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        600 MW濕冷機(jī)組利用熱泵回收余熱供熱措施優(yōu)化

        2022-02-21 01:52:34周新樂薛昊棟周永鋼
        內(nèi)蒙古電力技術(shù) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:電動(dòng)閥水塔熱網(wǎng)

        周新樂,薛昊棟,周永鋼

        (華電內(nèi)蒙古能源有限公司包頭發(fā)電分公司,內(nèi)蒙古 包頭 014013)

        0 引言

        汽輪機(jī)排汽熱損失占熱電廠全廠各項(xiàng)損失的50%以上[1],占機(jī)組額定供熱量的30%以上,合理利用該余熱不僅可以有效提高熱電廠的供熱量[2],而且可以降低供熱機(jī)組的發(fā)電煤耗率。吸收式熱泵可以從低溫?zé)嵩刺崛〉推焚|(zhì)能量并轉(zhuǎn)化為較高品質(zhì)能量,僅消耗少量的逆循環(huán)凈功就可以得到較大的供熱量[3],從而提高熱電廠供熱能力。本文以華電內(nèi)蒙古能源有限公司包頭發(fā)電分公司(以下簡稱華電包頭分公司)600 MW 濕冷機(jī)組熱泵余熱利用供熱改造為例,依據(jù)熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況,結(jié)合熱泵整體節(jié)能效果計(jì)算分析,給出熱泵較為合理的運(yùn)行節(jié)能調(diào)整手段和系統(tǒng)調(diào)整思路,為其他熱電廠改造提供借鑒。

        1 設(shè)備概況及存在的問題

        華電包頭分公司600 MW濕冷機(jī)組單機(jī)額定抽汽流量400 t/h,平均抽汽壓力0.45 MPa,平均抽汽溫度330 ℃。熱網(wǎng)水流量為8000~9000 t/h,尖寒期供熱溫度96 ℃,回水溫度為50 ℃。依據(jù)以上參數(shù)選用單臺(tái)容量為60 MW 溴化鋰熱泵,共6 臺(tái),能效比(即供熱熱網(wǎng)水吸收熱量與維持熱泵運(yùn)行而需加入的高溫驅(qū)動(dòng)蒸汽熱量的比值)COP為1.7。熱泵系統(tǒng)由2號(hào)機(jī)組帶,2號(hào)機(jī)組熱網(wǎng)抽汽用于熱泵的驅(qū)動(dòng)汽源282 t/h,最大可回收2 號(hào)機(jī)組的循環(huán)水余熱功率為148 MW。熱網(wǎng)水先進(jìn)入熱泵,由50 ℃最高加熱至81 ℃,然后再進(jìn)入熱網(wǎng)首站由1號(hào)機(jī)組熱網(wǎng)加熱器繼續(xù)加熱,從81 ℃加熱至所需的供熱溫度(流程見圖1)。

        圖1 吸收式熱泵解決方案流程圖Fig.1 Absorption heat pump solutions flow chart

        冬季2號(hào)機(jī)組凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)為一臺(tái)低速循環(huán)泵,循環(huán)水流量為33 000 t/h。部分循環(huán)水(流量約21 000 t/h)進(jìn)入熱泵系統(tǒng),溫度從35 ℃(設(shè)計(jì)溫度)下降到29 ℃,然后排至2號(hào)機(jī)組涼水塔塔池,其余循環(huán)水進(jìn)入2 號(hào)機(jī)涼水塔冷卻。按照進(jìn)入熱泵35 ℃的循環(huán)水要求,需要提高機(jī)組背壓約1.8 kPa。

        最初系統(tǒng)設(shè)計(jì)可降低機(jī)組全年耗煤量71.3 kt,并可減排NOx約500 t、SO2約1700 t,具有良好的節(jié)能減排效益。但在實(shí)際運(yùn)行中,存在著制約熱泵節(jié)能的因素:供熱初末期熱需求量低,熱泵無法達(dá)到額定負(fù)荷,而機(jī)組帶熱泵影響主機(jī)真空;在機(jī)組帶熱泵運(yùn)行中,環(huán)境溫度變化大,水塔懸掛的擋風(fēng)板數(shù)量無法及時(shí)調(diào)整,影響余熱水溫度調(diào)整,影響主機(jī)真空,從而導(dǎo)致實(shí)際熱泵節(jié)能效果下降。

        2 溴化鋰吸收式熱泵工作原理

        溴化鋰吸收式熱泵可以利用現(xiàn)有熱網(wǎng)抽汽作為驅(qū)動(dòng)熱源,以溴化鋰濃溶液為吸收劑,溴化鋰吸收式熱泵水為蒸發(fā)劑,利用水在真空狀態(tài)下低沸點(diǎn)蒸發(fā)吸熱的特性,提取凝汽器出口低溫循環(huán)水的余熱熱量,然后通過吸收劑回收熱量并轉(zhuǎn)移至熱網(wǎng)水側(cè)供熱。溴化鋰吸收式熱泵由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器和熱交換器及抽氣裝置、屏蔽泵(溶液泵和冷劑泵)等組成(見圖2)。

        圖2 溴化鋰吸收式熱泵工作原理Fig.2 Working principle of lithium bromide absorption heat pump

        吸收式熱泵的能效比COP 值,按設(shè)計(jì)工況取1.7~2.2。而直接用常規(guī)加熱器加熱的COP 值為0.9。采用溴化鋰吸收式熱泵替代熱網(wǎng)加熱器加熱在獲得相同熱量的情況下,可節(jié)約42%以上的燃料消耗量,節(jié)能效果顯著。

        3 解決方案

        3.1 熱泵系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整

        供熱安全是保證供熱量和實(shí)現(xiàn)供熱經(jīng)濟(jì)性的前提,所以合理安排供熱方式非常重要。若供熱初末期全部由熱泵供熱,一旦2號(hào)機(jī)組出現(xiàn)故障停機(jī),1 號(hào)機(jī)組熱網(wǎng)系統(tǒng)因需要長時(shí)間的暖管疏水、沖洗以及系統(tǒng)操作,會(huì)造成6~8 h的供熱中斷,尤其在供熱尖寒期影響更明顯。所以1號(hào)機(jī)組要盡可能帶最小的供熱負(fù)荷,從而保持1號(hào)機(jī)組供熱系統(tǒng)為熱態(tài),隨時(shí)接帶較大供熱負(fù)荷。在此基礎(chǔ)上優(yōu)先保持熱泵系統(tǒng)高負(fù)荷運(yùn)行。在供熱尖寒期,熱泵為基礎(chǔ)供熱設(shè)備,只有在6臺(tái)熱泵全部投入運(yùn)行,依然不能滿足供熱需求時(shí),再增1 號(hào)機(jī)組熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽量作為尖寒期調(diào)峰手段,維持供熱溫度穩(wěn)定。

        600 MW 機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)大,凝汽器出口循環(huán)水溫度也隨之有較大變化。正常情況下凝汽器循環(huán)水溫升為10 ℃,而進(jìn)入熱泵的循環(huán)水溫降僅有5 ℃,因而需要隨時(shí)調(diào)整分配循環(huán)水上塔水量與進(jìn)熱泵水量,從而維持凝汽器出口循環(huán)水溫度在熱泵正常工作范圍內(nèi)。所以循環(huán)水上塔電動(dòng)閥和循環(huán)水進(jìn)熱泵電動(dòng)閥選擇調(diào)節(jié)閥最為合適,這兩個(gè)閥門協(xié)調(diào)配合來調(diào)整進(jìn)入熱泵循環(huán)水量和溫度,循環(huán)水溫度高時(shí)加大上塔水量,循環(huán)水溫度低時(shí)加大進(jìn)入熱泵系統(tǒng)循環(huán)水量。同時(shí)根據(jù)機(jī)組最低負(fù)荷(50%負(fù)荷)下循環(huán)水溫度情況,合理增加或減少水塔擋風(fēng)板數(shù)量。這樣即可保證在550 MW 負(fù)荷(冬季供熱機(jī)組負(fù)荷上限受限)時(shí)進(jìn)入熱泵循環(huán)水流量不低于60%額定流量,在機(jī)組低負(fù)荷時(shí)進(jìn)入熱泵的循環(huán)水溫度不低于熱泵安全帶負(fù)荷率。

        3.2 熱泵系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整優(yōu)化

        北方地區(qū)冬季有5—7 個(gè)月供熱期,但是只有2—3個(gè)月是高負(fù)荷供熱期,其余3—4個(gè)月為低負(fù)荷供熱期,供熱初末期時(shí)長占整體供熱期的一半以上。在整個(gè)供熱初末期因供熱需求量較小,熱泵系統(tǒng)經(jīng)常在低于50%額定負(fù)荷下運(yùn)行。按照進(jìn)入熱泵額定的35 ℃循環(huán)水溫度要求,機(jī)組背壓增大約1.8 kPa,對(duì)應(yīng)汽輪機(jī)熱耗增加值基本固定,但是熱泵系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)回收余熱量至少下降50%,導(dǎo)致熱泵與機(jī)組綜合節(jié)能效果大幅下降,甚至不節(jié)能。熱泵實(shí)際節(jié)能效果要明顯低于設(shè)計(jì)水平,但是如果將進(jìn)入熱泵的熱網(wǎng)水溫度降低至28 ℃,就可以基本消除因熱泵系統(tǒng)投運(yùn)對(duì)2 號(hào)汽輪機(jī)背壓或熱耗的影響,但存在的風(fēng)險(xiǎn)是熱泵容易因循環(huán)水溫度過低造成熱泵過負(fù)荷結(jié)晶。華電包頭分公司2號(hào)熱泵發(fā)生過一次結(jié)晶,熱泵結(jié)晶后需熔晶處理,最少需要72 h。結(jié)晶問題與熱泵的工作原理、溴化鋰溶液的特性有關(guān)。在進(jìn)入熱泵循環(huán)水溫度大幅降低的條件下要保證熱泵安全穩(wěn)定運(yùn)行,需要有試驗(yàn)依據(jù),因此進(jìn)行了嘗試性試驗(yàn),成功將凝汽器出口循環(huán)水溫度降低至28 ℃,在不增加汽輪機(jī)熱耗的基礎(chǔ)上,成功完成熱泵吸收循環(huán)水余熱,而且熱泵COP值沒有明顯下降,顯著提高了熱泵節(jié)能效果。經(jīng)過較長時(shí)間的運(yùn)行調(diào)整后,得出不同余熱水溫度對(duì)應(yīng)的熱泵安全帶負(fù)荷率(見表1)。

        表1 不同余熱水溫度對(duì)應(yīng)的熱泵安全負(fù)荷率Tab.1 Heat pump safety load rate corresponding to different waste heat water temperatures

        依據(jù)以上數(shù)據(jù),在調(diào)整過程中,按照供熱需求,在保證熱泵需要的負(fù)荷率條件下,調(diào)整凝汽器出口循環(huán)水溫度至最低安全值,合理增減投運(yùn)熱泵的數(shù)量,從而控制熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力不超壓,可以最大程度提高熱泵與機(jī)組綜合節(jié)能效益。通過以上優(yōu)化調(diào)整措施,華電包頭分公司全年節(jié)約6600 t標(biāo)煤,降低全廠發(fā)電煤耗率約1.1 g/kWh。

        供熱末期,環(huán)境溫度回升,需要及時(shí)拆除水塔擋風(fēng)板,提高水塔冷卻能力,一方面可以確保余熱水溫度接近28 ℃,降低機(jī)組背壓;另一方面可以增加進(jìn)入熱泵余熱水流量,提高熱泵換熱效果。綜合考慮循環(huán)水溫度控制、熱泵負(fù)荷率、環(huán)境溫度變化等因素,制訂合理的水塔擋風(fēng)板拆除措施:在循環(huán)水下塔電動(dòng)閥全關(guān)、熱泵余熱水流量達(dá)22 000 t/h且余熱水溫度持續(xù)高于35 ℃時(shí),拆除2號(hào)水塔第三層擋風(fēng)板。在循環(huán)水下塔電動(dòng)閥全關(guān)、熱泵余熱水流量達(dá)18 000 t/h 且余熱水溫度持續(xù)高于32 ℃時(shí),拆除2號(hào)水塔第二層擋風(fēng)板。在循環(huán)水下塔電動(dòng)閥全關(guān)、熱泵余熱水流量達(dá)16 000 t/h且余熱水溫度持續(xù)高于30 ℃時(shí),完成2號(hào)水塔第一層擋風(fēng)板拆除。隨著運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不斷積累,運(yùn)行方式不斷優(yōu)化,熱泵節(jié)能效果逐年提升。

        3.3 冬季水塔防凍

        供熱尖寒期,進(jìn)熱泵循環(huán)水量加大,上涼水塔水量減少,甚至為了維持合適余熱水溫度,需要部分開啟循環(huán)水下塔電動(dòng)閥,造成涼水塔淋水密度不足,即使涼水塔加裝三層擋風(fēng)板(最多三層),水塔內(nèi)部溫度依然偏低,水塔填料下部結(jié)冰量大,內(nèi)部收水器部分同樣有結(jié)冰。大量結(jié)冰損壞水塔填料和收水器,因此制訂了水塔防凍措施:在循環(huán)水下塔電動(dòng)閥全關(guān)、熱泵余熱水流量達(dá)20 000 t/h且余熱水溫度持續(xù)低于28 ℃時(shí)完成2 號(hào)水塔第一層擋風(fēng)板懸掛。在循環(huán)水下塔電動(dòng)閥全關(guān)、熱泵余熱水流量達(dá)20 000 t/h且余熱水溫度持續(xù)低于30 ℃時(shí),在2號(hào)水塔懸掛第二層擋風(fēng)板。在循環(huán)水下塔電動(dòng)閥全關(guān)、熱泵余熱水流量達(dá)18 000 t/h且余熱水溫度持續(xù)低于32 ℃時(shí),在2號(hào)水塔懸掛第三層擋風(fēng)板。

        另外,尖寒期采取水塔沖冰措施,開啟循環(huán)水下塔電動(dòng)閥,短時(shí)間將余熱水溫度提高至40 ℃,然后關(guān)閉下塔電動(dòng)閥,啟動(dòng)高速循泵,短時(shí)間增加循環(huán)水量來沖洗水塔填料冰塊,基本可以控制水塔填料下部結(jié)冰量。但水塔內(nèi)部環(huán)境溫度不易控制,收水器結(jié)冰問題依然無法得到解決。每個(gè)冬季過后,涼水塔內(nèi)收水器都有損壞。如何控制冬季2號(hào)機(jī)組涼水塔內(nèi)部結(jié)冰問題是今后需要深入研究的問題。

        建議大型機(jī)組進(jìn)行熱泵供熱改造時(shí),要靈活調(diào)配兩臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水和熱網(wǎng)抽汽,優(yōu)化控制結(jié)構(gòu),采用智能化控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)配置運(yùn)行,尖寒期實(shí)現(xiàn)“兩機(jī)一塔”的運(yùn)行方式(無循環(huán)水回水母管聯(lián)絡(luò)閥,無法實(shí)現(xiàn)兩機(jī)一塔方式),避免涼水塔內(nèi)部結(jié)冰。

        4 結(jié)束語

        熱泵應(yīng)用于華電包頭分公司600 MW濕冷機(jī)組供熱系統(tǒng),節(jié)能效果顯著,增加了148 MW的供熱能力,可供熱300萬m2。但是因汽輪機(jī)循環(huán)水熱量大,熱泵無法全部吸納,需要部分循環(huán)水上涼水塔冷卻散熱,部分循環(huán)水進(jìn)熱泵降溫,因此在機(jī)組負(fù)荷大幅變化的情況下平衡熱泵余熱水(循環(huán)水)流量與余熱水溫度是運(yùn)行調(diào)整的關(guān)鍵。調(diào)整過程中,要保證進(jìn)入熱泵循環(huán)水流量不低于60%額定流量,以及機(jī)組低負(fù)荷時(shí)進(jìn)入熱泵的余熱水溫度(循環(huán)水溫度)不低于熱泵安全帶負(fù)荷率。本文提出的調(diào)整手段可為供熱初末期合理提高熱泵與機(jī)組的綜合節(jié)能效果提供思路。

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