電廠城市供熱循環水余熱利用技術方案探討

鄒曉輝，徐厚達，張 剛，郭 棟，王莉莉

(1.華電電力科學研究院，杭州 310030；2.華電國際電力股份有限公司萊城發電廠，山東 萊蕪 271100)

電廠城市供熱循環水余熱利用技術方案探討

鄒曉輝1，徐厚達1，張 剛2，郭 棟1，王莉莉1

(1.華電電力科學研究院，杭州 310030；2.華電國際電力股份有限公司萊城發電廠，山東 萊蕪 271100)

根據目前余熱回收利用技術在不同容量電廠中的應用情況，對比分析不同余熱回收利用技術，分析各自的優缺點，可為相同機組型號的電廠節能降耗改造提供前期選擇參考，為機組選型提供依據。

余熱利用；節能減排；對比

0 引 言

火力發電廠排煙熱損失在鍋爐各項熱損失中所占比例最大，冷凝熱通過涼水塔或空冷島排入大氣，形成巨大的冷端損失，是火力發電廠能源使用效率低下的主要原因，同時造成能量和水的浪費。對于火力發電廠鍋爐尾部煙氣循環水余熱回收技術，國內外學者已經開展了大量研究，從回收利用的方式來看，目前常用的技術有: 汽輪機低真空運行供熱技術；壓縮式熱泵回收余熱；集中設置吸收熱泵供熱；“NCB”新型供熱機組；大溫差集中供熱系統等有較好應用的技術。現將這些技術方案進行整理分析，找出各自的優缺點并對比，為以后同類型的機組進行節能改造提供參考。

1 各種汽輪機排汽冷凝熱利用方案分析

1.1 汽輪機低真空運行供熱技術

汽輪機低真空運行供熱技術在理論上可以實現很高的能效，國內外都有很多成功的研究成果和運行經驗，如孟繁晉[1]對其進行熱力學分析,從經濟性和分析；考芳[2]對低真空運行循環水供熱改造進行實例說明，并從安全性和經濟性進行分析；張耀輝等[3]對低真空運行供熱技術在煉油廠動力站的抽凝式汽輪機上的應用，主要用于加熱煉油廠的伴熱水和采暖水，效果較好。凝汽式汽輪機改造為低真空運行供熱后，凝汽器成為熱水供熱系統的基本加熱器，原來的循環冷卻水變成了供暖熱媒，在熱網系統中進行閉式循環，有效地利用了汽輪機凝汽所釋放的汽化潛熱。當需要更高的供熱溫度時，則在加熱器中進行二級加熱，供熱系統簡圖(如圖1所示)。

圖1 凝汽式汽輪機低真空運行系統流程圖

盡管低壓缸真空度提高后，在相同的進汽量下與純凝工況相比，發電量減少了，并且汽輪機的相對內效率也有所降低，但因降低了熱力循環中的冷源損失，系統總的熱效率仍會有很大程度的提高。

傳統的低真空運行供熱技術主要受以下幾方面的限制：

(1)低真空運行機組類似于背壓式供熱機組，其通過的新汽量決定于用戶熱負荷的大小，所以發電功率受用戶熱負荷的制約，不能分開獨立的進行調節，即其運行是“以熱定電”，因此只適用于用戶熱負荷比較穩定的供熱系統；

(2)汽輪機背壓提高后，會影響汽輪機組的發電效率；

(3)凝汽式汽輪機改造為低真空運行循環水供熱時，對小型和少數中型機組在經過嚴格的變工況運行計算，對排汽缸結構、軸向推力的改變、末級葉輪的改造等方面做嚴格校核和一定改動后方可以實行，但對現代大型機組則是不允許的，尤其對于中間再熱式大型汽輪機組，凝汽壓力過高會使機組的末級出口蒸汽溫度過高，且蒸汽的容積流量過小，從而引起機組的強烈振動，危及運行安全。

1.2 壓縮式熱泵回收余熱

火力發電廠的循環水中含有大量的潛在熱量，鋪設單獨的管道，將電廠凝汽余熱引至用戶，在用戶熱力站等處設置分布式電動壓縮式熱泵，這種方式能夠收到一定的節能效果，將循環水中低品位的冷凝熱量轉換為高品位的熱能。但是管道投資巨大，輸送泵耗高，因此無法遠距離輸送，供熱半徑僅限制在電廠周邊3～5 km范圍以內。郭江龍等[4]采用COP指數作為評價指標得出采用壓縮式熱泵制造熱量是耗電量的3倍～6倍。孫天宇等[5]對壓縮式與吸收式熱泵進行了比較，分析各自的優缺點，指出壓縮式熱泵的單臺設備容量小，出水溫度較低，僅為45～60 ℃。

另一種方式就是在電廠處集中設置壓縮式熱泵，可以是電動的，這種熱泵形式造成廠用電耗量大，在能源轉換效率上不是最好的方式；也可以是汽輪機直接做功驅動的，但僅當有壓力較高的蒸汽時才具有可行性。

1.3 集中設置吸收熱泵供熱方式

將吸收式熱泵機組集中設置在電廠內部，系統流程如圖2所示，與常規熱電聯產集中供熱系統相比，僅采用吸收式熱泵替代汽水換熱器低溫加熱部分。華電大同第一熱電廠等大型火力發電機組都是用這種模式將冷凝熱回收技術應用于集中供熱[6]。具體方案為：采用吸收式熱泵回收汽輪機排汽冷凝熱，將一次網熱水從60 ℃加熱到90 ℃，熱水90 ℃到120 ℃仍然使用汽輪機抽汽來加熱；汽輪機排汽向冷卻水冷凝放熱，冷卻水40 ℃ 進熱泵，30 ℃出熱泵，再進汽輪機凝汽器吸熱升溫，如此循環，將凝汽器排熱輸送給熱泵；吸收式熱泵需要使用部分0.2 MPa以上的飽和蒸汽作為驅動熱源。

圖2 集中式吸收熱泵供熱方式系統流程圖

這種方式可以回收部分汽輪機乏汽余熱，具有一定節能效果，但同時在應用中存在著以下不足：

(1)由于受熱網回水溫度高的限制，為了達到回收余熱的目的，需要的熱泵容量大，導致電廠熱泵設備占地面積大，在多數電廠會缺少場地布置；

(2)由于熱網回水溫度相對較高，一般電廠回收余熱要求更高汽輪機抽汽參數和余熱參數才能到達一定效果；回收余熱的比例較小，節能性受到限制。

1.4 “NCB”新型供熱機組

何堅忍等[7]專家針對300 MW大型供熱機組提出了“NCB”供熱汽輪機模式，并申請了專利。其特點是具有背壓式供熱汽輪機和抽凝式供熱汽輪機的優點，同時又能克服這兩種供熱汽輪機的缺點，系統圖如圖3所示。機組在非供熱期時，關閉供熱抽汽控制閥、完全打開低壓缸進氣調節閥，該汽輪機呈純凝工況運行，使得機組具有純凝式汽輪機發電效率高的優點；在正常供熱期，根據運行情況調控低壓缸進氣調節閥、供氣抽氣控制閥開度，機組呈抽汽工況運行，具有抽凝汽輪機優點，即能對外抽汽供熱還可以保持高的發電效率；在高峰供熱期，打開供熱抽汽控制閥、關閉低壓缸進氣調節閥，汽輪機呈背壓工況運行，具有背壓供熱汽輪機的優點，可做到最大供熱能力，低壓缸部分處于低速盤車狀態，可隨時投運。

圖3 集中式吸收熱泵供熱方式系統流程圖

但是該項技術改造要受兩方面的局限：若原300 MW 機組為單軸汽輪機，如果改造為雙軸汽輪機，需要解決排汽缸結構、軸向推力的改變等因素的影響，同時需要完成汽輪機葉輪的改造等工作，改造過程需要停機，改造難度大。

1.5 大溫差集中供熱系統

大溫差集中供熱系統，如圖4所示。

圖4 大溫差集中供熱系統流程圖

如圖4所示為大溫差供熱系統，該系統由汽輪機、凝汽器、蒸汽吸收式熱泵、汽-水換熱器、熱水吸收式熱泵、水-水換熱器以及連接管路和附件組成[8]。其主要特征是：熱網供熱溫差大，與常規熱網相比在運行期間溫差能增大約一倍，這樣可以大幅度增加熱網的輸送能力，但同時由于回水溫度低，無保溫和熱應力補償問題，可以節省在回水管網和整個管網建設方面的投資；該系統在余熱利用開發中能最大挖掘節能潛力，同時改造熱源與熱網兩側，使得熱源側余熱充分回收，熱網側現有管網輸送能力大大提高而避免破路施工，但兩側改造費用較大，特別是對現有熱力站換熱設備的改造需要多方協調，工作量大。

2 對比分析

將上述五種方案的優缺點進行對比分析，列表見表1。

表1 供熱循環水余熱利用方式對照表

3 結束語

我國計劃到 2020 年將碳排放量減少 40%～45% 。隨著時間的推移，目前面臨著巨大的減排壓力，余熱回收利用作為提高能源利用效率的有效途徑，國家出臺多項政策鼓勵企業進行余熱回收利用，未來將有很大的應用空間，對比分析不同余熱利用在城市供熱循環水的應用方案，可為新建余熱利用項目提供方案支撐。

[1] 孟繁晉．抽凝機組低真空循環水供熱技術熱力學分析[J]．暖通空調，2012,42(9):58-61.

[2] 考 芳．小型凝汽式汽輪機低真空運行循環水供熱改造[J]．山東電力技術，2010,3:46-48.

[3] 張耀輝．抽凝式汽輪機低真空循環水供熱技術分析及應用[J]．石油化工設備，2014,43(2):67-69.

[4] 郭江龍．壓縮式和吸收式熱泵回收電廠循環水冷凝熱經濟性分析[J]．汽輪機技術，2012,54(5):379-381.

[5] 孫天宇．壓縮式與吸收式熱泵系統的分析比較[J]．上海電力學院學報，2014,30(2):115-119.

[6] 李 巖．基于吸收式換熱的熱電聯產集中供熱系統配置與運行研究[D]．清華大學，2012.

[7] 何堅忍．節能增效的 NCB 新型專用供熱機[J]．熱電技術, 2009, (3):1-4.

[8] 付 林．一種大溫差集中供熱系統[P]．200810101065.

Study on Waste Heat Recovery of Heat-Feeding Water Circulating in City

ZOU Xiao-hui1, XU Hou-da1, ZHANG Gang2, GUO Dong1, WANG Li-li1

(1. Huadian Electric Power, Research Institute, Hangzhou 310030, China; 2. Huadian Power International Corp Laicheng Power Plant, Laiwu 271100, Shandong Province, China)

According to the current application status of waste heat recovery and utilization technology in different capacity in power plant, the comparative analysis of different waste heat recovery and utilization technology, analysis of their advantages and disadvantages, which can provide reference for the early selection of conservation of energy saving in power plant the same set of models, provide the basis for the selection of units.

Waste heat utilization; Energy saving; Contrast

2014-10-11

2014-11-10

鄒曉輝(1980-)，男，寧夏回族自治區省、中衛市/中寧縣，工程師，碩士，從事汽輪機方面的研究。

10.3969/j.issn.1009-3230.2014.12.010

TU832.1.3

B

1009-3230(2014)12-0041-05