基于蒸汽噴射式熱泵的火電廠除氧器乏汽回收系統熱經濟性分析

陳海平，于鑫瑋，魯光武，高 沛，張學鐳

（1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院 國家火力發電工程技術研究中心，北京102206；2.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，保定071003）

近年來，為了實現火電廠深層次的節能要求，除氧器的排汽余熱利用日益受到重視.一般，除氧器排出的蒸汽是除氧器用汽量的5%左右，其排汽溫度約為180℃［1］.若除氧器的排汽直接進入大氣，既浪費工質，又損失熱量；同時，對于建在市區的火電廠，除氧器的排汽還會導致噪聲污染和機房頂蒸汽繚繞（俗稱“冒白龍”），除氧器的排汽產生的噪聲高達125dB［2］，對周邊的環境影響極大.目前，應用較多的是將除氧器的排汽引入凝汽器進行回收，某火電廠600 MW 超臨界機組即采用此種方式.雖然這種方式可以有效回收工質，但是除氧器排汽的熱能卻未能得到有效利用，且增加了凝汽器的熱負荷，進而影響其真空度.

除氧器排汽造成了大量工質損失以及熱能的浪費，進而使除氧器的補水量激增，導致除鹽水制水成本增加.若能回收這部分排汽，則節能效果較為顯著.近幾年發展起來的噴射式熱泵技術在除氧器乏汽回收方面取得了較好的效果.根據驅動介質的不同，噴射式熱泵技術可以分為射液式和射汽式2種，均能很好地回收除氧器中的乏汽，從而得到出口壓力較為穩定的中溫、中壓蒸汽以用于廠用輔助蒸汽或工業用汽，從而減少采用高壓蒸汽通過節流降壓而造成高品位汽源的浪費.本文通過蒸汽噴射式熱泵將除氧器乏汽直接回收到低壓加熱器，系統簡單可靠，且易于維修管理.筆者以某火電廠600 MW機組為例，對噴射式熱泵技術的應用進行研究，以期為除氧器乏汽的高效再利用以及電廠的節能降耗提供科學依據.

1 除氧器的乏汽回收系統

以N600-24.2／566／566型燃煤火電機組為例，對除氧器乏汽的回收進行了研究與分析，機組的熱力系統及其除氧器乏汽回收系統的工藝流程見圖1.額定（THA）工況下的主蒸汽、給水以及排汽參數見表1，回熱加熱系統汽水參數見表2.除氧器的乏汽回收系統主要由蒸汽噴射式熱泵、除氧器自動排氧裝置、回收蒸汽壓力自動控制裝置、熱泵驅動蒸汽調節閥、測溫裝置、壓力變送器以及流量測量裝置等組成.

圖1 乏汽回收系統的工藝流程示意圖Fig.1 Flow diagram of the recovery exhaust steam heating system

表1 額定工況下的機組參數Tab.1 Parameters of the unit under rated conditions

依據表2中的數據，在額定工況下，機組循環吸熱量Q0、主蒸汽等效焓降H0以及第1～第4段抽汽系數的計算結果分別為：

表2 回熱加熱系統的汽水參數Tab.2 Parameters of steam and water in the regenerative heating system

式中：αzr為再熱蒸汽份額；Π 為各種附加成分引起的做功損失.

第1～第4段抽汽系數α1、α2、α3和α4分別為：

除氧器的乏汽份額按除氧器用汽量的5%計算，αfq＝5%α4＝0.002 59，除氧器的排汽壓力為0.03 MPa，焓hfq＝2 624kJ／kg.

在額定負荷下，除氧器的乏汽流量Dfq＝4.3 t／h，根據以下能量守恒方程計算得到.

式中：Dqd為驅動蒸汽或再熱冷段蒸汽進入蒸汽噴射式熱泵的流量，取10t／h（驅動蒸汽壓力為2.5 MPa、蒸汽溫度為320 ℃時，10t／h的流量便能驅動蒸汽噴射式熱泵）；hqd為驅動蒸汽焓，kJ／kg；Dfq為除氧器的乏汽流量，t／h；hfq為除氧器的乏汽焓，kJ／kg；hex為蒸汽噴射式熱泵出口蒸汽焓，kJ／kg；（Dqd＋Dfq）為蒸汽噴射式熱泵出口蒸汽流量，t／h.

經計算，可得到蒸汽噴射式熱泵出口蒸汽焓hex為2 870kJ／kg，出口蒸汽流量為14.3t／h.經過蒸汽噴射式熱泵后的出口混合蒸汽壓力達到0.9 MPa，出口蒸汽溫度為230 ℃，出口蒸汽的份額αex為0.008 60，驅動蒸汽的份額αqd為0.006 01.

2 蒸汽噴射式熱泵

2.1 工作原理和結構

蒸汽噴射式熱泵即蒸汽噴射壓縮器，是一種以高壓蒸汽為動力，不消耗機械能或電能，提高低壓蒸汽參數和質量，并將低品位熱能轉化為高品位熱能進而使低壓蒸汽回收和再次利用的節能設備.圖2給出了蒸汽噴射式熱泵結構示意圖.從圖2可知，蒸汽噴射式熱泵由噴嘴、接受室、混合室和擴壓室4部分組成.驅動蒸汽以很高的速度從噴嘴噴出，進入接受室把低壓吸入蒸汽吸走，驅動蒸汽的一部分動能傳給低壓吸入蒸汽，并與低壓吸入蒸汽一同進入混合室進行充分混合，經過混合的蒸汽進入擴壓室，壓力升高，在到達擴壓室出口時形成一定壓力的壓縮蒸汽，出口蒸汽壓力較為穩定［3］.

圖2 蒸汽噴射式熱泵結構示意圖Fig.2 Structural diagram of the steam ejector heat pump

2.2 優點

采用蒸汽噴射式熱泵對除氧器乏汽回收系統的乏汽進行回收具有以下優點：（1）蒸汽噴射式熱泵結構簡單且無轉動部件，因而其壽命長、運行可靠.（2）操作方便且維修容易，可以自動調節，并能保持出口壓力穩定.（3）采用蒸汽噴射式熱泵不消耗電能和機械能，因而節能顯著.（4）安裝方便，既可以水平安裝又可以垂直安裝，并且與管路的連接均為法蘭連接，因此拆卸十分方便.（5）由于液位控制穩定，因而管道內的汽蝕和振動大為減少.

2.3 主要性能指標及參數

蒸汽噴射式熱泵的性能指標是引射系數μ，其計算公式為

式中：Dfq為吸入蒸汽的流量，t／h；Dqd為驅動蒸汽的流量，t／h.

引射系數的數值與蒸汽噴射式熱泵的主要參數有關［4-5］.蒸汽噴射式熱泵的主要參數［6］包括膨脹比pp／ph和壓縮比pc／ph，其中pp為驅動蒸汽壓力，ph為吸入蒸汽壓力，pc為混合蒸汽壓力.

3 乏汽回收系統的能耗特性分析

3.1 乏汽回收系統運行能耗計算模型的構建

3.1.1 改造前系統的能耗分析

除氧器的乏汽直接排到空氣中既浪費了工質又浪費了熱量.對于600 MW 超臨界機組，按除氧器排汽量4.3t／h、年滿負荷運行5 500h計算，每年浪費工質23 650t，相當于消耗2 120t標準煤，即平均每度電多消耗標準煤0.64g.由此可見，對除氧器乏汽回收再利用的節能潛力很大.

乏汽回收系統改造前，原方案是將除氧器的乏汽排到凝汽器，雖然工質已被再利用，但是其熱量卻未能得到有效利用.由于回收工質并未改變加熱器中主凝結水的流量，因此其做功損失可以看成有工質攜帶的熱量排出系統，可按等效熱降應用法則進行計算：

因此，原方案的主蒸汽凈等效焓降為：

3.1.2 改造后系統的能耗分析

采用等效焓降法［7-8］建立除氧器乏汽回收系統運行能耗的分析與計算模型.

蒸汽噴射式熱泵出口的蒸汽依次排到第5段的抽汽（方案4）、排到第6段的抽汽（方案3）、排到第7段的抽汽（方案2）以及排到第8段的抽汽（方案1）.

再熱冷段蒸汽出系統屬于蒸汽攜帶熱量出系統，其做功損失為αqd（hqd-hc＋σ）；蒸汽攜帶熱量進入系統的一部分為純熱量αex（hex-hi），另一部分為帶工質的熱量αexhex.由于純熱量被利用到抽汽效率為的能級上，因而所做的功為αex（hex-hi）η0i，被頂替的i段抽汽返回汽輪機做的功為αex（hi-hc）.由此可見，蒸汽攜帶熱量的全部做功為上述2部分的代數和：

循環吸熱量變化值為：

因此，系統改造后蒸汽的等效焓降為：

3.2 乏汽回收系統的運行能耗熱經濟性指標

改造后，汽輪機的絕對內效率為：

汽輪機絕對內效率的相對提高值為：

式中：η0為原方案汽輪機的絕對內效率.

電廠的供電熱效率為：

式中：ηb為鍋爐效率，ηb＝93%；ηp為管道效率，ηp＝99%；ηm為汽輪機機械效率，ηm＝98.5%；ηg為發電機效率，ηg＝99%；ξnp為廠用電率，ξnp＝7%.

全廠供電標準煤耗率為：

全廠供電標準煤耗率相對增加值為：

式中：Δbscp為全廠供電標準煤耗率絕對增加值.

3.3 回收系統的運行能耗熱經濟性分析結果

表3列出了回收系統改造前后各個方案的熱經濟性指標.從表3可以看出：與原方案相比，方案4每發1度電將節約標準煤0.30g，節能效果比較顯著，而其他3 個方案的節能效果均不如原方案.但是，考慮到回收系統的實際運行工況，由于除氧器的乏汽回收系統難免有漏汽等損失，因此必須考慮其回收率λ，一般最低的回收率能達到50%，因此回收系統經改造后，各個方案的新蒸汽等效焓降增加值計算公式為：

表4給出了回收系統改造后不同乏汽回收率下各個方案的熱經濟性指標.

從表3和表4可以看出：方案1、方案2以及方案3的熱經濟性均不如原方案好，蒸汽噴射式熱泵的出口蒸汽為較高參數的蒸汽，與較低參數的第8段、第7段和第6段抽汽來加熱凝結水，屬于“大馬拉小車”.在方案4（即熱泵出口蒸汽進入第5段抽汽）下，當除氧器的乏汽回收率為50%時，每發1度電可以節約標準煤0.12g，如果乏汽能夠得到全部回收，則每發1度電節約標準煤的最大理論值可達到0.3g.除氧器乏汽回收系統經改造后（方案4）的乏汽回收率每增加10%，電廠的平均供電標準煤耗率降低0.04g／（kW·h）.因此，除氧器乏汽的高效回收有利于節能降耗.

表3 回收系統改造前后各個方案的熱經濟性指標Tab.3 Thermo-economic index of each scheme before and after system retrofit

表4 系統改造后不同乏汽回收率下各個方案的熱經濟性指標Tab.4 Thermo-economic index of each scheme at different exhaust steam recovery rates after system retrofit

由回收系統改造后采用不同方案和不同乏汽回收率下的δηi 和δbscp數據（見表4）可以得到汽輪機絕對內效率相對提高值和供電標準煤耗率相對增加值與乏汽回收率λ之間的關系（見圖3和圖4）.

圖3 采用不同方案時汽輪機絕對內效率相對提高值與λ之間的關系Fig.3 Relationship between relative increment of cycle efficiency andλfor different schemes

圖4 不同方案供電標準煤耗率的相對增加值與λ之間的關系Fig.4 Relationship between relative increment of coal consumption rate andλfor different schemes

從圖3和圖4可以看出：方案4比其他3種方案的循環熱效率相對增加值都高，而其供電標準煤耗率相對增加值比其他3種方案的小，并且方案4在乏汽回收率超過50%時，供電標準煤耗率相對增加值為負，即方案4的供電標準煤耗率小于原方案；而且可以明顯地看到，隨著乏汽回收率的增加，循環熱效率相對增加值增大，供電標準煤耗率相對增加值減小.因此，可以得出：乏汽回收系統的密封程度直接關系到回熱系統的熱經濟性，在改造時應盡量讓系統的密封程度達到最佳，以減少漏汽損失，從而使乏汽得到高效回收，提高整個熱力系統的熱經濟性，減小煤耗，同時也有利于環境保護，真正達到既節能又減排的雙重效果.

4 結 論

（1）除氧器乏汽回收系統改造方案4（除氧器乏汽通過蒸汽噴射式熱泵回收到5號低壓加熱器內）的節能效果最顯著，在保證除氧器乏汽回收率高于50%時，其節能效果優于原方案，每發1度電比原方案節約標準煤0.3g（最大理論值），按機組年運行5 500h計算，每年可以節約標準煤990t.

（2）由于除氧器距離5號低壓加熱器較近，因此布置管道較短，不僅節省了管道材料，而且管道熱損失也較少.

（3）通過蒸汽噴射式熱泵將除氧器乏汽回收到5號低壓加熱器中，能夠降低除鹽水制水成本和煤耗，但同時也對除氧器乏汽回收系統的密封性提出了更高要求.

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