鄧庚庚， 周家輝， 周天羽， 徐 鋼， 劉文毅， 王永旭

(1． 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 北京 102206；2． 通遼發(fā)電總廠有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古通遼 028000)

隨著我國(guó)雙碳目標(biāo)的提出，能源供應(yīng)安全要求更高，能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型迫在眉睫，“減碳”將是大勢(shì)所趨[1]。但煤炭是中國(guó)能源安全的基石，以燃煤機(jī)組為主的基礎(chǔ)電力供應(yīng)可直接決定我國(guó)可再生能源的發(fā)展[2]。另外隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，對(duì)蒸汽能量梯級(jí)利用的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組得到快速發(fā)展，截至2020年，熱電裝機(jī)比重已達(dá)40%[3-4]。因此，如何提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱電比以及余熱高效梯級(jí)利用成為研究重點(diǎn)[5]。

目前，國(guó)內(nèi)外余熱利用方法主要集中于吸收式熱泵余熱回收技術(shù)、背壓小汽輪機(jī)(以下簡(jiǎn)稱汽機(jī))和蒸汽引射器供熱技術(shù)等。Sun等[6]提出了一種基于噴射式換熱器和吸收式熱泵的熱電聯(lián)產(chǎn)廢熱集中供熱系統(tǒng)，可通過(guò)降低熱網(wǎng)回水溫度來(lái)提高熱網(wǎng)的傳熱能力。Zhang等[7]提出了一種采用蒸汽噴射泵的高背壓供熱系統(tǒng)。Kasaeian等[8]將噴射式制冷循環(huán)與朗肯循環(huán)相結(jié)合，提高了工廠在能源生產(chǎn)、冷卻和加熱方面的整體效率。Liu等[9]對(duì)比了3種引入蒸汽引射器的新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)并聯(lián)引射器時(shí)熱效率和系統(tǒng)效率最高。張鈞泰等[10]提出了一種采用多組引射器的熱電解耦系統(tǒng)，結(jié)果表明較低電熱負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性更好。孫博昭等[11]對(duì)比分析了不同工況下傳統(tǒng)供汽機(jī)組與新型耦合引射器供汽系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。劉秋升等[12]提出采用低壓汽輪機(jī)和蒸汽引射器聯(lián)合利用方案，并對(duì)其進(jìn)行了節(jié)能分析。胡林靜等[13]利用蒸汽引射器對(duì)熱網(wǎng)水實(shí)現(xiàn)三級(jí)梯級(jí)加熱，增強(qiáng)了機(jī)組供熱能力。綜上所述，文獻(xiàn)[9]～文獻(xiàn)[11]針對(duì)較高壓蒸汽的利用，主要是用于工業(yè)供汽系統(tǒng)；文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]提出的系統(tǒng)同樣非常成熟且可用性較高，但運(yùn)行靈活性受到設(shè)備本身特性的限制，各個(gè)設(shè)備之間最優(yōu)應(yīng)用溫度范圍有交叉，節(jié)能效果有限。

鑒于此，筆者以某330 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為參考案例，提出了一種耦合蒸汽引射器和背壓小汽機(jī)的新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，充分利用了水側(cè)梯級(jí)加熱的靈活性，使得系統(tǒng)最大限度地提高了蒸汽引射器及背壓小汽機(jī)的效率；同時(shí)系統(tǒng)采用的技術(shù)都比較成熟，組合簡(jiǎn)單，運(yùn)行靈活性較高，可降低熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組直接抽汽供熱帶來(lái)的蒸汽品質(zhì)浪費(fèi)以及機(jī)組冷端損失。然后利用EBSILON 15.0軟件分別構(gòu)建新型小汽機(jī)耦合多級(jí)蒸汽引射器供熱系統(tǒng)與常規(guī)抽汽供熱系統(tǒng)的計(jì)算模型，并對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了詳細(xì)的熱力性能分析和經(jīng)濟(jì)性分析。

1 供熱系統(tǒng)介紹

1.1 常規(guī)抽汽供熱系統(tǒng)

選擇采用常規(guī)抽汽供熱系統(tǒng)的某330 MW亞臨界直接空冷機(jī)組作為參比案例，其機(jī)組系統(tǒng)示意如圖1所示，其中R1和R2分別為供熱抽汽和供熱疏水。案例機(jī)組基本參數(shù)見(jiàn)表1。該機(jī)組是亞臨界、一次中間再熱、兩缸兩排汽、直接空冷、抽汽凝汽式汽輪機(jī)。單臺(tái)機(jī)組額定抽汽能力達(dá)到550 t/h，調(diào)整抽汽壓力為0.45 MPa，機(jī)組的熱力系統(tǒng)共設(shè)有7段回?zé)岢槠?，分別供給3臺(tái)高壓加熱器、1臺(tái)除氧器和3臺(tái)低壓加熱器。

圖1 常規(guī)抽汽供熱系統(tǒng)示意圖

表1 案例機(jī)組基本參數(shù)

供熱機(jī)組從中低壓連通管直接抽汽，然后抽汽進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器中冷凝并對(duì)熱網(wǎng)回水進(jìn)行加熱，在達(dá)到熱網(wǎng)供水溫度后，將其提供給熱用戶，其疏水排放至除氧器中。熱網(wǎng)加熱器采用管殼式汽液熱交換器，該加熱器主要是利用蒸汽相變區(qū)的潛熱來(lái)加熱熱網(wǎng)水，供熱蒸汽參數(shù)較高，其壓力和溫度一般為0.45 MPa和250.1 ℃，額定熱網(wǎng)供水溫度最高僅為104 ℃，供熱早晚期只有85 ℃左右，使得熱網(wǎng)加熱器內(nèi)部端差超過(guò)150 K，二者的巨大溫差使得熱網(wǎng)加熱器換熱損較高。因此，該熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)存在巨大的節(jié)能改造空間。

1.2 新型小汽機(jī)耦合多級(jí)蒸汽引射器供熱系統(tǒng)

針對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組常規(guī)抽汽供熱系統(tǒng)中供熱抽汽進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器中換熱存在巨大的做功能力損失問(wèn)題，筆者提出熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組小汽機(jī)耦合多級(jí)蒸汽引射器供熱系統(tǒng)。根據(jù)能量梯級(jí)利用原則，一方面，新系統(tǒng)增設(shè)并聯(lián)蒸汽引射器系統(tǒng)以提升乏汽參數(shù)，對(duì)熱網(wǎng)回水進(jìn)行兩級(jí)加熱；另一方面，新系統(tǒng)在熱網(wǎng)加熱器前增設(shè)背壓小汽機(jī)，對(duì)中排抽汽的能量進(jìn)行部分回收后排入耦合熱網(wǎng)換熱器，再對(duì)熱網(wǎng)水進(jìn)行加熱，達(dá)到熱網(wǎng)供水溫度。新系統(tǒng)如圖2所示，基本參數(shù)見(jiàn)表2。圖中，A1為供熱抽汽，A11、A12、A13分別為進(jìn)入一級(jí)蒸汽引射器、二級(jí)蒸汽引射器以及背壓小汽機(jī)的供熱蒸汽；A21、A22、A23分別為進(jìn)入一級(jí)～三級(jí)加熱器的蒸汽；B1為汽輪機(jī)低壓缸排汽，B11、B12分別為進(jìn)入一級(jí)蒸汽引射器以及二級(jí)蒸汽引射器的低壓缸排汽；C1為供熱疏水。

圖2 新型小汽機(jī)耦合多級(jí)蒸汽引射器供熱系統(tǒng)示意圖

表2 耦合供熱機(jī)組的基本參數(shù)

新系統(tǒng)的中壓排汽一路進(jìn)入并聯(lián)蒸汽引射系統(tǒng)引射機(jī)組乏汽，混合后對(duì)熱網(wǎng)水進(jìn)行梯級(jí)加熱。熱網(wǎng)加熱器端差取5 K，一級(jí)蒸汽引射器將乏汽壓力提高至28 kPa，可將熱網(wǎng)回水從55 ℃加熱至63 ℃。二級(jí)蒸汽引射器可將乏汽壓力提升至38 kPa，二級(jí)加熱器可將熱網(wǎng)回水從63 ℃加熱至70 ℃。另一路抽汽進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器前的背壓小汽機(jī)，做功后蒸汽壓力降低至0.14 MPa，再進(jìn)入三級(jí)加熱器進(jìn)行換熱，將熱網(wǎng)回水加熱至熱網(wǎng)供水溫度。系統(tǒng)每一級(jí)熱網(wǎng)加熱器出口熱網(wǎng)水溫度與供熱蒸汽對(duì)應(yīng)的飽和溫度相差5 K左右，換熱損大大降低。背壓小汽機(jī)帶動(dòng)高壓異步發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電，可直接用于承擔(dān)主機(jī)部分電負(fù)荷。設(shè)置并聯(lián)蒸汽引射系統(tǒng)回收乏汽熱量以及背壓小汽機(jī)進(jìn)行余壓回收，在滿足熱網(wǎng)熱負(fù)荷的前提下，減少了供熱抽汽直接供熱帶來(lái)的蒸汽品質(zhì)損失，并利用了部分乏汽余熱，實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用。

2 分析方法

2.1 能量分析

采用耦合供熱系統(tǒng)的發(fā)電效率與供熱效率作為熱力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)[14]。

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱耗量Qf為：

(1)

式中：qm,0和qm,1分別為主蒸汽質(zhì)量流量和再熱蒸汽質(zhì)量流量，t/h；h0、h1、h2和h3分別為主蒸汽焓、給水焓、再熱蒸汽焓和高壓缸排汽焓，kJ/kg；ηb和ηp分別為鍋爐效率和管道效率，分別取92.0%和99.5%。

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組總的供熱量Qh為熱網(wǎng)加熱器的供熱量：

(2)

供熱系統(tǒng)的折合發(fā)電效率ηe和熱電聯(lián)產(chǎn)效率ηh定義為：

(3)

(4)

式中：qm為進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器蒸汽的質(zhì)量流量，t/h；h4和h5分別為熱網(wǎng)加熱器進(jìn)口焓和疏水焓，kJ/kg；Pe為供熱系統(tǒng)的凈發(fā)電功率，MW；ηb(h)為熱電分產(chǎn)工業(yè)供熱鍋爐熱效率，取80.0%。

質(zhì)量為m的流動(dòng)工質(zhì)焓Ex一般為：

Ex=(H-H0)-T0(S-S0)

(5)

式中：H和H0為穩(wěn)定流動(dòng)工質(zhì)進(jìn)、出口焓，kJ/kg；S和S0為穩(wěn)定流動(dòng)工質(zhì)進(jìn)、出口熵，kJ/(kg·K)；T0為此時(shí)環(huán)境的溫度，K。

(6)

Exd=Exin-Exout

(7)

式中：Exin為系統(tǒng)輸入，MW；Exout為系統(tǒng)輸出，MW。

2.3 經(jīng)濟(jì)性分析

筆者通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)改造后年增加的收入來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與垃圾發(fā)電機(jī)組進(jìn)行耦合供熱改造后，新系統(tǒng)的投資成本主要是蒸汽引射器、管殼式換熱器及小汽機(jī)的初投資，另外還需要考慮改造所需管道等投資、新的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本等因素[16]。

通過(guò)規(guī)模因子法對(duì)管殼式換熱器進(jìn)行初投資的估計(jì)[17]：

(8)

對(duì)蒸汽引射器的初投資估計(jì)[18]為：

(9)

對(duì)發(fā)電機(jī)等設(shè)備的初投資估計(jì)為：

(10)

則新設(shè)備的年化新增投資CB可以表示為：

(11)

式中：CE為新增設(shè)備投資，萬(wàn)元；CR為參比設(shè)備價(jià)格，取1.2萬(wàn)元；AE為設(shè)備換熱面積，m2；AR為參比設(shè)備換熱面積，取100 m2；qm,f為乏汽質(zhì)量流量，kg/s；tl為乏汽溫度，℃；pl和ph分別為混合蒸汽和工作蒸汽的壓力，MPa；W為機(jī)組輸出功率，MW；CA為管道及輔機(jī)投資，其中CA=CE×20%，萬(wàn)元；r為貼現(xiàn)率，取6%[19]；n為設(shè)備使用壽命，a。

與案例系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)年增加的收入Cn為：

Cn=(Cnew-Cold)-CB-CM

(12)

式中：Cnew為耦合供熱系統(tǒng)收益，萬(wàn)元；Cold為案例系統(tǒng)收益，萬(wàn)元；CM為耦合供熱系統(tǒng)新增運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，萬(wàn)元。

3 系統(tǒng)建模

3.1 系統(tǒng)建模

利用EBSILON 15.0軟件分別對(duì)案例系統(tǒng)和新系統(tǒng)進(jìn)行建模。EBSILON 15.0是德國(guó) STEAG 電力公司開(kāi)發(fā)的軟件工具，可用于能源電力領(lǐng)域熱力系統(tǒng)建模、計(jì)算和仿真[20]。

將模擬結(jié)果與機(jī)組設(shè)計(jì)平衡圖上的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，不同工況下機(jī)組功率準(zhǔn)確性驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表3，其中THA表示機(jī)組熱耗率驗(yàn)收工況。供熱工況下(80%THA)機(jī)組關(guān)鍵蒸汽參數(shù)模擬準(zhǔn)確性驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出，模型基準(zhǔn)工況下參數(shù)模擬值與設(shè)計(jì)值相對(duì)誤差較小，滿足工程應(yīng)用要求，因此可用該模型進(jìn)行相關(guān)模擬計(jì)算。

表3 模型準(zhǔn)確度分析

表4 供熱工況下機(jī)組參數(shù)準(zhǔn)確性驗(yàn)證結(jié)果

3.2 模擬分析

所選用的常規(guī)抽汽供熱機(jī)組在供熱期內(nèi)平均供熱負(fù)荷為206 MW，供水溫度與回水溫度分別為104 ℃和55 ℃。機(jī)組從中低壓連通管抽汽并用于供熱，為保證中壓缸末級(jí)葉片的安全可靠性，在投入抽汽時(shí)中壓缸排汽壓力不得低于0.4 MPa，通常為0.45 MPa，供熱抽汽質(zhì)量流量約為300 t/h。為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程以及降低分析難度，設(shè)定案例系統(tǒng)與新系統(tǒng)的電負(fù)荷、熱負(fù)荷保持一致。通過(guò)大量的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看，案例系統(tǒng)大部分時(shí)間在70%～80%負(fù)荷下運(yùn)行，因此進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算時(shí)，工況選用80%THA工況。對(duì)案例系統(tǒng)與新系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算并分析其熱力性能，模擬過(guò)程中用到的供熱側(cè)主要流股參數(shù)如表5所示，模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 系統(tǒng)模擬主要流股參數(shù)

表6 機(jī)組主要熱力性能參數(shù)

4 結(jié)果及分析

4.1 能量分析

根據(jù)表6可知，新系統(tǒng)的供熱抽汽質(zhì)量流量(以下簡(jiǎn)稱抽汽量)減少了33.4 t/h，新系統(tǒng)整體標(biāo)煤耗量相比案例系統(tǒng)降低了4.18 t/h，折合發(fā)電煤耗下降15.84 g/(kW·h)，折合發(fā)電效率與熱電聯(lián)產(chǎn)總效率分別提升了5.34個(gè)百分點(diǎn)和3.22個(gè)百分點(diǎn)。一方面，由于新系統(tǒng)增加了耦合梯級(jí)引射系統(tǒng)，可將44.21 t/h乏汽提升品質(zhì)用于供熱，替代33.4 t/h高品質(zhì)供熱抽汽；另一方面，進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器的蒸汽先在背壓小汽機(jī)中做功，利用其排汽對(duì)熱網(wǎng)水進(jìn)行三次加熱，達(dá)到熱網(wǎng)供水溫度，背壓小汽機(jī)的發(fā)電量可以承擔(dān)部分主機(jī)電功率，可進(jìn)一步降低發(fā)電煤耗量，節(jié)能效果顯著。

為進(jìn)一步探究新系統(tǒng)的節(jié)能機(jī)理，繪制了案例系統(tǒng)與新系統(tǒng)的能量流動(dòng)圖，如圖3所示。由圖3可知，2個(gè)系統(tǒng)的總發(fā)電量與供熱量都相等，但由于系統(tǒng)耦合，新系統(tǒng)可以利用機(jī)組乏汽熱量30.95 MW，輸入耦合熱網(wǎng)換熱器的抽汽熱量減少了27.07 MW。此外，在新系統(tǒng)中，背壓小汽機(jī)有11.18 MW的出功，在總出功不變的情況下，大機(jī)出功可以減少11.18 MW。最終，供熱的總抽汽能量減少了27.07 MW，燃煤總輸入減少了34.07 MW，約降低了4.72%。由能量分析結(jié)果可知，新系統(tǒng)效率提升的主要原因在于：(1) 由于部分乏汽被利用，汽輪機(jī)排汽損失明顯降低；(2) 背壓小汽機(jī)發(fā)電降低了主汽輪機(jī)承擔(dān)的電負(fù)荷，進(jìn)而減少其蒸汽量及循環(huán)輸入熱量。

(a) 常規(guī)抽汽供熱系統(tǒng)

為深入探究新系統(tǒng)整體效率提升的關(guān)鍵，分別對(duì)案例系統(tǒng)與新系統(tǒng)進(jìn)行分析，如圖4所示，可得出以下結(jié)論：

(a) 常規(guī)抽汽供熱系統(tǒng)

(4) 綜上，新系統(tǒng)在總發(fā)電量與供熱量相同的情況下，燃料總輸入降低了34.07 MW，效率提升了1.99%。

4.3 經(jīng)濟(jì)性分析

為評(píng)估系統(tǒng)耦合所帶來(lái)的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的變化，對(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。經(jīng)濟(jì)性分析過(guò)程的參數(shù)設(shè)置如下：(1) 標(biāo)煤價(jià)格為800元/t[21]；(2) 供熱系統(tǒng)供熱期為4個(gè)月；(3) 新增設(shè)備運(yùn)行維護(hù)投資為設(shè)備投資的4%[22]；(4) 設(shè)備報(bào)廢年限為25 a。

其中，蒸汽引射器的購(gòu)置成本是按照相關(guān)公開(kāi)的招標(biāo)文件估計(jì)的。由于新系統(tǒng)分三級(jí)對(duì)熱網(wǎng)水進(jìn)行加熱，2臺(tái)熱網(wǎng)加熱器以及背壓小汽機(jī)為主要的設(shè)備投資內(nèi)容。另外，新系統(tǒng)的供熱抽汽是由1股蒸汽進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器改為3股供熱蒸汽進(jìn)入耦合熱網(wǎng)換熱器以及背壓小汽機(jī)進(jìn)行梯級(jí)加熱，其改動(dòng)是在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加設(shè)備，不會(huì)對(duì)原系統(tǒng)產(chǎn)生其他影響，改造難度較低，新系統(tǒng)改造主要投資見(jiàn)表7。

表7 系統(tǒng)改造主要投資

新系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果如表8所示。從表8可以看出，雖然系統(tǒng)改造增設(shè)了蒸汽引射器、耦合熱網(wǎng)換熱器以及背壓小汽機(jī)等其他設(shè)備投資2 940萬(wàn)元、年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用117.6萬(wàn)元，但以供熱期120 d計(jì)算，新系統(tǒng)年節(jié)煤量可達(dá)12 038 t，節(jié)煤收益為963.04萬(wàn)元，年化新增收益凈現(xiàn)值可達(dá)570.02萬(wàn)元，系統(tǒng)改造帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)性效益較高。

表8 經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果

5 結(jié) 論

(1) 在機(jī)組電負(fù)荷為264 MW(80%THA)，供熱負(fù)荷為206 MW時(shí)，與案例系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)整體標(biāo)煤耗量降低了4.18 t/h，熱電聯(lián)產(chǎn)總效率提升了3.22個(gè)百分點(diǎn)，發(fā)電煤耗下降了15.84 g/(kW·h)，節(jié)能效果顯著。

(3) 由經(jīng)濟(jì)性分析可知，新系統(tǒng)新增設(shè)備總投資2 940萬(wàn)元、年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用117.6萬(wàn)元，同時(shí)系統(tǒng)節(jié)煤收益為963.04萬(wàn)元，年化新增收益570.02萬(wàn)元，有良好的經(jīng)濟(jì)效益與推廣價(jià)值。