李強

（山東鋼鐵集團萊蕪分公司能源動力廠，山東萊蕪271126）

熱電

循環(huán)水采暖技術(shù)高效利用前景及展望

李強

（山東鋼鐵集團萊蕪分公司能源動力廠，山東萊蕪271126）

通過對循環(huán)水采暖系統(tǒng)的理論分析，結(jié)合對汽輪發(fā)電機組的適應性改造，滿足能源優(yōu)質(zhì)優(yōu)用及冬季供暖的需要，并分析了循環(huán)水供熱系統(tǒng)的優(yōu)缺點，提出了改造措施建議。

循環(huán)水;采暖;凝汽器;能源利用

1 前言

萊鋼生活供暖小區(qū)目前主要是采用蒸汽換熱采暖的方式，部分相對偏遠的小區(qū)仍然采用熱水鍋爐采暖。隨著近幾年采暖面積的增加及人們生活水平的不斷提高，能源供應日趨緊張，目前的采暖方式遠遠不能滿足冬季采暖不斷增長的需要。從能源充分利用的角度，應從進一步提高現(xiàn)有能源的利用效率著手，提高供暖質(zhì)量及滿足當前供暖面積不斷增加的需要。采用汽輪機循環(huán)水采暖是解決這一問題的理想選擇。

2 汽輪機循環(huán)水采暖的工作原理及意義

2.1 工作原理

將汽輪發(fā)電機組的凝汽器及循環(huán)水系統(tǒng)進行適當改造，提高機組的排汽壓力，即降低真空度運行。使凝汽器汽側(cè)絕對壓力至0.038 MPa左右,排汽溫度達76℃，經(jīng)過換熱后使凝汽器的循環(huán)冷卻水出水溫度可升高至70℃，經(jīng)供熱管網(wǎng)循環(huán)水泵供熱用戶采暖，回水經(jīng)過過濾器再進入凝汽器，進行汽輪發(fā)電機組的循環(huán)冷卻。抽汽機組與循環(huán)水供熱系統(tǒng)的比較見圖1、圖2。

圖1 裝有一級調(diào)節(jié)抽汽的機組

圖2 汽輪發(fā)電機循環(huán)水余熱采暖示意圖

2.2 意義

2.2.1 充分利用汽輪機乏汽中的熱量，來滿足冬季生活采暖的需要，同時提高了機組的循環(huán)熱效率。循環(huán)冷卻水吸收了乏汽的熱量，不通過冷水塔散向大氣而全部供熱用戶，避免了巨大的冷源損失，大幅度提高了機組的絕對熱效率。

2.2.2 實現(xiàn)了用較低品味的熱能，來滿足低品位的采暖需求，符合能源梯級利用的要求，提高了能源利用效率。循環(huán)水采暖替代了原來大量較高品位的0.8 MPa、270℃的工業(yè)抽汽，減少了因抽汽供熱用戶后凝結(jié)水無法回收的工質(zhì)損耗，節(jié)省的抽汽可用于增加發(fā)電負荷，提高了能源的充分利用。

2.2.3 在不增加熱源的條件下，可以大幅增加采暖面積，同時可以替代現(xiàn)有的采暖鍋爐，減少燃煤造成的環(huán)境污染，有較好的環(huán)保效益及社會效益。

2.2.4 提高了熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。

2.2.5 投資少，見效快。不需要大規(guī)模投資，只要對汽輪機循環(huán)水系統(tǒng)進行局部的改造，滿足安全運行的需要，即可實現(xiàn)發(fā)電、供熱兩不誤的需要。

3 實施方案

3.1 提高汽輪機排氣壓力至0.038～0.045 MPa，使排氣溫度達到76～80℃，滿足加熱循環(huán)水的需要。

3.2 對汽輪機循環(huán)水系統(tǒng)進行適應性改造，滿足汽輪機運行工況改變后的安全運行要求。

4 改造后帶來的主要問題分析

4.1 由于真空度的降低，蒸汽在汽輪機葉片上的焓降減少，做功能力降低，使機組的發(fā)電能力減小，同時汽耗率增大。

4.2 由于機組偏離了設(shè)計工況，盡管調(diào)速汽門全開，仍將無法實現(xiàn)發(fā)電機滿負荷運行。

4.3 由于后汽缸溫度升高，后汽封漏汽量將增大；軸向推力增大，動靜間相對膨脹增大，機組振動增大。

4.4 機組的末級葉片鼓風損失將增大，機組相對內(nèi)效率降低。

4.5 凝汽器承受的壓力增大。

4.6 凝汽器外殼與銅管（或不銹鋼管）的相對膨脹差增大，可能會造成銅管端部脹口松動，產(chǎn)生泄漏。

4.7 冷油器、空冷器的冷卻效果變差，出口油溫、風溫會迅速升高，嚴重時會造成軸瓦燒毀，或發(fā)電機超溫損壞事故。

4.8 發(fā)電機組的運行受供熱系統(tǒng)的直接影響。電負荷的調(diào)整會對供熱溫度造成影響，同時供熱負荷的改變對機組的安全穩(wěn)定運行帶來反作用。

5 節(jié)能原理及分析

5.1 純凝機組系統(tǒng)與循環(huán)水余熱采暖系統(tǒng)的比較

圖3、圖4是某電廠熱電聯(lián)產(chǎn)與純凝發(fā)電系統(tǒng)的能流圖的比較。

圖3 純凝發(fā)電系統(tǒng)能流圖

圖4 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能流圖

由圖3、圖4兩種系統(tǒng)的能流圖可以看出，輸出相同的電能（均為35個單位），在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，總的損失僅為15個單位，需要輸入的燃料為100個單位，這樣總的能源利用效率為85%。在純凝發(fā)電系統(tǒng)中，輸出同樣多即35個單位的電能，由于存在著巨大的冷源損失，達65%之多，加上輸電電網(wǎng)損失，總損失量高達86個單位，因此需要輸入燃料121個單位，這樣能源利用效率僅為28.9%。因此熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能源利用效率遠大于純凝機組的能源利用效率。

5.2 熱電聯(lián)產(chǎn)的特點

分析情況見圖5。

圖5 熱電聯(lián)產(chǎn)能量轉(zhuǎn)換特點

熱電聯(lián)產(chǎn)的特點，不僅表現(xiàn)為調(diào)整了熱能、電能之間的關(guān)系，使能量的質(zhì)量得以合理利用，還體現(xiàn)在由于熱能供應方式的改變帶來能量數(shù)量利用方面的好處，做到了：按質(zhì)用能，綜合用能，合理用能，能盡其用。

5.3 循環(huán)水余熱采暖節(jié)能分析

在純凝式發(fā)電機組中，根據(jù)熱力學第二定律，由于系統(tǒng)中不可避免地存在著大量的冷源損失，這部分熱能品位低，數(shù)量大，造成了純凝機組的熱效率較低。而在生活采暖中，恰恰需要大量低品位的熱能，若通過鍋爐燃燒，直接把燃料高品位的能量大幅貶值為低品位的能量使用，會造成能源的巨大浪費，利用效率大幅降低。

熱電聯(lián)產(chǎn)過程中，蒸汽先在汽輪機中做完功，然后供熱，將燃料的化學能轉(zhuǎn)換為高參數(shù)、高品位的熱能用以發(fā)電，這與燃料在鍋爐中燃燒直接轉(zhuǎn)換為低參數(shù)、低品位的熱能相比，鍋爐中的換熱溫差ΔTb及相應的火用損ΔEb減小，大大減小了能量轉(zhuǎn)換和利用過程中的不可逆性，降低了做功能力損失，燃料的化學能總量利用率提高。同時利用做功后的低品位的熱能對外供熱，避免了工質(zhì)的冷源損失，極大地提高了燃料的利用率，大大節(jié)約了能源，達到了“熱盡其用”的目的。熱電聯(lián)產(chǎn)的節(jié)約能源情況用圖6進行說明。

圖6 熱電聯(lián)產(chǎn)供熱循環(huán)系統(tǒng)的T-S圖

聯(lián)產(chǎn)汽流供熱循環(huán)的吸熱量、做功量和供熱量有如下關(guān)系：

吸熱量：q0=h0-hh’,

實際供熱循環(huán)做功量：

理想供熱循環(huán)對外供熱量：

實際供熱循環(huán)對外供熱量：

因此有：實際供熱循環(huán)的熱效率

即：供熱循環(huán)的理想供熱循環(huán)的熱效率ηth和實際供熱循環(huán)的熱效率ηih均為1，聯(lián)產(chǎn)汽流供熱循環(huán)理想放熱量qha和蒸汽做功的不可逆熱損失Δqh均用來對外供熱，完全沒有冷源損失，使系統(tǒng)熱耗率大幅降低，提高了熱電廠的經(jīng)濟性。

5.4 循環(huán)水采暖節(jié)煤條件

按照熱電聯(lián)產(chǎn)及分產(chǎn)的能量供應相等的原則，可計算熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)煤量，即為分產(chǎn)總標準煤耗量Bds與聯(lián)產(chǎn)總標準煤耗量Btps之差。通過理論推導可知，熱電聯(lián)產(chǎn)節(jié)煤條件為供熱機組的熱化發(fā)電比X大于臨界熱化發(fā)電比[X],才能實現(xiàn)節(jié)煤，即實際的熱負荷越大，熱電廠發(fā)電節(jié)煤越多。

通過以上分析可知，循環(huán)水采暖實現(xiàn)了熱力系統(tǒng)的冷源損失全部進行供熱，當熱負荷高于臨界熱負荷時，才能保證熱電聯(lián)產(chǎn)（循環(huán)水供熱）系統(tǒng)有較高的熱效率。實際工作中，當熱負荷較低時，只能通過使部分循環(huán)水進入涼水塔系統(tǒng)進行冷卻，才能保證發(fā)電機組的正常運行，這樣反而使高溫的循環(huán)水白白的對外放熱，增加了系統(tǒng)的熱量損失，造成系統(tǒng)運行的效率下降。

6 循環(huán)水采暖的主要缺點

通過以上分析可知，利用循環(huán)水作為熱源進行采暖，除了有節(jié)約能源等優(yōu)點之外，還存在以下缺點。

6.1 當熱負荷較低時，循環(huán)水采暖系統(tǒng)運行的總熱效率是降低的，是不經(jīng)濟的；只有熱負荷高于臨界熱

負荷時，才能使整個循環(huán)有較高的熱效率。

6.2 發(fā)電機組的運行將受到供熱系統(tǒng)運行情況的直接影響。冬季供暖工作中，為了保證供熱質(zhì)量，需采取“以熱定電“的運行模式，這將對發(fā)電量的提升造成一定影響。

6.3 循環(huán)水采暖改造后，如果采用一次水直接供到熱用戶，由于供熱管網(wǎng)系統(tǒng)復雜、龐大，傳熱介質(zhì)的泄漏率將比改造前大大增加，系統(tǒng)補水率將大幅增加。

6.4 采用一次水直接供到熱用戶，同時由于管網(wǎng)系統(tǒng)長、污物、雜質(zhì)較多，容易造成凝汽器銅管堵塞，對

發(fā)電機組的安全運行造成影響。

7 循環(huán)水采暖改造的建議性措施

7.1 為了保證循環(huán)水系統(tǒng)有足夠的冷卻流量，需要在供熱管網(wǎng)中加裝定壓補水裝置，確保汽輪機凝汽器的正常冷卻。

7.2 為了保證冷油器、空冷器的正常運行，需要對冷油器及空冷器的循環(huán)水系統(tǒng)單獨裝設(shè)循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，確保設(shè)備的正常運行。

7.3 對凝汽器系統(tǒng)進行加固，或更換為強度更高的承壓鋼板，以滿足排氣壓力升高、循環(huán)水壓力升高后的設(shè)備承壓強度要求。

7.4 凝汽器循環(huán)水入口管道要加裝除污器，確保進入凝汽器的循環(huán)水清潔無雜質(zhì)，保持設(shè)備的穩(wěn)定運行。

7.5 凝汽器真空降低后，及時修改低真空熱力保護定值，確保設(shè)備的信號保護系統(tǒng)有效、可靠。

8 循環(huán)水采暖工程的實施及展望

目前整個萊鋼總的供暖面積接近400萬m2，今年起將從西區(qū)換熱站開始逐步實施改造。在提高能源利用效率、不需要大量增加熱源的條件下，可以大幅增加供熱面積，改善供熱質(zhì)量。目前還有部分生活小區(qū)如運輸部、永興園等仍然使用鍋爐直接供熱，下一步可以逐步進行改造，甚至也可以給周邊的居民小區(qū)供熱，在增加熱負荷、提高循環(huán)水采暖效率的同時，可以通過征收采暖費的方式，給公司增加豐厚的經(jīng)濟效益，在實現(xiàn)經(jīng)濟效益、環(huán)保效益的同時，可以改善人們的生活質(zhì)量，具有較好的社會效益。在當前循環(huán)水采暖技術(shù)更加成熟的條件下，發(fā)展循環(huán)水采暖，是當前推進節(jié)能減排、提高能源利用效率的重要手段，同時也為冬季采暖拓展了更為廣闊的新的發(fā)展空間。

[1]閆水保.電站熱力系統(tǒng)節(jié)能原理與方法[M].北京:中國電力出版社，2007.5.

[2]劉志真，邱麗霞等.熱電聯(lián)產(chǎn)[M].北京:中國電力出版社，2006.11.

[3]孫奉仲，楊祥良等.熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)與管理[M].北京:中國電力出版社，2008.1.

[4]程上琬.熱力學理論基礎(chǔ)[M].北京:水利電力出版社，1987.6.

[5]靳智平，王毅林等.電廠汽輪機原理及系統(tǒng)[M].北京:中國電力出版社，2006.9.

[6]李建剛，楊雪萍等.汽輪機設(shè)備及運行[M].北京:中國電力出版社，2006.7.

Prospect of High-efficiency Utilization of Circulating Water Heating Technology

Li Qiang
(The Power Plant of Laiwu Steel,Shandong Iron and Steel Group,Laiwu,Shandong 271126,China)

The circulating water heating system was theoretically analyzed.The steam turbine generating unit was modified to meet the demand of properly utilizing quality energy and the need of winter heating.Both the advantages and disadvantages of circulating water heating system were analyzed and proposals on transformation measures were put forward.

circulating water;heating;condenser;energy utilization

TK264.1

B

1006-6764（2015）03-0028-04

2014-11-13

李強（1978-），男，大學本科學歷，現(xiàn)從事汽輪機運行、汽輪機檢修和車間技術(shù)管理工作。