淺談循環(huán)水供熱技術(shù)

高海旺

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展,城區(qū)供熱面積不斷增大,現(xiàn)有熱電廠的供熱能力已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的供熱需求,供熱面積的急速增加與熱源建設(shè)的相對(duì)滯后,形成的供熱供需矛盾日益突出。在此狀況下,如何挖掘供熱機(jī)組的最大供熱潛力,在不增加熱源建設(shè)規(guī)模的情況下滿足廣大的市場(chǎng)需求,是熱電企業(yè)現(xiàn)階段亟待解決的問題。

我國(guó)大多數(shù)熱電聯(lián)產(chǎn)電廠屬抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn),抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組的主要生產(chǎn)過程是:鍋爐中的水吸收煤燃燒時(shí)放出的熱量后,變成具有一定壓力和溫度的高速蒸汽,這種蒸汽沖動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子上的葉片旋轉(zhuǎn),并帶動(dòng)同軸的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電;做完功的低溫低壓蒸汽(0.0049MPa,32℃)乏汽送入凝汽器中被廠內(nèi)閉式的循環(huán)水不斷冷卻凝結(jié)成水,然后由給水泵提高壓力后再送回鍋爐繼續(xù)加熱,進(jìn)行往復(fù)循環(huán)。低溫低壓蒸汽在凝結(jié)過程中釋放出的大量汽化潛熱(約2400 kJ/kg)被循環(huán)水吸收后,循環(huán)水溫度升高,然后由循環(huán)水泵送入冷卻塔與空氣進(jìn)行熱量交換,水溫降低后再次進(jìn)入凝汽器冷卻汽輪機(jī)排出的乏汽,周而復(fù)始。在此交換過程中,通過循環(huán)水帶到冷卻塔排入大氣中的熱量約占總能量的73%,形成了“冷源損失”,造成了較嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。

在我國(guó)的東北地區(qū)有些供熱企業(yè)利用凝汽式汽輪機(jī)組低真空運(yùn)行排汽凝結(jié)時(shí)放出的熱量向外供熱,該種供熱方式是將凝汽器中乏汽的壓力提高,也就是降低凝汽器的真空度,提高冷卻水溫,將凝汽器改為供熱系統(tǒng)的熱網(wǎng)加熱器,而冷卻水直接用作熱網(wǎng)的循環(huán)水,因此該種供熱方法稱為凝汽機(jī)組惡化真空供熱,俗稱低溫循環(huán)水供熱。該方法在不新增電廠裝機(jī)容量和不增加當(dāng)?shù)匚廴疚锱欧诺那闆r下,可增大供熱面積,同時(shí)節(jié)約大量因?yàn)檎舭l(fā)而損失的循環(huán)冷卻水;并且還有建設(shè)周期短,投資小的優(yōu)點(diǎn)。因此這是一種極具吸引力的城市供熱新形式。

由于正常情況下循環(huán)水的溫度比較低(一般冬季20℃～35℃),達(dá)不到直接供熱的要求,要利用循環(huán)水供熱,必須想辦法適當(dāng)提高其溫度。中小型凝汽式汽輪機(jī)可以通過降低排汽缸真空從而提高循環(huán)水溫度(60℃～80℃)的方法進(jìn)行供熱,該技術(shù)在理論上可以實(shí)現(xiàn)很高的能源利用效率。但傳統(tǒng)的低真空運(yùn)行機(jī)組類似熱電廠中的背壓機(jī)組,其通過的蒸汽量決定余熱負(fù)荷的大小,所以發(fā)電功率受用戶熱負(fù)荷的制約,不能分別獨(dú)立進(jìn)行調(diào)節(jié),即其運(yùn)行也是“以熱定電”,因而只適用于用戶熱負(fù)荷比較穩(wěn)定的供熱系統(tǒng)。另外,機(jī)組低真空運(yùn)行須對(duì)機(jī)組結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改造,僅適用于小型機(jī)組和少數(shù)中型機(jī)組。如果對(duì)于現(xiàn)代大型機(jī)組進(jìn)行低真空運(yùn)行改造,還涉及排汽缸結(jié)構(gòu)、軸向推力的改變、軸封漏汽、末級(jí)葉輪的改造等多方面問題的限制。在具有中間再熱式汽輪機(jī)組的大型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中,凝汽壓力過高會(huì)使機(jī)組的末級(jí)出口蒸汽溫度過高,且蒸汽的容積流量過小,從而引起機(jī)組的強(qiáng)烈振動(dòng),危及運(yùn)行安全。大型汽輪機(jī)組的循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度一般要求不超過33℃(相應(yīng)的出口溫度在40℃左右),如果供熱溫度在此范圍之內(nèi),則機(jī)組結(jié)構(gòu)不需任何改動(dòng),且適用于任何容量和類型的機(jī)組。但目前適用于該溫度范圍的供熱裝置只有地板低溫輻射采暖,因此其應(yīng)用范圍受到比較大的限制。

由于低真空運(yùn)行循環(huán)水供熱方式固有的局限性,為挖掘電廠的供熱潛力,充分利用循環(huán)水余熱,擴(kuò)大循環(huán)水供熱的應(yīng)用范圍,在更多的場(chǎng)合應(yīng)用,可以采用熱泵技術(shù)直接提取循環(huán)水中的低位熱量用于供熱。

采用熱泵技術(shù)提高電廠循環(huán)水溫度,即以電廠循環(huán)冷卻水為低位熱源,利用熱泵技術(shù)提高其熱量后向用戶供熱。電廠循環(huán)水與目前常用的熱泵熱源相比,具有熱量巨大、溫度適中而穩(wěn)定、水質(zhì)好、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),是一種優(yōu)質(zhì)的熱泵熱源。以電廠循環(huán)水作為熱泵低位熱源進(jìn)行供熱,可以方便靈活的實(shí)現(xiàn)供熱量與用戶需求的匹配,也不會(huì)對(duì)發(fā)電廠原熱力系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響。因此電廠循環(huán)水源熱泵是回收利用電廠循環(huán)水余熱進(jìn)行供熱的一種較理想方式。

利用電廠循環(huán)冷卻水作為熱泵低位熱源進(jìn)行供熱的基本形式如圖1所示,汽輪機(jī)排汽經(jīng)過凝汽器后冷凝的凝結(jié)水被重新送到鍋爐中。根據(jù)用戶側(cè)熱負(fù)荷需求的情況,直接將來自凝汽器的一部分循環(huán)水送入冷卻塔,完成正常的冷卻循環(huán),另一部分通過循環(huán)水管網(wǎng)送入設(shè)置在用戶處的熱泵裝置的蒸發(fā)器作為熱泵的低位熱源,驅(qū)動(dòng)熱泵的高位能量加上從低位熱源提取的熱量作為熱泵產(chǎn)熱用于加熱用戶側(cè)的二次網(wǎng)回水。循環(huán)冷卻水在熱泵蒸發(fā)器放熱降溫后返回到凝汽器入口與流經(jīng)冷卻塔的冷卻水匯合,再被送入凝汽器吸熱升溫。如此實(shí)現(xiàn)電廠循環(huán)水低位余熱用于供熱的目的。

采用熱泵技術(shù)的循環(huán)水余熱回收方式與上述凝汽器低真空運(yùn)行方式相比,機(jī)組的發(fā)電量和安全運(yùn)行不受影響,同時(shí)供熱系統(tǒng)還可根據(jù)熱負(fù)荷的大小和分布來確定熱泵的配置和運(yùn)行方式。通過靈活的分布式熱泵形式,選擇不同的熱泵供熱溫度,可以滿足地板采暖、風(fēng)機(jī)盤管、暖氣片等不同形式末端散熱設(shè)備的要求,從而使整個(gè)循環(huán)水余熱利用系統(tǒng)的運(yùn)行更加高效。當(dāng)電廠循環(huán)水余熱的利用份額較小時(shí),這種熱泵回收循環(huán)水余熱的形式更加適合。當(dāng)然,由于需要增加熱泵設(shè)備,使得這種供熱形式的投資較大。當(dāng)電廠循環(huán)水余熱利用比例大、供熱溫度低的情況下,其能效不如凝汽器低真空運(yùn)行方式高。

綜上所述,在電廠運(yùn)行過程中,蒸汽在驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電后,排出的蒸汽仍含有大部分熱量被循環(huán)水帶走,因而火電廠的熱效率僅為30%～40%,利用循環(huán)水對(duì)外供熱,可以在不增加機(jī)組容量的情況下,增加供熱面積,并且利用乏汽的余熱,運(yùn)行效率可提高至70%～80%。小型抽凝或純凝發(fā)電機(jī)組可直接提高背壓,降低凝汽器真空度運(yùn)行來提高循環(huán)水溫度直接實(shí)現(xiàn)集中供熱,可以充分利用循環(huán)水熱量,減少冷源損失,實(shí)現(xiàn)余熱利用和節(jié)能減排的雙重效益。大型中間再熱式汽輪機(jī)組提高背壓運(yùn)行危及機(jī)組運(yùn)行安全,可以采用間接換熱的供熱模式,利用循環(huán)水余熱作為采用熱泵機(jī)組的低位熱源來實(shí)現(xiàn)集中供熱,同樣可以實(shí)現(xiàn)余熱回收和節(jié)能減排,總之,循環(huán)水供熱是一項(xiàng)十分經(jīng)濟(jì)的供熱運(yùn)行方式。

[1] 張世綱.熱電聯(lián)產(chǎn)中的深度余熱回收技術(shù)研究[Z].2001.