杜 威,孫建磊,楊海生

(國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

我國正在全面推進(jìn)節(jié)能環(huán)保的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱方式[1],依托大容量、低能耗熱電聯(lián)產(chǎn)機組,替代能耗高、效率低、污染大的中小供熱鍋爐,是我國落實“碳達(dá)峰、碳中和”重大決策部署的一個方面。隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,供熱負(fù)荷需求也呈快速增長趨勢。近10年來,北方集中供熱面積年均增長率達(dá)13%[2]。部分機組的供熱系統(tǒng)需要增容改造。

供熱系統(tǒng)增容包括對熱網(wǎng)循環(huán)水泵、熱網(wǎng)加熱器、管網(wǎng)等進(jìn)行改造。其中熱網(wǎng)循環(huán)泵主要有工業(yè)汽輪機驅(qū)動或電動機驅(qū)動2種方式[3],用來向熱電企業(yè)用戶提供供熱介質(zhì),是供熱電廠供暖期間主要的耗能設(shè)備。因此,為確保熱電機組的經(jīng)濟運行,供熱系統(tǒng)增容改造時需要合理選擇熱網(wǎng)循環(huán)泵的驅(qū)動方式[4]。

本文以面臨供熱系統(tǒng)增容改造的某300 MW亞臨界供熱機組為例,以等效熱降理論對2種驅(qū)動方式的熱經(jīng)濟性進(jìn)行計算與分析。

1 不同驅(qū)動方式的系統(tǒng)流程

熱網(wǎng)循環(huán)泵的電泵方案,即由電機驅(qū)動2臺50%容量泵。此方案下機組供熱系統(tǒng)如圖1所示。熱網(wǎng)回水通過熱網(wǎng)循環(huán)泵升壓后進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器水側(cè),來自機組五抽的供熱抽汽進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器汽側(cè),在熱網(wǎng)加熱器內(nèi)兩者進(jìn)行熱交換。熱網(wǎng)水升溫后向外網(wǎng)供熱。供熱抽汽冷卻為疏水,由疏水泵升壓后返回?zé)崃ο到y(tǒng),匯入5號低壓加熱器出口凝結(jié)水管道。

圖1 電泵方案系統(tǒng)示意

圖2 為汽泵方案。由2臺50%容量的單級背壓式小汽機為熱網(wǎng)循環(huán)泵提供驅(qū)動力。小汽機汽源取自機組冷段再熱蒸汽。擁有一定過熱度的小汽機排汽與供熱抽汽一起進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器,加熱熱網(wǎng)水后返回?zé)崃ο到y(tǒng)。

圖2 汽泵方案系統(tǒng)示意

2 熱經(jīng)濟性模型的建立

等效熱降法是發(fā)電機組熱力系統(tǒng)分析的一種有效工具,具有簡捷、方便的特點[56]。經(jīng)過驗證,等效熱降法與常規(guī)熱平衡方法之間具有一致性[7],可以較為準(zhǔn)確的計算熱經(jīng)濟性的變化[89]。因此,本文以等效熱降法為基礎(chǔ)建立數(shù)學(xué)模型,對汽泵方案和電泵方案進(jìn)行熱經(jīng)濟性計算與分析。

為保證結(jié)果的客觀準(zhǔn)確,本文中進(jìn)行的熱經(jīng)濟性比較應(yīng)遵循以下原則。

(1)2個方案的比較應(yīng)是在相同的供熱工況下,具體包括:主蒸汽流量相同,供熱量相同,除供熱外的廠用電量相同。這樣就排除了驅(qū)動方式之外的因素對熱經(jīng)濟性的影響。

(2)認(rèn)為與電泵方案相比,汽泵方案中冷段再熱抽汽不影響主汽輪機膨脹線。依照等效熱降理論,主蒸汽流量不變時,冷段再熱額外抽汽可視為不影響全局的小擾動,即主機各段蒸汽參數(shù)不變,只影響各段抽汽量。這樣的假設(shè)是合理的。

(3)2個方案中的熱網(wǎng)循環(huán)水泵性能相同,僅驅(qū)動方式有所區(qū)別。

遵循以上原則,建模具體過程如下。

2.1 電驅(qū)動方式功耗

當(dāng)熱網(wǎng)循環(huán)泵能滿足熱網(wǎng)系統(tǒng)流量Qp與揚程Hp的需求時,則輸入泵的有效功率為

當(dāng)泵使用電機驅(qū)動方式時,消耗的電功率為

式中:g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?ηp、ηi、ηe分別為循環(huán)泵效率,聯(lián)軸器機械傳動效率和電機效率。

2.2 小汽機驅(qū)動方式功耗

當(dāng)小汽機驅(qū)動泵時,則其消耗的冷段再熱蒸汽量為

式中:hlz和hc分別為冷段再熱焓和小汽機排汽焓值,kJ/kg;ηj為汽泵減速器機械效率。

汽動驅(qū)動方式下,耗費的冷段再熱蒸汽使得主機作功能力降低,其值為alz流量的蒸汽直達(dá)凝汽器所作的功為

同時,相應(yīng)有alz流量的熱網(wǎng)疏水返回?zé)崃ο到y(tǒng),匯入主凝結(jié)水管道,產(chǎn)生回收功。計算式為

所以發(fā)電機出力變化量應(yīng)為二者的代數(shù)和

小汽機排汽直接匯入熱網(wǎng)加熱器。與電泵驅(qū)動時相比,同樣供熱量下五抽相應(yīng)減少agr供熱抽汽,由熱網(wǎng)加熱器返回的疏水也減少agr。與冷段再熱抽汽同理,其對主機做功能力的影響為

式中:h5為五段抽汽焓值,kJ/kg。

2.3 供電煤耗率變化的數(shù)學(xué)模型

與電機驅(qū)動方式相比,在同樣的供熱量與主蒸汽流量下,小汽機驅(qū)動除了降低主機出力,減少了廠用電率外,也改變了再熱流量,使再熱吸熱量減少。因此,評價兩種驅(qū)動方式的熱經(jīng)濟性時,應(yīng)綜合考慮這三方面的影響,宜采用供電煤耗率較為合理。即

式中:ΔP=Pgr-Plz,k W;hzr為機組再熱蒸汽焓值,kJ/kg;b為標(biāo)煤發(fā)熱量,kJ;Pcy為機組廠用電量,k W;ηgl與ηgd分別為鍋爐效率和管道效率;Q為主機總吸熱量,kJ/h;Pfd為發(fā)電機出線端功率,k W。

3 實例計算與分析

以面臨供熱改造的某300 MW機組為例。該機組為增加供熱能力,擬將原有的3臺較小容量的電動熱網(wǎng)循環(huán)泵更換為2臺大流量泵。通過上文建立的數(shù)學(xué)模型,計算機組額定供熱和最大供熱工況下汽泵方案與電泵方案的熱經(jīng)濟性,供熱系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)見表1。

額定供熱工況與最大供熱工況下機組蒸汽參數(shù)見表2。根據(jù)表1、2中的參數(shù)及上文的計算依據(jù),得出電泵和汽泵方案的主要熱經(jīng)濟性數(shù)據(jù)的對比,如表3所示。

通過分析比較在機組額定供熱工況和最大供熱工況下熱網(wǎng)循環(huán)泵2種驅(qū)動方式的計算結(jié)果,可知。

(1)從供電煤耗率方面考慮,雖然采用汽泵方案使得機組凈出力較電動方案降低,但同時機組吸熱量即煤耗量也相應(yīng)減少。由表3的計算結(jié)果可得出汽泵方案下機組的供電煤耗率與電泵方案相差不大,兩者在熱經(jīng)濟性方面差距不明顯。

(2)從機組出力方面來看,汽泵方案與電泵方案相比,其發(fā)電機出線端功率有所降低,雖然其廠用電功率也有所減少,但機組凈出力仍低于電泵方案。由于2個方案的機組煤耗率差別很小,因此在煤價合理、機組能夠盈利的前提下,電泵方案更高的凈出力意味著更高的利潤。

(3)從廠用電方面考慮,由表3數(shù)據(jù)可知,采用汽泵方案后由于減少了廠用電的消耗,使廠用電率相對電泵方案下降約1.5%。需要進(jìn)行熱網(wǎng)

4 結(jié)論

對于該300 M W供熱機組,新增的大流量熱網(wǎng)循環(huán)泵采用汽泵方案或電泵方案在熱經(jīng)濟性方面的差別并不明顯。而在機組收益方面,2個方案各有優(yōu)點。此外,汽泵方案在運行調(diào)整方面相對更有優(yōu)勢;電泵方案系統(tǒng)相對簡單、維護(hù)便利。在選擇驅(qū)動方式時除了運行經(jīng)濟性外,還應(yīng)綜合考慮改造成本、系統(tǒng)可靠性、易維護(hù)性、調(diào)節(jié)便利性、投資回收期等方面。系統(tǒng)增容改造的老機組普遍存在高壓廠用變壓器容量較小的情況,難以容納新增的驅(qū)動熱網(wǎng)循環(huán)泵的大功率電動機。而選擇汽泵方案,可以避免額外的高壓廠用變壓器增容工程,節(jié)省了相關(guān)費用。