李奕

（中國大唐集團(tuán)安全生產(chǎn)部，北京市 西城區(qū) 100032）

0 引言

2010年以來，汽輪機(jī)循環(huán)水余熱供熱在國內(nèi)得到快速發(fā)展，目前投入運(yùn)行的濕冷機(jī)組循環(huán)水余熱供熱技術(shù)路線主要包括吸收式熱泵技術(shù)[1-3]、雙背壓雙轉(zhuǎn)子技術(shù)[4-5]、低壓缸光軸技術(shù)[6-7]、燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)同步自換檔(synchro-selfshifting，SSS)離合器技術(shù)[8-9]和低真空循環(huán)水直接供熱技術(shù)[10]、低壓缸切除技術(shù)[11]、正在開發(fā)的燃煤機(jī)組凝汽-抽汽-背壓式(NCB)技術(shù)[12]等。

除少數(shù)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電機(jī)組外，受客觀條件限制，目前國內(nèi)投運(yùn)的循環(huán)水余熱供熱項(xiàng)目，均只能回收一臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水余熱。而2×300 MW機(jī)組是目前我國熱電廠的典型配置，配套一次供熱管網(wǎng) DN1200，熱網(wǎng)水流量10 000~12 000 t/h，供回水溫度多為130℃/70℃。一臺(tái) 300 MW供熱機(jī)組在 500 t/h采暖抽汽工況下，通過循環(huán)水散失到大氣中的熱量超過 100 MW，同時(shí)伴隨100 t/h的循環(huán)水損失[13]。以此估算，一個(gè)供暖期每臺(tái)機(jī)組浪費(fèi)的余熱量約合 3.5萬~5.4萬t標(biāo)煤，浪費(fèi)水資源28.8萬~43.2萬t。若能多回收一臺(tái)機(jī)組余熱供熱，則節(jié)水的同時(shí)，還可以節(jié)約標(biāo)煤4.1萬~6.3萬t。

因此，考慮典型配置熱電廠雙機(jī)余熱供熱具有重要意義。

1 余熱供熱影響因素分析

影響雙機(jī)余熱供熱的主要因素是余熱供熱技術(shù)的余熱回收能力和熱網(wǎng)輸送能力，只有在余熱回收能力和熱網(wǎng)輸送能力大于雙機(jī)余熱總量時(shí)，才可能實(shí)現(xiàn)雙機(jī)余熱供熱。

1.1 余熱量分析

單臺(tái)抽汽凝汽式汽輪機(jī)乏汽(循環(huán)水)余熱量可用下式估算：

式中：Qc為機(jī)組乏汽(循環(huán)水)余熱，MW；Dc、Dfp分別為汽輪機(jī)低壓缸和給水泵小汽輪機(jī)排汽量，t/s；分別為汽輪機(jī)低壓缸排汽焓，給水泵小汽輪機(jī)排汽焓和凝結(jié)水焓，kJ/kg；Dc需大于末級(jí)最小排汽量Dcmin。汽輪機(jī)排汽壓力越高，Dcmin越大，對(duì)應(yīng)的余熱越多。

以某300 MW抽凝式汽輪機(jī)為例，在額定抽汽量(500 t/h)工況下，依據(jù)式(1)計(jì)算的單機(jī)循環(huán)水余熱為117 MW(主機(jī)排汽焓2 436 kJ/kg、小機(jī)排汽焓2392 kJ/kg、凝結(jié)水焓113.8 kJ/kg)，雙機(jī)余熱總量為334 MW。

1.2 熱網(wǎng)輸送能力

熱電廠余熱供熱相當(dāng)于增加了熱電廠的總供熱能力，增加的熱量需要借助已有供熱管網(wǎng)通過熱網(wǎng)循環(huán)水輸送到用戶端，因此原有管網(wǎng)的輸送能力裕度必須足夠。熱網(wǎng)輸送能力裕度可用下式計(jì)算：

式中：Qs為供熱管網(wǎng)富裕輸送能力，MW；Dw為熱網(wǎng)循環(huán)水量，t/s；cp=4.186，為水的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；tgs、tr分別為熱網(wǎng)水設(shè)計(jì)回水溫度和實(shí)際最高回水溫度，℃。

以2×300 MW抽凝式供熱機(jī)組典型雙機(jī)配置的熱電廠而言，通常一次網(wǎng)管徑 DN1200，對(duì)應(yīng)的熱網(wǎng)水流量約 10 000~12 000 t/h，熱網(wǎng)設(shè)計(jì)供/回水溫度 130 ℃/70 ℃。根據(jù)北方地區(qū)多個(gè)熱電廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，冬季最高回水溫度基本上位于50~60℃，多在 55 ℃ 左右。部分城市 2級(jí)換熱站采用末端混水技術(shù)，冬季最高回水溫度約45 ℃。以回水溫度50 ℃ 計(jì)算，熱網(wǎng)輸送能力比設(shè)計(jì)值高出約233~280 MW，滿足2臺(tái)機(jī)組余熱供熱需要。

1.3 不同余熱供熱技術(shù)回收余熱能力

受汽輪機(jī)末級(jí)葉片最小安全流量限制[14]，低真空循環(huán)水直接供熱技術(shù)目前并不適用于300 MW機(jī)組，故不再贅述其余熱回收能力。

1.3.1 吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱能力

吸收式熱泵回收余熱能力：

式中：Qre為回收余熱量，MW；λcop為吸收式熱泵性能系數(shù)，通常為1.70~1.80；to為熱泵或換熱器出口熱網(wǎng)水溫度，℃。

仍以300 MW濕冷供熱機(jī)組為例，在熱網(wǎng)水流量 10 000 t/h、回水溫度55 ℃情況下，吸收式熱泵在供熱抽汽驅(qū)動(dòng)下的熱網(wǎng)水出口溫度約為75 ℃、λcop=1.75，據(jù)此計(jì)算吸收式熱泵可回收余熱為 124 MW，基本上與一臺(tái)機(jī)組額定抽汽量下的余熱持平。

結(jié)合式(3)可知，若采用吸收式熱泵技術(shù)回收2臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水余熱，要么熱網(wǎng)水量增加一倍，要么熱網(wǎng)回水溫度降低至 25~30℃左右。上述條件在現(xiàn)階段均不易實(shí)現(xiàn)。

1.3.2 雙背壓雙轉(zhuǎn)子回收余熱能力

雙背壓雙轉(zhuǎn)子余熱供熱系統(tǒng)，冬季期間冷卻塔停運(yùn)，熱網(wǎng)循環(huán)水回水進(jìn)入凝汽器吸收汽輪機(jī)排汽熱量，而后進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器被抽汽加熱至一定溫度后供給熱網(wǎng)。因?yàn)闊峋W(wǎng)水回水溫度高、水量少，故汽輪機(jī)排壓力通常達(dá)30~50 kPa。為保證機(jī)組安全，供熱期間將低壓轉(zhuǎn)子更換為缺少末兩級(jí)的供熱轉(zhuǎn)子。

雙背壓雙轉(zhuǎn)子技術(shù)回收余熱量為

式中：Qre為回收余熱量，MW；to為凝汽器出口熱網(wǎng)水溫度，℃；tex為汽輪機(jī)排汽溫度，℃；δt為凝汽器端差，℃。

受汽輪機(jī)排汽溫度需不高于80 ℃限制，雙背壓雙轉(zhuǎn)子技術(shù)需減少抽汽量、增大排汽量以防止排汽落入過熱蒸汽，由此導(dǎo)致回收一臺(tái)機(jī)組余熱后的熱網(wǎng)水出水溫度通常70 ℃以上，已經(jīng)無法繼續(xù)進(jìn)入另一臺(tái)機(jī)組回收其余熱。

同理，若采用雙背壓雙轉(zhuǎn)子技術(shù)回收2臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水余熱，要么熱網(wǎng)水量增加一倍，要么熱網(wǎng)回水溫度降低至25~30℃左右。

1.3.3 低壓缸光軸技術(shù)回收余熱能力

低壓缸光軸技術(shù)是在雙背壓雙轉(zhuǎn)子基礎(chǔ)上發(fā)展而來，即冬季供熱期低壓轉(zhuǎn)子更換為光軸，中壓缸排汽除極少量進(jìn)入低壓缸進(jìn)行冷卻外，全部進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器直接加熱熱網(wǎng)水，機(jī)組本質(zhì)上由抽汽凝汽式汽輪機(jī)轉(zhuǎn)化為背壓式汽輪機(jī)。

由于中壓缸排汽即為已有供熱抽汽，故對(duì)熱網(wǎng)回水溫度沒有要求，在理論上只要熱網(wǎng)輸送能力足夠，完全可以回收兩臺(tái)機(jī)組所有余熱。

綜上所述，在現(xiàn)有典型配置熱電廠一次管網(wǎng)通流能力下，無法單純通過吸收式熱泵技術(shù)、雙背壓雙轉(zhuǎn)子技術(shù)或吸收式熱泵與雙背壓雙轉(zhuǎn)子技術(shù)組合實(shí)現(xiàn)雙機(jī)余熱供熱。吸收式熱泵與低壓缸光軸技術(shù)組合、雙背壓雙轉(zhuǎn)子與低壓缸光軸組合或雙機(jī)低壓缸光軸改造理論上具有實(shí)現(xiàn)雙機(jī)余熱供熱的潛力。

但雙背壓雙轉(zhuǎn)子與低壓缸光軸組合或者雙機(jī)低壓缸光軸技術(shù)受“以熱定電”熱力特性的限制，無法同時(shí)滿足熱電負(fù)荷調(diào)節(jié)，在實(shí)際運(yùn)行中往往受到限制。因此，吸收式熱泵串聯(lián)低壓缸光軸技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)雙機(jī)余熱供熱的最佳選擇，而在熱網(wǎng)水量可以成倍增加的情況下，吸收式熱泵并聯(lián)雙背壓雙轉(zhuǎn)子技術(shù)也可能實(shí)現(xiàn)全廠雙機(jī)余熱供熱。

2 2×300MW雙機(jī)余熱供熱系統(tǒng)

2.1 吸收式熱泵串聯(lián)低壓缸光軸

2.1.1 系統(tǒng)描述

圖1為吸收式熱泵余熱供熱系統(tǒng)串聯(lián)低壓缸光軸余熱利用系統(tǒng)示意圖。本串聯(lián)系統(tǒng)需對(duì)熱電廠內(nèi)兩臺(tái)機(jī)組中一臺(tái)進(jìn)行熱泵余熱供熱改造，另一臺(tái)進(jìn)行低壓缸光軸供熱改造。熱網(wǎng)水回水首先進(jìn)入吸收式熱泵回收一臺(tái)機(jī)組全部余熱，然后進(jìn)入原供熱系統(tǒng)熱網(wǎng)加熱器。熱泵余熱供熱改造機(jī)組供熱抽汽除驅(qū)動(dòng)熱泵外，剩余部分進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器直接加熱熱泵出口熱網(wǎng)水；低壓缸光軸改造機(jī)組，冬季供熱期間切斷低壓缸進(jìn)汽，中壓缸排汽除極少部分(3~5 t/h)進(jìn)入低壓缸起冷卻作用外，其余全部進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器供熱。

圖1 熱泵與低壓缸光軸串聯(lián)的余熱供熱系統(tǒng)Fig. 1 Heat supply system of heat pumps in series to low pressure cylinder with barerotor

2.1.2 參數(shù)核算

由公式(3)可知，在回收一定余熱情況下，所需熱網(wǎng)水流量為

而熱網(wǎng)輸送全部熱量所需熱網(wǎng)水量為

式中：Qt為全廠最大供熱能力，MW；tsup為供水溫度，℃。

以某廠2×300 MW供熱機(jī)組為例，單機(jī)額定抽汽500 t/h，此時(shí)單機(jī)循環(huán)水余熱122.7 MW(若含另一臺(tái)機(jī)組小汽機(jī)乏汽，則總余熱145 MW)，其中給水泵小汽輪機(jī)乏汽余熱22.3 MW；抽汽供熱負(fù)荷329 MW。若低壓缸光軸改造，則最大供熱抽汽628 t/h，熱負(fù)荷453.6 MW。若回收全部余熱供熱，則全廠最大供熱負(fù)荷928 MW。

在供水溫度不超過設(shè)計(jì)值130 ℃的前提下，若熱網(wǎng)回水溫度50 ℃，則回收全部145 MW余熱需熱網(wǎng)水 11 640 t/h(熱泵出口水溫 75 ℃，熱泵λcop=1.75)，DN1200管道通流能力可以滿足要求。此時(shí)最終供水溫度 118.5 ℃，可保證供熱質(zhì)量。若不考慮臨機(jī)給水泵汽輪機(jī)余熱回收，則需要熱網(wǎng)水量僅為 9 850 t/h。若熱網(wǎng)回水溫度升高至55 ℃，則回收本機(jī)余熱122.7 MW所需熱網(wǎng)水量為 12 310 t/h(熱泵出口水溫 75 ℃，熱泵λcop=1.75)，DN1200管道勉強(qiáng)能夠滿足要求。

在熱網(wǎng)回水溫度偏高或熱網(wǎng)水量不足情況下，可以通過末端部分二級(jí)站吸收式換熱機(jī)組改造以降低熱網(wǎng)回水溫度的方式達(dá)到回收雙機(jī)余熱供熱的目的。

可見，串聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于可以利用已有一次供熱管網(wǎng)的輸送能力裕量完全回收兩臺(tái)機(jī)組的全部余熱供熱，構(gòu)成全廠循環(huán)水余熱近零損失的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

2.2 熱泵與雙背壓雙轉(zhuǎn)子技術(shù)并聯(lián)

2.2.1 系統(tǒng)說明

圖2為吸收式熱泵與雙背壓雙轉(zhuǎn)子并聯(lián)的雙機(jī)余熱供熱系統(tǒng)，對(duì)熱電廠內(nèi)2臺(tái)機(jī)組中一臺(tái)進(jìn)行熱泵余熱供熱改造，另一臺(tái)進(jìn)行低壓缸雙背壓雙轉(zhuǎn)子供熱改造。熱網(wǎng)水回水分2路，一路進(jìn)入吸收式熱泵回收一臺(tái)機(jī)組余熱，另一路進(jìn)入雙背壓雙轉(zhuǎn)子供熱改造機(jī)組凝汽器，吸收全部排汽余熱。吸收式熱泵出口熱網(wǎng)水和雙背壓雙轉(zhuǎn)子機(jī)組凝汽器出口熱網(wǎng)水混合后進(jìn)入原供熱系統(tǒng)熱網(wǎng)加熱器，繼續(xù)被供熱抽汽加熱。本并聯(lián)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的前提是一次網(wǎng)流量成倍增加。

圖2 吸收式熱泵與雙背壓雙轉(zhuǎn)子并聯(lián)系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Diagram of heat pumps in parallel with double back pressure and double rotors

2.2.2 參數(shù)核算

吸收式熱泵在回收一定余熱情況下，所需熱網(wǎng)水流量由式(5)計(jì)算，熱網(wǎng)輸送全部熱量所需熱網(wǎng)水量可由(6)計(jì)算，而雙背壓雙轉(zhuǎn)子機(jī)組回收全部余熱需要的熱網(wǎng)水量可由式(4)推導(dǎo)得出：

仍以某2×300 MW供熱機(jī)組為例，抽凝工況下單機(jī)乏汽(循環(huán)水)余熱122.7 MW，其中給水泵小汽輪機(jī)乏汽余熱 22.3 MW；抽汽供熱負(fù)荷329 MW。

在熱網(wǎng)水回水溫度50 ℃時(shí)，計(jì)算熱泵系統(tǒng)回收余熱所需熱網(wǎng)水量9 152 t/h。

低壓缸雙背壓雙轉(zhuǎn)子改造后，為避免低壓缸排汽落入過熱蒸汽區(qū)造成排汽溫度過高，控制排汽壓力40 kPa、排汽干度0.98(對(duì)應(yīng)飽和溫度75.86℃、排汽焓2 589.7 kJ/kg)。由此反推某300 MW供熱機(jī)組雙背壓雙轉(zhuǎn)子改造時(shí)排汽量約346 t/h，抽汽量下降至283 t/h。在考慮凝汽器端差5 ℃、熱網(wǎng)回水50 ℃，計(jì)算所需熱網(wǎng)水量9 000 t/h。

則全廠熱網(wǎng)水量18 152 t/h，在此流量下全廠供水溫度最高89.2 ℃。

當(dāng)熱網(wǎng)水回水溫度上升為55 ℃時(shí)，吸收式熱泵系統(tǒng)及雙背壓雙轉(zhuǎn)子方案所需熱網(wǎng)水量分別為10 255 t/h和11 850 t/h，此時(shí)全廠供水溫度最高僅為84.4 ℃。

可見，即便在很低的熱網(wǎng)回水溫度下，并聯(lián)系統(tǒng)所需熱網(wǎng)水總量通常接近常規(guī)配置熱電廠一次管網(wǎng)通流能力的2倍左右，通常僅僅適用于具有備用供熱管道的熱電廠或另行敷設(shè)供熱管網(wǎng)，否則無法實(shí)現(xiàn)回收全部機(jī)組余熱的目的。

3 光軸改造后小機(jī)排汽余熱利用

目前300 MW及以上容量機(jī)組均采用汽動(dòng)給水泵。在低壓缸光軸改造后，給水泵汽輪機(jī)排汽無法直接被熱網(wǎng)水回收。300 MW機(jī)組給水泵汽輪機(jī)蒸汽流量通常35 t/h左右，對(duì)應(yīng)的排汽余熱通常23 MW。按供熱5個(gè)月、平均負(fù)荷80%計(jì)算，年損失熱量近24萬GJ，相當(dāng)于8 000多噸標(biāo)煤發(fā)熱量。因此，通過系統(tǒng)優(yōu)化，充分利用小機(jī)余熱供熱，具有比較明顯的節(jié)能減排效果。

3.1 吸收式熱泵回收給水泵小汽輪機(jī)余熱

吸收式熱泵與低壓缸光軸串聯(lián)后，吸收式熱泵系統(tǒng)除回收本臺(tái)機(jī)組主機(jī)和給水泵小汽輪機(jī)乏汽余熱外，還兼顧回收低壓缸光軸改造機(jī)組小汽輪機(jī)乏汽余熱。

3.2 壓力匹配器回收給水泵汽輪機(jī)余熱

利用中壓缸排汽驅(qū)動(dòng)壓力匹配器，卷吸小汽機(jī)排汽使之壓力提升至30 kPa左右，然后壓力匹配器出口大部分蒸汽進(jìn)入增設(shè)的加熱器加熱熱網(wǎng)水，達(dá)到回收小汽機(jī)乏汽余熱的作用，少部分蒸汽(3~5t/h)進(jìn)入低壓缸，對(duì)低壓缸進(jìn)行冷卻(圖 3[15])。此外，壓力匹配器出口蒸汽還可以引入低壓加熱器加熱凝結(jié)水，同樣可以實(shí)現(xiàn)小機(jī)乏汽余熱回收，但由于低壓缸光軸改造后凝結(jié)水量非常少，該方案回收小機(jī)余熱比較有限。

圖3 給水泵汽輪機(jī)乏汽余熱回收系統(tǒng)示意圖Fig. 3 Diagram of exhaust heat recovery system of feed water pump steam turbine

4 結(jié)論

本文對(duì)回收典型配置熱電廠雙機(jī)余熱供熱進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

1）現(xiàn)有余熱利用技術(shù)僅能回收典型配置熱電廠一臺(tái)機(jī)組余熱，年損失余熱能量約合 3.5萬~5.4萬t標(biāo)煤，損失水資源30~40 t。

2）在現(xiàn)有一次管網(wǎng)通流能力下，吸收式熱泵串聯(lián)低壓缸光軸技術(shù)的雙機(jī)余熱供熱系統(tǒng)，可以回收典型2×300 MW配置熱電廠雙機(jī)余熱，同時(shí)也具有相應(yīng)的熱電負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，有望成為今后余熱供熱的發(fā)展方向。

3）低壓缸光軸改造后，給水泵汽輪機(jī)乏汽余熱可通過吸收式熱泵或壓力匹配器與熱網(wǎng)前置換熱器組合回收供熱，進(jìn)一步提高全廠余熱利用率。

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