梁 偉

(中國石油集團電能有限公司熱電二公司,黑龍江 大慶 163411)

0 引言

發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和建設(shè)節(jié)約型社會,以盡量少的物質(zhì)消耗支撐經(jīng)濟社會的持續(xù)發(fā)展。國家《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》明確,到2025年,全國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗比2020年下降13.5%,能源消費總量得到合理控制,重點行業(yè)能源利用效率和主要污染物排放控制水平基本達到國際先進水平,經(jīng)濟社會發(fā)展綠色轉(zhuǎn)型取得顯著成效?！陡吆哪苄袠I(yè)重點領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級實施指南(2022年版)》要求,加強能量系統(tǒng)優(yōu)化、余熱余壓利用,通過推廣使用先進技術(shù)裝備,提高生產(chǎn)工藝和技術(shù)裝備綠色化水平,提升資源能源利用效率[1]。近年來,使用工業(yè)汽輪機驅(qū)動轉(zhuǎn)動設(shè)備,在工業(yè)生產(chǎn)中得到推廣應(yīng)用,可實現(xiàn)平穩(wěn)控制、靈活調(diào)整,合理利用低品質(zhì)余熱,進一步提升了能源利用效率,節(jié)能效果更加顯著。中國石油集團電能有限公司熱電二公司是熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱企業(yè),裝機容量200 MW,擁有乘銀、讓龍兩個熱網(wǎng)首站,具有工業(yè)汽輪機驅(qū)動用蒸汽和動力負荷,且乏汽熱能能夠回收利用,為工業(yè)汽輪機的應(yīng)用提供適宜平臺[2]。

1 電廠熱網(wǎng)系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)概況

熱電二公司熱網(wǎng)系統(tǒng)含乘銀、讓龍兩套相對獨立的熱網(wǎng)首站,其中,乘銀熱網(wǎng)擔負著向乘風莊、銀浪地區(qū)居民采暖供熱任務(wù),設(shè)計供熱負荷360 MW,供熱面積609.54×104m2;讓龍熱網(wǎng)擔負著向讓胡路、龍南地區(qū)居民采暖供熱任務(wù),設(shè)計供熱負荷365 MW,供熱面積707.4×104m2。近年來,隨著城市建設(shè)和小鍋爐房關(guān)停,兩個熱網(wǎng)覆蓋面積逐年增加,基礎(chǔ)供熱面積已達2 300×104m2,年供熱量約900×104GJ。大慶地區(qū)冬季供熱期為183天,年供熱時間4 392 h, 供熱穩(wěn)定期兩網(wǎng)循環(huán)水瞬時流量約12 800 m3/h,兩網(wǎng)循環(huán)水泵年耗電量約為2 400×104kW·h。乘銀熱網(wǎng)主要包括熱網(wǎng)循環(huán)水泵、汽水加熱器、水水加熱器、熱網(wǎng)除氧器、補水泵以及汽水管路和閥門,其汽水系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 乘銀熱網(wǎng)汽水系統(tǒng)

讓龍熱網(wǎng)主要包括熱網(wǎng)循環(huán)水泵、高壓加熱器、低壓加熱器、疏水罐、補水泵和疏水泵等,其汽水系統(tǒng)流程如圖2所示。由于兩網(wǎng)運行方式均由原設(shè)計的直供網(wǎng)改為間供網(wǎng),循環(huán)水運行調(diào)整為高溫小流量,加大了熱量與水量匹配難度,循環(huán)水運行壓力較泵額定參數(shù)偏離較大,也增加了供水系統(tǒng)節(jié)流損失。如采用工業(yè)汽輪機將電動泵替換為汽動泵,不僅可實現(xiàn)循環(huán)水泵變速調(diào)節(jié),化解供熱量與水量匹配矛盾,保持管網(wǎng)壓力平穩(wěn),降低節(jié)流損失,大幅降低熱網(wǎng)系統(tǒng)電量消耗,還能將做功后的乏汽用于讓龍熱網(wǎng)低壓加熱器,實現(xiàn)蒸汽能量的梯級利用,綜合節(jié)能效果將十分顯著[3-5]。

圖2 讓龍熱網(wǎng)汽水系統(tǒng)

1.2 循環(huán)水系統(tǒng)

乘銀熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)共11臺熱網(wǎng)循環(huán)水泵,供熱初、末期平均4臺運行,供暖大負荷期6臺運行,大負荷期供水流量約6 500 m3/h,供水壓力為1.10 MPa,回水壓力為0.1～0.2 MPa。

讓龍熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)共5臺熱網(wǎng)循環(huán)水泵,供熱初、末期平均1臺泵運行,大負荷期間2臺運行,大負荷期供水流量約6 300 m3/h,供水壓力1.20 MPa,回水壓力為0.1～0.2 MPa。

熱網(wǎng)循環(huán)水泵主要參數(shù)見表1。兩網(wǎng)設(shè)計供、回水溫度分別為110 ℃、70 ℃,供暖期隨氣溫變化,對供水溫度及匹配的流量調(diào)度進行調(diào)整,每套熱網(wǎng)供熱計量是通過供回水流量、溫度等測量數(shù)據(jù)核算得出。

表1 熱網(wǎng)循環(huán)水泵主要參數(shù)

1.3 蒸汽系統(tǒng)

1)中溫中壓蒸汽,用作乘銀熱網(wǎng)汽水加熱器和讓龍熱網(wǎng)高壓加熱器汽源,來源包括1號、2號汽輪機的背壓排汽及3號汽輪機的中壓抽汽,事故情況下為保證民用采暖供熱,還可以由主蒸汽通過減溫減壓裝置獲得。上述蒸汽通過中溫中壓蒸汽管網(wǎng)并列運行,管網(wǎng)參數(shù)基本保持在1.05 MPa、280 ℃。

2)廠用低壓蒸汽,額定參數(shù)為0.15 MPa、172 ℃,由中溫中壓蒸汽通過減溫減壓得到,用作讓龍熱網(wǎng)低壓加熱器汽源。

3)乘銀熱網(wǎng)換熱設(shè)備包括8臺汽水加熱器,單臺換熱面積為466 m2。在汽水加熱器中,中溫中壓蒸汽與熱網(wǎng)循環(huán)水進行換熱,將熱量傳遞給熱網(wǎng)循環(huán)水;2臺水水加熱器,每臺換熱面積為450 m2,在水水加熱器中,則是由汽水加熱器導出的疏水與循環(huán)水進行換熱。

4)讓龍熱網(wǎng)換熱設(shè)備包括4臺高壓加熱器,每臺換熱面積700 m2,4臺低壓加熱器,每臺換熱面積為420 m2。中溫中壓蒸汽在高壓加熱器中與熱網(wǎng)循環(huán)水進行換熱,其疏水導入低壓加熱器與低壓蒸汽一同完成對熱網(wǎng)循環(huán)水的初步加熱。

1.4 疏水和補水系統(tǒng)

乘銀熱網(wǎng)疏水系統(tǒng)采用壓差疏導方式,中溫中壓蒸汽在汽水加熱器中完成熱量傳遞,其疏水經(jīng)水水加熱器再次換熱后,疏水壓力保持在0.2 MPa以上,溫度為80～100 ℃,通過熱網(wǎng)疏水母管導入機組低壓除氧系統(tǒng);乘銀熱網(wǎng)補水系統(tǒng)配備3臺補水泵,其額定流量185 m3/h,揚程25 m。

讓龍熱網(wǎng)疏水系統(tǒng)配備4臺疏水泵,額定流量為275 m3/h,揚程130 m,中溫中壓蒸汽在高壓加熱器中換熱后,其疏水導入低壓加熱器,并與低壓蒸汽一同加熱熱網(wǎng)循環(huán)水,換熱后所有疏水導入熱網(wǎng)疏水罐,再經(jīng)疏水泵送入機組高壓除氧器。讓龍熱網(wǎng)補水系統(tǒng)配備2臺補水泵,額定流量為586 m3/h,揚程20.5 m。

兩網(wǎng)補水泵入口均與熱網(wǎng)除氧器下水管道相連,補水泵出口分別接至各自熱網(wǎng)循環(huán)水回水母管,熱網(wǎng)運行時循環(huán)水回水壓力應(yīng)保持在0.1～0.2 MPa,否則應(yīng)啟動或加大熱網(wǎng)補水,以防止回水壓力低導致熱網(wǎng)循環(huán)水泵汽化。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 汽輪機選型

常用的工業(yè)汽輪機按熱力系統(tǒng)原理可分為凝汽式汽輪機、背壓式汽輪機、抽汽式汽輪機和多壓式汽輪機。其中,凝汽式汽輪機和抽汽式汽輪機不同程度存在冷源損失,且機組整體占地面積大,配套的附屬系統(tǒng)較為復雜。多壓式汽輪機除直接利用鍋爐產(chǎn)生的蒸汽外,還可以引入生產(chǎn)流程中的余汽共同作功,但該類汽輪機的性能、使用條件與熱電二公司實際需求并不匹配。背壓式汽輪機結(jié)構(gòu)簡單、緊湊,配套的附屬設(shè)備少,沒有冷源損失,經(jīng)濟性和安全穩(wěn)定性突出,但其做功后的乏汽需要合理的接納和使用[6-7]。

熱電二公司具有工業(yè)汽輪機驅(qū)動所需中溫中壓蒸汽汽源,有大功率熱網(wǎng)循環(huán)水泵動力負荷,且讓龍熱網(wǎng)低壓加熱器恰好能夠?qū)崿F(xiàn)乏汽的接納利用。因此,在工業(yè)汽輪機的選擇上,背壓汽輪機更適合用作熱網(wǎng)循環(huán)水泵動力源。

2.2 參數(shù)確定

依據(jù)《火力發(fā)電廠供熱首站設(shè)計規(guī)范》,熱網(wǎng)循環(huán)水泵驅(qū)動用背壓機功率不宜小于循環(huán)水泵軸功率的1.1倍,其背壓排汽壓力必須大于吸納設(shè)備運行參數(shù),因此,在背壓式汽輪機終參數(shù)選取上應(yīng)有裕度。用于熱網(wǎng)循環(huán)水泵汽輪機,以1.05 MPa、280 ℃作為汽輪機進汽基準初始參數(shù),以廠用低壓0.15 MPa、172 ℃蒸汽作為汽輪機排汽基準終端參數(shù),結(jié)合驅(qū)動的熱網(wǎng)循環(huán)水泵以及循環(huán)水系統(tǒng)實際運行參數(shù),確定汽輪機的具體型號和參數(shù)。

由于原乘銀熱網(wǎng)循環(huán)水泵容量小、效率低且占用空間大,因此在選擇乘銀熱網(wǎng)汽輪機參數(shù)時,首先考慮拆除6臺熱網(wǎng)循環(huán)水泵,更換為2臺流量為3 500 m3/h,揚程125 m的高效熱網(wǎng)循環(huán)水泵,并據(jù)此確定與該循環(huán)水泵配套的汽輪機型號為B1.7-1.05/0.2,其額定功率1 700 kW,額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍700～1 650 r/min,配套水泵轉(zhuǎn)速1 480 r/min,汽機額定進汽量26.7 t/h。

讓龍熱網(wǎng)根據(jù)現(xiàn)有循環(huán)水泵的參數(shù)和系統(tǒng)實 際 運 行工況,確定2臺驅(qū)動汽輪機型號為B1.9-1.05/0.2,其額定功率1 900 kW,轉(zhuǎn)速3 000 r/min,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍700～1 650 r/min,該汽輪機通過減速裝置與原系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為980 r/min的循環(huán)水泵匹配,汽機額定進汽量29.9 t/h。兩種型號汽輪機的進汽參數(shù)為壓力1.05 MPa、溫度280 ℃,排汽參數(shù)為壓力0.2 MPa、溫度172 ℃。

2.3 系統(tǒng)設(shè)置

以背壓式汽輪機替代電機,將原熱網(wǎng)部分循環(huán)水泵改為汽動泵,新安裝的4臺汽輪機的驅(qū)動蒸汽,分別通過φ219蒸汽管道引自φ630中溫中壓蒸汽聯(lián)絡(luò)管,4臺汽輪機背壓排汽,則分別通過φ529管道送至低壓蒸汽母管后,再供給讓龍熱網(wǎng)低壓加熱器使用。為防止事故工況下汽輪機排汽超壓,或是啟動過程中由于排汽壓力低不能并入低壓加熱蒸汽系統(tǒng),在每臺汽輪機背壓排汽管道上同時裝有安全閥和啟動排汽閥,啟動和事故排汽通過安全排汽母管引至廠房外排入大氣[8-10]。循環(huán)水汽動泵系統(tǒng)設(shè)置如圖3所示。

圖3 循環(huán)水汽動泵系統(tǒng)

3 效益分析

改造后的汽輪機進汽焓值為3 007 kJ/kg,排汽焓值為2 817 kJ/kg,汽輪機通過熱動能量轉(zhuǎn)化,將一部分能量用于拖動循環(huán)水泵運行,大部分熱能通過做功后的乏汽排至低壓熱網(wǎng)加熱器,用于加熱熱網(wǎng)循環(huán)水。

熱網(wǎng)汽動泵改造前后,對兩網(wǎng)循環(huán)水泵能耗進行統(tǒng)計,按照中溫中壓蒸汽價格136元/t、成本電價0.35元/(kW·h)計算,分析一個采暖季的經(jīng)濟效益,見表2。

表2 熱網(wǎng)循環(huán)水泵能耗統(tǒng)計

熱網(wǎng)循環(huán)水汽動泵改造后,每個采暖季可節(jié)省電費836.75萬元,減少供熱收入368.92萬元,年綜合收益為467.83萬元。

4 結(jié) 語

通過對熱網(wǎng)循環(huán)水汽動泵改造,進行系統(tǒng)設(shè)計和效益分析。實際應(yīng)用效果,不僅大幅降低熱網(wǎng)系統(tǒng)用電消耗,同時還實現(xiàn)蒸汽能量的梯級利用,與原電動循環(huán)水泵相比,年可節(jié)省熱網(wǎng)系統(tǒng)電費約465萬元。同時,提升了企業(yè)的能源綜合利用率,符合國家節(jié)能減排和雙碳政策,經(jīng)濟效益和社會效益顯著。對于熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè),研究實施給水泵等大功率電機替代,具有應(yīng)用推廣價值。