汽水參數(shù)Tab.2 Parameters of steam and water in the regenerative heating system

        式中:αzr為再熱蒸汽份額;Π 為各種附加成分引起的做功損失.

        第1~第4段抽汽系數(shù)α1、α2、α3和α4分別為:

        除氧器的乏汽份額按除氧器用汽量的5%計算,αfq=5%α4=0.002 59,除氧器的排汽壓力為0.03 MPa,焓hfq=2 624kJ/kg.

        在額定負荷下,除氧器的乏汽流量Dfq=4.3 t/h,根據(jù)以下能量守恒方程計算得到.

        式中:Dqd為驅(qū)動蒸汽或再熱冷段蒸汽進入蒸汽噴射式熱泵的流量,取10t/h(驅(qū)動蒸汽壓力為2.5 MPa、蒸汽溫度為320 ℃時,10t/h的流量便能驅(qū)動蒸汽噴射式熱泵);hqd為驅(qū)動蒸汽焓,kJ/kg;Dfq為除氧器的乏汽流量,t/h;hfq為除氧器的乏汽焓,kJ/kg;hex為蒸汽噴射式熱泵出口蒸汽焓,kJ/kg;(Dqd+Dfq)為蒸汽噴射式熱泵出口蒸汽流量,t/h.

        經(jīng)計算,可得到蒸汽噴射式熱泵出口蒸汽焓hex為2 870kJ/kg,出口蒸汽流量為14.3t/h.經(jīng)過蒸汽噴射式熱泵后的出口混合蒸汽壓力達到0.9 MPa,出口蒸汽溫度為230 ℃,出口蒸汽的份額αex為0.008 60,驅(qū)動蒸汽的份額αqd為0.006 01.

        2 蒸汽噴射式熱泵

        2.1 工作原理和結(jié)構(gòu)

        蒸汽噴射式熱泵即蒸汽噴射壓縮器,是一種以高壓蒸汽為動力,不消耗機械能或電能,提高低壓蒸汽參數(shù)和質(zhì)量,并將低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱能進而使低壓蒸汽回收和再次利用的節(jié)能設(shè)備.圖2給出了蒸汽噴射式熱泵結(jié)構(gòu)示意圖.從圖2可知,蒸汽噴射式熱泵由噴嘴、接受室、混合室和擴壓室4部分組成.驅(qū)動蒸汽以很高的速度從噴嘴噴出,進入接受室把低壓吸入蒸汽吸走,驅(qū)動蒸汽的一部分動能傳給低壓吸入蒸汽,并與低壓吸入蒸汽一同進入混合室進行充分混合,經(jīng)過混合的蒸汽進入擴壓室,壓力升高,在到達擴壓室出口時形成一定壓力的壓縮蒸汽,出口蒸汽壓力較為穩(wěn)定[3].

        圖2 蒸汽噴射式熱泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of the steam ejector heat pump

        2.2 優(yōu)點

        采用蒸汽噴射式熱泵對除氧器乏汽回收系統(tǒng)的乏汽進行回收具有以下優(yōu)點:(1)蒸汽噴射式熱泵結(jié)構(gòu)簡單且無轉(zhuǎn)動部件,因而其壽命長、運行可靠.(2)操作方便且維修容易,可以自動調(diào)節(jié),并能保持出口壓力穩(wěn)定.(3)采用蒸汽噴射式熱泵不消耗電能和機械能,因而節(jié)能顯著.(4)安裝方便,既可以水平安裝又可以垂直安裝,并且與管路的連接均為法蘭連接,因此拆卸十分方便.(5)由于液位控制穩(wěn)定,因而管道內(nèi)的汽蝕和振動大為減少.

        2.3 主要性能指標(biāo)及參數(shù)

        蒸汽噴射式熱泵的性能指標(biāo)是引射系數(shù)μ,其計算公式為

        式中:Dfq為吸入蒸汽的流量,t/h;Dqd為驅(qū)動蒸汽的流量,t/h.

        引射系數(shù)的數(shù)值與蒸汽噴射式熱泵的主要參數(shù)有關(guān)[4-5].蒸汽噴射式熱泵的主要參數(shù)[6]包括膨脹比pp/ph和壓縮比pc/ph,其中pp為驅(qū)動蒸汽壓力,ph為吸入蒸汽壓力,pc為混合蒸汽壓力.

        3 乏汽回收系統(tǒng)的能耗特性分析

        3.1 乏汽回收系統(tǒng)運行能耗計算模型的構(gòu)建

        3.1.1 改造前系統(tǒng)的能耗分析

        除氧器的乏汽直接排到空氣中既浪費了工質(zhì)又浪費了熱量.對于600 MW 超臨界機組,按除氧器排汽量4.3t/h、年滿負荷運行5 500h計算,每年浪費工質(zhì)23 650t,相當(dāng)于消耗2 120t標(biāo)準(zhǔn)煤,即平均每度電多消耗標(biāo)準(zhǔn)煤0.64g.由此可見,對除氧器乏汽回收再利用的節(jié)能潛力很大.

        乏汽回收系統(tǒng)改造前,原方案是將除氧器的乏汽排到凝汽器,雖然工質(zhì)已被再利用,但是其熱量卻未能得到有效利用.由于回收工質(zhì)并未改變加熱器中主凝結(jié)水的流量,因此其做功損失可以看成有工質(zhì)攜帶的熱量排出系統(tǒng),可按等效熱降應(yīng)用法則進行計算:

        因此,原方案的主蒸汽凈等效焓降為:

        3.1.2 改造后系統(tǒng)的能耗分析

        采用等效焓降法[7-8]建立除氧器乏汽回收系統(tǒng)運行能耗的分析與計算模型.

        蒸汽噴射式熱泵出口的蒸汽依次排到第5段的抽汽(方案4)、排到第6段的抽汽(方案3)、排到第7段的抽汽(方案2)以及排到第8段的抽汽(方案1).

        再熱冷段蒸汽出系統(tǒng)屬于蒸汽攜帶熱量出系統(tǒng),其做功損失為αqd(hqd-hc+σ);蒸汽攜帶熱量進入系統(tǒng)的一部分為純熱量αex(hex-hi),另一部分為帶工質(zhì)的熱量αexhex.由于純熱量被利用到抽汽效率為的能級上,因而所做的功為αex(hex-hi)η0i,被頂替的i段抽汽返回汽輪機做的功為αex(hi-hc).由此可見,蒸汽攜帶熱量的全部做功為上述2部分的代數(shù)和:

        循環(huán)吸熱量變化值為:

        因此,系統(tǒng)改造后蒸汽的等效焓降為:

        3.2 乏汽回收系統(tǒng)的運行能耗熱經(jīng)濟性指標(biāo)

        改造后,汽輪機的絕對內(nèi)效率為:

        汽輪機絕對內(nèi)效率的相對提高值為:

        式中:η0為原方案汽輪機的絕對內(nèi)效率.

        電廠的供電熱效率為:

        式中:ηb為鍋爐效率,ηb=93%;ηp為管道效率,ηp=99%;ηm為汽輪機機械效率,ηm=98.5%;ηg為發(fā)電機效率,ηg=99%;ξnp為廠用電率,ξnp=7%.

        全廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率為:

        全廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率相對增加值為:

        式中:Δbscp為全廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率絕對增加值.

        3.3 回收系統(tǒng)的運行能耗熱經(jīng)濟性分析結(jié)果

        表3列出了回收系統(tǒng)改造前后各個方案的熱經(jīng)濟性指標(biāo).從表3可以看出:與原方案相比,方案4每發(fā)1度電將節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤0.30g,節(jié)能效果比較顯著,而其他3 個方案的節(jié)能效果均不如原方案.但是,考慮到回收系統(tǒng)的實際運行工況,由于除氧器的乏汽回收系統(tǒng)難免有漏汽等損失,因此必須考慮其回收率λ,一般最低的回收率能達到50%,因此回收系統(tǒng)經(jīng)改造后,各個方案的新蒸汽等效焓降增加值計算公式為:

        表4給出了回收系統(tǒng)改造后不同乏汽回收率下各個方案的熱經(jīng)濟性指標(biāo).

        從表3和表4可以看出:方案1、方案2以及方案3的熱經(jīng)濟性均不如原方案好,蒸汽噴射式熱泵的出口蒸汽為較高參數(shù)的蒸汽,與較低參數(shù)的第8段、第7段和第6段抽汽來加熱凝結(jié)水,屬于“大馬拉小車”.在方案4(即熱泵出口蒸汽進入第5段抽汽)下,當(dāng)除氧器的乏汽回收率為50%時,每發(fā)1度電可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤0.12g,如果乏汽能夠得到全部回收,則每發(fā)1度電節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤的最大理論值可達到0.3g.除氧器乏汽回收系統(tǒng)經(jīng)改造后(方案4)的乏汽回收率每增加10%,電廠的平均供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率降低0.04g/(kW·h).因此,除氧器乏汽的高效回收有利于節(jié)能降耗.

        表3 回收系統(tǒng)改造前后各個方案的熱經(jīng)濟性指標(biāo)Tab.3 Thermo-economic index of each scheme before and after system retrofit

        表4 系統(tǒng)改造后不同乏汽回收率下各個方案的熱經(jīng)濟性指標(biāo)Tab.4 Thermo-economic index of each scheme at different exhaust steam recovery rates after system retrofit

        由回收系統(tǒng)改造后采用不同方案和不同乏汽回收率下的δηi 和δbscp數(shù)據(jù)(見表4)可以得到汽輪機絕對內(nèi)效率相對提高值和供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率相對增加值與乏汽回收率λ之間的關(guān)系(見圖3和圖4).

        圖3 采用不同方案時汽輪機絕對內(nèi)效率相對提高值與λ之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between relative increment of cycle efficiency andλfor different schemes

        圖4 不同方案供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的相對增加值與λ之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between relative increment of coal consumption rate andλfor different schemes

        從圖3和圖4可以看出:方案4比其他3種方案的循環(huán)熱效率相對增加值都高,而其供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率相對增加值比其他3種方案的小,并且方案4在乏汽回收率超過50%時,供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率相對增加值為負,即方案4的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率小于原方案;而且可以明顯地看到,隨著乏汽回收率的增加,循環(huán)熱效率相對增加值增大,供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率相對增加值減小.因此,可以得出:乏汽回收系統(tǒng)的密封程度直接關(guān)系到回?zé)嵯到y(tǒng)的熱經(jīng)濟性,在改造時應(yīng)盡量讓系統(tǒng)的密封程度達到最佳,以減少漏汽損失,從而使乏汽得到高效回收,提高整個熱力系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性,減小煤耗,同時也有利于環(huán)境保護,真正達到既節(jié)能又減排的雙重效果.

        4 結(jié) 論

        (1)除氧器乏汽回收系統(tǒng)改造方案4(除氧器乏汽通過蒸汽噴射式熱泵回收到5號低壓加熱器內(nèi))的節(jié)能效果最顯著,在保證除氧器乏汽回收率高于50%時,其節(jié)能效果優(yōu)于原方案,每發(fā)1度電比原方案節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤0.3g(最大理論值),按機組年運行5 500h計算,每年可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤990t.

        (2)由于除氧器距離5號低壓加熱器較近,因此布置管道較短,不僅節(jié)省了管道材料,而且管道熱損失也較少.

        (3)通過蒸汽噴射式熱泵將除氧器乏汽回收到5號低壓加熱器中,能夠降低除鹽水制水成本和煤耗,但同時也對除氧器乏汽回收系統(tǒng)的密封性提出了更高要求.

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