張 怡
上海申能臨港燃機發(fā)電有限公司
天然氣差壓余能利用是通過配置透平膨脹機替代原有的調(diào)壓線,此方法不僅實現(xiàn)管線天然氣減壓調(diào)流的作用,還能使降低的壓力能轉(zhuǎn)化為動能進行發(fā)電。由于天然氣通過透平膨脹機做功后溫度的降低要遠甚于通過調(diào)壓線,因此原有配置的加熱系統(tǒng)已不能滿足至下游管線的天然氣溫度必須大于2℃的要求。由于經(jīng)過膨脹機的天然氣流量(20~80萬Nm3/h)和壓差(1.15~3.23MPa)均較大,因此加熱需要的熱量也非常大,若不合理選擇天然氣經(jīng)過膨脹機做功后的加熱方式,會使項目整體的節(jié)能經(jīng)濟性低于預(yù)期。本項目通過幾個方案的比較,最終確認了采用海水加熱的方案。由于需要在已建成的電廠海水系統(tǒng)上新增一套天然氣差壓余能的海水換熱系統(tǒng),方案實施的難度較大。經(jīng)各方努力,使設(shè)計滿足了天然氣差壓余能項目的加熱要求,使新增系統(tǒng)服務(wù)于電廠,進一步降低了電廠的廠用電取得預(yù)期的節(jié)能量。
電廠的循環(huán)水取自于杭州灣的海水,循環(huán)水系統(tǒng)主要工藝流程如下:取水口→自流引水隧道→攔污柵→旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)→循環(huán)水泵→進水壓力鋼管→凝汽器→排水鋼管→鋼筋混凝土排水溝→虹吸式排水工作井→自流排水隧道→排水口。循環(huán)水系統(tǒng)為母管聯(lián)通制,4臺聯(lián)合循環(huán)機組共配置4臺100%流量的循泵,為增加調(diào)節(jié)手段,減少廠用電量,其中2臺已改為變頻泵。循泵的最大流量為9.3m3/h,最大揚程為23.8m。
考慮冬季極端工況,經(jīng)計算,膨脹機需要的最大海水流量約2 500m3/h;另外,為進一步節(jié)能,新增的海水換熱系統(tǒng)將用于聯(lián)合循環(huán)機組全停時需要的機組冷卻水,約500m3/h。在系統(tǒng)流程上,考慮到膨脹機回水可以回至循環(huán)水供水母管上,即可提供全廠不發(fā)電時冷卻一些輔機用水的水量,故總供水水量按2 500m3/h考慮。
由于利用現(xiàn)有循環(huán)水取排水設(shè)施來實現(xiàn),因此需對現(xiàn)有系統(tǒng)進行必要的改造、增建。本著系統(tǒng)改造時對現(xiàn)有建構(gòu)筑物、廠區(qū)、電廠運行影響最小的原則,設(shè)計階段對取水泵的布置及泵的選型提出了多個方案,并進行了比較,見表1:
表1 取水泵布置和選型方案比較
序號 方案 優(yōu)點 缺點 綜合分析3 4 5 6 7排水工作井堰前取水:采用長軸泵方案排水工作井堰前取水:采用臥式透平同步排吸泵方案循環(huán)水壓力出水母管上:采用管道泵方案排水工作井堰后取水:采用長軸泵方案排水工作井堰后取水:采用潛水離心泵方案①水質(zhì)與旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)后水質(zhì)相同,水質(zhì)較好。②當(dāng)電廠循環(huán)水運行時,可以利用循環(huán)水排水溫升的特點,有利于為膨脹機的后加熱器增溫。③可利用現(xiàn)有平臺安裝長軸泵組。①水泵運行條件最好。②水質(zhì)與旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)后水質(zhì)相同,水質(zhì)較好。③當(dāng)電廠循環(huán)水運行時,可以利用循環(huán)水排水溫升的特點,有利于為膨脹機的后加熱器增溫。④水泵布置在排水工作井附近地坪上,僅有吸水管穿進排水工作井內(nèi),水泵投資相對較小,檢修維護方便。①直接在循環(huán)水出水壓力母管上開孔,施工簡單,對原有系統(tǒng)影響小。①布置在排水工作井堰后取水,因水位高于或等于杭州灣潮位,當(dāng)電廠循環(huán)水系統(tǒng)不運行,也不需頻繁開啟電廠循環(huán)水泵進行補水。②安裝作業(yè)的限制條件少,對電廠生產(chǎn)影響小。①布置在排水工作井堰后取水,因水位高于或等于杭州灣潮位,當(dāng)電廠循環(huán)水系統(tǒng)不運行,也不需頻繁開啟電廠循環(huán)水泵進行補水。②安裝作業(yè)的限制條件少,對電廠生產(chǎn)影響小。①布置在排水工作井堰前取水,因虹吸堰頂標(biāo)高為5.10m,杭州灣97%低潮位為-1.28m,當(dāng)電廠循環(huán)水系統(tǒng)不運行,且杭州灣為低潮位,低于5.10m時,形成閉式循環(huán)。此時需要開電廠一臺循環(huán)水泵,以保證膨脹機用水。②需要在排水工作井平臺增加取水泵基礎(chǔ),并在泵軸上增加套筒,以保證泵軸的穩(wěn)定性。③水泵投資較大,以后檢修相對復(fù)雜。①布置在排水工作井堰前取水,因虹吸堰頂標(biāo)高為5.10m,杭州灣平均低潮位為0.23m,97%低潮位為-1.28m,當(dāng)電廠循環(huán)水系統(tǒng)不運行,且杭州灣為低潮位,低于5.10m時,需要每隔約1h開電廠一臺循環(huán)水泵,以保證膨脹機用水。②需要在排水工作井側(cè)壁開孔,結(jié)構(gòu)需要做好防水處理。①當(dāng)電廠循環(huán)水系統(tǒng)不運行,需要長期開一臺循環(huán)水泵,以保證膨脹機用水。②4臺機組共4根循環(huán)水出水母管,需要分別開孔接管,并合并成一根母管后安裝管道泵,A排外布置緊張,較難施工及布置,系統(tǒng)相對復(fù)雜。①可能存在魚蝦游進排水工作井內(nèi),需要設(shè)置濾網(wǎng)以保證水質(zhì)。②需要在排水工作井增加取水泵基礎(chǔ),并在泵軸上增加套筒,以保證泵軸的穩(wěn)定性。③水泵投資較大,施工過程比較復(fù)雜。①可能存在魚蝦游進排水工作井內(nèi),需要設(shè)置濾網(wǎng)以保證水質(zhì)。②需要在排水工作井增加取水泵基礎(chǔ),并在水泵外增加套筒,以保證泵軸的穩(wěn)定性。③水泵投資相對少,施工過程比較簡單。本方案與堰后長軸泵方案相比,無明顯優(yōu)勢。本方案相對于其他方案,施工簡單,投資較少,但需要頻繁開啟電廠循環(huán)水泵。本方案系統(tǒng)復(fù)雜,且需要長期開循環(huán)水泵。本方案對原有循環(huán)水系統(tǒng)無影響,但施工過程比較復(fù)雜,投資較大。本方案對原有循環(huán)水系統(tǒng)無影響,投運后電廠循環(huán)水泵在停機時不需要啟動。施工周期短,過程相對簡單。
經(jīng)反復(fù)比選,排水工作井堰后取水,采用潛水離心泵的方案優(yōu)勢較明顯。系統(tǒng)共設(shè)2臺水泵(1用1備),參數(shù)為:Q=2500m3/h,H=35m,N=400kW,V=6kV。為考慮運行工況的變化及節(jié)能,水泵的電機采用變頻形式。
天然氣海水換熱系統(tǒng)設(shè)計見圖1。
膨脹機天然氣后加熱的海水取自電廠的排水工作井,即經(jīng)電廠機組凝汽器換熱后的海水溫度大于機組入口海水溫度8℃以上,不僅利用了機組凝汽器熱交換后得到的低品質(zhì)余熱,還提升了極端工況下天然氣加熱的空間。
圖1 海水加熱泵布置及管道系統(tǒng)示意圖
另外,海水通過換熱器加熱天然氣后,自身溫度會降低,當(dāng)海水換熱器水側(cè)出口溫度低于機組循環(huán)水取水溫度時,海水通過項目新增的循環(huán)水系統(tǒng)切換蝶閥,能重新并入機組循環(huán)水進水母管,通過凝汽器、閉冷器系統(tǒng)吸收熱量,降低凝汽器真空,增加機組出力,減少閉式水系統(tǒng)廠用電能耗,實現(xiàn)天然氣差壓冷能利用。
本項目是國內(nèi)在已建成的電廠循環(huán)水系統(tǒng)上首次新增海水換熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計和布置,對電廠的運行和已建構(gòu)筑物的影響均降到了最低。該系統(tǒng)投用后使用情況良好。經(jīng)過2017年冬天的考驗,該系統(tǒng)完全可以滿足所有工況對天然氣的加熱要求。也正因為這套系統(tǒng)的投用,使原有的天然氣加熱裝置水浴爐基本停用,大大節(jié)省了天然氣的耗量,年均可節(jié)約約500 000Nm3。同時由于該套系統(tǒng)的投運,使電廠機組全停時可以停用循泵,大大節(jié)省了廠用電。據(jù)統(tǒng)計,年節(jié)省廠用電可達352.12萬kWh。