摘要：熱電廠中熱力設(shè)備和熱力系統(tǒng)的節(jié)能改造是節(jié)能工作的重點(diǎn)，且這兩個方面的節(jié)能潛力巨大，因此從熱力設(shè)備和熱力系統(tǒng)角度入手進(jìn)行節(jié)能改造易實(shí)現(xiàn)，見效快，通過相應(yīng)的技術(shù)改造能夠有效地提高熱電廠的熱經(jīng)濟(jì)性及效益。現(xiàn)通過對某熱電廠供熱蒸汽余壓功熱小汽輪機(jī)改造實(shí)現(xiàn)供熱蒸汽梯級利用，大幅降低機(jī)組供電煤耗這一項(xiàng)目應(yīng)用進(jìn)行分析探討，可為其他供熱電廠提供一定的參考借鑒。

關(guān)鍵詞：功熱小汽輪機(jī);富余能量;梯級利用;節(jié)能

0? ? 引言

某熱電廠集中供熱管網(wǎng)工程，主管網(wǎng)共設(shè)置2根DN1 400的供熱管道，1供1回，電廠向市區(qū)供熱的一級網(wǎng)管道設(shè)計(jì)溫度120/55 ℃，設(shè)計(jì)壓力1.6 MPa，其中，供熱管網(wǎng)約為66.24 km，新建熱力站106座，改造熱力站94座，新建調(diào)度中心1座。供熱抽汽的能級要高出熱網(wǎng)供水能級很多，雖然大的傳熱溫差可以強(qiáng)化傳熱，但同時導(dǎo)致了較大的不可逆?zhèn)鳠釗p失，造成了高品質(zhì)蒸汽的能量損失，降低了能量利用效率。

根據(jù)本工程供熱蒸汽參數(shù)，因加熱器主要依靠蒸汽冷凝成水時的汽化潛熱產(chǎn)生的巨大熱量來實(shí)現(xiàn)加熱，此時蒸汽在低溫過熱段溫降及壓降會對蒸汽焓值產(chǎn)生影響，即對換熱系統(tǒng)來講，蒸汽壓力過高會使進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器的蒸汽存在大量的壓差能，為了充分利用該壓差能，可采用功熱汽輪機(jī)拖動異步電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，背壓汽輪機(jī)排汽仍進(jìn)入新增乏汽加熱器，將熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度提高，新增乏汽加熱器熱網(wǎng)水出水進(jìn)入原熱網(wǎng)加熱器進(jìn)一步加熱到外供熱網(wǎng)水所需溫度。本項(xiàng)目改造完成后，可以回收利用壓差能量損失，在保證集中供熱的前提下，利用背壓機(jī)發(fā)電，降低廠用電率，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和對標(biāo)能力，達(dá)到節(jié)能提效的效果，而且不影響熱網(wǎng)加熱器的性能，可以保證供暖需要。因此，針對供熱管網(wǎng)的現(xiàn)狀，增設(shè)小型功熱汽輪機(jī)具有很好的節(jié)能效果。

1? ? 某熱電廠供熱系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1? ? 某熱電廠供熱能力及參數(shù)

根據(jù)某市熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱管網(wǎng)工程初步設(shè)計(jì)，某熱電廠2×350 MW機(jī)組，單臺機(jī)組供熱抽汽參數(shù)設(shè)計(jì)為：

設(shè)計(jì)采暖抽汽壓力/溫度：0.40 MPa/245 ℃;

蒸汽焓值：2 904.47 kJ/kg;

目前供熱設(shè)計(jì)抽汽量：468 t/h;

凝結(jié)水焓值：4.18×80=334.4 kJ/kg;

設(shè)計(jì)供熱負(fù)荷：Q=468×2×（2 904.47-334.4）/3 600≈668 MW;

供回水溫度：120/55 ℃;

某熱電廠出口工作壓力（圍墻外1 m）：1.35 MPa;

某熱電廠首站回水壓力：0.30 MPa;

供回水壓差：1.05 MPa。

1.2? ? 熱負(fù)荷現(xiàn)狀

根據(jù)某市熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱管網(wǎng)工程初步設(shè)計(jì)，2016年供熱熱負(fù)荷（為設(shè)計(jì)年現(xiàn)狀熱負(fù)荷）為473 MW，2019年供熱熱負(fù)荷（為設(shè)計(jì)年近期熱負(fù)荷）為747 MW，2022年供熱熱負(fù)荷（為設(shè)計(jì)年遠(yuǎn)期熱負(fù)荷）為940 MW，某熱電廠目前設(shè)計(jì)供熱負(fù)荷為668 MW，余熱利用提供熱負(fù)荷為112 MW，總供熱量為780 MW，能夠滿足2020年設(shè)計(jì)采暖負(fù)荷747 MW。

1.3? ? 供熱能力分析

根據(jù)上述熱負(fù)荷現(xiàn)狀分析，某熱電廠設(shè)計(jì)供熱負(fù)荷能夠滿足近期采暖負(fù)荷，本次改造工程是在保障近期熱負(fù)荷（668 MW）不受影響的前提下進(jìn)行設(shè)計(jì)的。采用某市熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱管網(wǎng)工程初步設(shè)計(jì)中采暖抽汽的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、蒸汽焓值及凝結(jié)水焓值，對原機(jī)組熱網(wǎng)加熱器做熱平衡計(jì)算，計(jì)算過程如下：

循環(huán)水量為： Q=×3 600≈8 836 m3/h

查水和水蒸氣熱力性質(zhì)表得供水焓值為504.59 kJ/kg，回水焓值為231.38 kJ/kg，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，目前兩臺機(jī)組冬季供熱抽汽量為936 t/h，循環(huán)水量為8 836 m3/h。汽輪機(jī)設(shè)計(jì)額定抽汽量為550 t/h（單臺），兩臺機(jī)組共1 100 t/h，在保證668 MW供熱負(fù)荷不變的情況下，抽汽仍有164 t/h可利用的富余量。

2? ? 項(xiàng)目選型及應(yīng)用系統(tǒng)介紹

2.1? ? 功熱小汽輪機(jī)等設(shè)備選型

針對某熱電廠兩臺機(jī)組的采暖抽汽進(jìn)行總的熱平衡分析，結(jié)合目前常用機(jī)組型式，本項(xiàng)目可采用布置2臺6 000 kW低壓功熱汽輪機(jī)，拖動2臺高壓異步發(fā)電機(jī)發(fā)電的方案。單臺汽輪機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)汽量為108 t/h，設(shè)計(jì)進(jìn)汽參數(shù)為0.4 MPa/245 ℃，設(shè)計(jì)排汽參數(shù)為0.07 MPa/105 ℃。

2.2? ? 項(xiàng)目改造后系統(tǒng)流程

分別自原兩臺汽輪機(jī)抽出采暖蒸汽后，匯入一根采暖抽汽母管。一路為原采暖蒸汽流程，從母管上引支管分別接入4臺熱網(wǎng)加熱器;另一路為新增系統(tǒng)，經(jīng)新增電動調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、汽輪機(jī)主汽門、調(diào)速汽門進(jìn)入功熱汽輪機(jī)。運(yùn)行中原熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽調(diào)整門和主機(jī)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門配合調(diào)整，維持功熱汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力在0.4 MPa（a）。新增功熱汽輪機(jī)由調(diào)速汽門調(diào)節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，排汽排至新增乏汽加熱器。兩路系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行，確保供熱需求。

改造工程新增的兩臺功熱汽輪機(jī)拖動異步發(fā)電機(jī)發(fā)電，僅采暖期運(yùn)行，非采暖期停運(yùn)，功熱汽輪機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，不進(jìn)行變工況運(yùn)行。新增系統(tǒng)與原熱網(wǎng)系統(tǒng)并聯(lián)連接，用閥門與原系統(tǒng)隔離，保持原系統(tǒng)的獨(dú)立性，確保系統(tǒng)檢修或故障時，可以切斷新增系統(tǒng)，通過原系統(tǒng)滿足供熱要求。此種發(fā)電方式所增加的汽耗量很少，在功熱汽輪機(jī)發(fā)電的同時，機(jī)組依然能夠滿足額定供熱負(fù)荷。

3? ? 節(jié)能效益分析

3.1? ? 節(jié)能效果分析

根據(jù)一般采暖季的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，取一個供暖期為120天，上網(wǎng)電價為364.4元/MWh（估算電價），標(biāo)煤價格為600元/t（含稅，購煤平均價格），主要計(jì)算方法在表1闡述。

3.2? ? 系統(tǒng)增加發(fā)電和減少耗電的總功率及收益

汽輪機(jī)發(fā)電：本項(xiàng)目擬布置2臺6 000 kW功熱汽輪機(jī)，功熱汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力0.4 MPa，進(jìn)汽溫度245 ℃，機(jī)械效率取0.99，發(fā)電效率取0.94，則背壓式供熱汽輪機(jī)發(fā)電功率為5 992.6 kW。

汽輪機(jī)自用耗電：功熱小汽輪機(jī)組自用設(shè)備耗電功率為各輔助設(shè)備耗電功率之和。6 000 kW背壓式發(fā)電汽輪機(jī)自用設(shè)備耗電功率包含其乏汽疏水泵及系統(tǒng)增加主汽流量的耗功，自用功率為164 kW。

折合凈發(fā)電：6 000 kW背壓式發(fā)電汽輪機(jī)發(fā)電扣除自用設(shè)備耗電后為5 828.6 kW。

發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益分析：采暖期按120天，則新增汽輪機(jī)在一個采暖季的總節(jié)電量（扣除自用電）為1 678.64萬kWh;上網(wǎng)電價按364.4元/MWh，則一個采暖季節(jié)電的綜合收益（扣除自用電）為556.27萬元;參考機(jī)組年平均發(fā)電量3.71億kWh，折算全年綜合廠用電率降低0.905%;折合機(jī)組綜合供電煤耗降低1.79 g/kWh。

3.3? ? 增加煤耗

汽輪機(jī)耗汽：由于新增汽輪機(jī)的排汽焓較原熱網(wǎng)加熱器的進(jìn)汽焓略有下降，為保證相同的供暖能力，采用功熱汽輪機(jī)的供熱系統(tǒng)需增加采暖抽汽量為9.17 t/h。根據(jù)供熱工況熱平衡圖，折合增加的主蒸汽量約為3.09 t/h，增加量僅占THA工況下主蒸汽流量（2 011.8 t/h）的0.154%，現(xiàn)有鍋爐及汽輪機(jī)均能夠滿足要求。

經(jīng)濟(jì)性分析：若按照額定采暖工況，則采暖季THA工況下鍋爐主蒸汽增加3.09 t/h所增加消耗的標(biāo)煤量共約0.5 g/kWh，折合增加煤耗量為923.8 t/a，標(biāo)煤價格按600元/t計(jì)，則一個采暖季總煤耗費(fèi)用共增加約55.43萬元。

3.4? ? 綜合節(jié)能效益

綜合上述分析，布置2臺6 000 kW功熱汽輪機(jī)后，增加節(jié)能效益約為556.27×2=1 112.54萬元，由于布置汽輪機(jī)后增加主蒸汽量導(dǎo)致耗煤量增加的費(fèi)用為55.43×2=110.86萬元，則綜合收益為1 001.68萬元，折合機(jī)組綜合供電煤耗降低1.79×2=3.58 g/kWh。

4? ? 結(jié)論

（1）某熱電廠供熱抽汽仍有一定的梯級利用空間，進(jìn)行供熱蒸汽的梯級利用改造有利于降低電廠總體能耗水平，提高經(jīng)營收益。

（2）功熱小汽輪機(jī)項(xiàng)目改造的方案為：以供熱抽汽帶動2臺工頻異步汽輪發(fā)電機(jī)組，其所發(fā)出的電量供給機(jī)組廠用6 kV系統(tǒng)。小汽輪機(jī)排汽至新增乏汽加熱器，并在此將部分熱網(wǎng)循環(huán)水加熱至80 ℃，小汽輪機(jī)排汽冷凝之后送回原熱網(wǎng)疏水系統(tǒng)。

（3）改造后，在供熱期機(jī)組平均廠用電率降低0.905%，發(fā)電煤耗升高0.5 g/kWh，供電煤耗降低2.31 g/kWh。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 周艷，苗展麗，隋春杰.工程熱力學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2019.

[2] 黃素逸，王曉墨.能源與節(jié)能技術(shù)[M].2版.北京：中國電力出版社，2008.

[3] 郭江龍，常澍平，馮愛華，等.壓縮式和吸收式熱泵回收電廠循環(huán)水冷凝熱經(jīng)濟(jì)性分析[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2012，54（5）：379-380.

[4] 林萬超.火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1994.

收稿日期：2020-03-12

作者簡介：孟立強(qiáng)（1975—），男，河北衡水人，工程師，研究方向：熱能與動力工程。