回收乏汽余熱的高背壓供熱方式性能分析

郭　強, 孫苗青, 張龍英, 李慶華, 張學鐳

(1. 國網山西省電力公司 電力科學研究院，山西太原030001；2. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

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回收乏汽余熱的高背壓供熱方式性能分析

郭強1, 孫苗青2, 張龍英1, 李慶華1, 張學鐳2

(1. 國網山西省電力公司 電力科學研究院，山西太原030001；2. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

摘要：回收汽輪機乏汽余熱用于供熱，具有顯著的節能效果。以某330 MW直接空冷機組為例，建立了回收乏汽余熱的高背壓供熱機組熱力性能計算模型，對比了高背壓供熱方式和傳統供熱方式的性能，分析了主要因素對供熱系統性能的影響。結果表明，與傳統供熱方式相比，高背壓供熱方式可以節省大量的高品質抽汽，可使汽輪機的發電功率增加21.8 MW，發電標準煤耗率降低22.9 g/kW·h。隨著熱網返回水溫的升高，高背壓供熱機組的發電功率逐漸降低，發電標準煤耗率逐漸升高，高背壓供熱方式更適合熱網返回水溫度較低的供熱系統。熱網水量增加，使高背壓供熱機組的發電功率減少，發電標準煤耗率降低，高背壓供熱方式更適合于熱網水量大、供熱量大的供熱系統。

關鍵詞：余熱利用；高背壓；熱電聯產；供熱

0引言

在火力發電廠能量轉化過程中，將產生大量的冷源損失[1]。如果將這部分冷源損失加以利用，會大大提高汽輪機組的循環熱效率。汽輪機高背壓乏汽供熱就是為了利用汽輪機的冷源損失而發展起來的一項節能環保技術。該供熱方式提高了汽輪機的排汽壓力和排汽溫度，利用汽輪機的乏汽加熱熱網水，從而達到回收乏汽余熱、節約汽輪機高品質供熱抽汽的目的[2]。

文獻[3]分析了“雙背壓雙轉子互換”和“低壓缸一次性改造”兩種汽輪機高背壓供熱改造技術，對比了兩種方案的經濟性指標，研究了兩種改造技術的可行性。文獻[4]研究了200 MW高背壓循環水供熱機組的熱力特性，分析了影響系統性能的主要因素。文獻[5]針對某300 MW空冷機組，提出了高背壓供熱改造方案，分析了改造后的運行參數和供熱效果，指出高背壓供熱方式能夠有效解決北方城市供熱不足的問題。文獻[6]分析了某135 MW高背壓供熱改造機組的性能考核指標，并以此評價了改造后的低壓缸性能和高背壓供熱技術。文獻[7]以300 MW直接空冷機組為例，分析了應用大溫差供熱技術機組高背壓運行時的經濟性。文獻[8]對直接空冷機組高背壓供熱方式下的經濟性進行了分析，得到了供熱經濟性計算與判定的公式和準則。文獻[9]針對直接空冷機組熱效率低、冷端損失大、經濟性差的問題，提出了直接空冷機組高背壓供熱的改造方案。文獻[10]利用T-Q圖對高背壓供熱的換熱過程進行分析，得到了低壓缸換軸改造實現高背壓供熱的實際能耗。

回收乏汽余熱的高背壓供熱方式具有較廣闊的應用前景，已引起國內外學者的廣泛關注。但目前在評價高背壓供熱方式的熱經濟性時，尚未建立較為完善的高背壓供熱機組熱力性能計算模型，而僅通過簡單公式粗略估算高背壓供熱對機組功率和煤耗率的影響。另外，返回水溫、熱網水量等因素對高背壓供熱方式熱力性能的影響尚不清晰。為此，以某330 MW直接空冷機組為例，建立了回收乏汽余熱的高背壓供熱機組熱力性能計算模型，對比了高背壓供熱方式和傳統供熱方式的性能，分析了返回水溫、熱網水量等主要因素對供熱系統性能的影響。

1供熱方式

如圖1(a)所示，傳統供熱方式是利用汽輪機抽汽在熱網加熱器中直接加熱熱網水。高背壓供熱方式增設了一個熱網凝汽器，先利用汽輪機乏汽加熱熱網返回水，從而回收乏汽余熱，而后利用汽輪機抽汽在峰載加熱器中加熱熱網水至供水溫度，如圖1(b)所示。當供熱量較低時，僅通過熱網凝汽器加熱熱網水即可滿足供熱要求；在供熱高峰期，熱網凝汽器和峰載加熱器聯合加熱熱網水，從而達到熱網要求的供水溫度。

圖1　供熱方式

相比傳統供熱方式，高背壓供熱回收了汽輪機乏汽余熱，乏汽在低壓缸內做過功后再參與供熱，實現了能量的梯級利用；但另一方面，高背壓供熱方式需要提高機組的背壓，使得蒸汽在低壓缸內的焓降減少。

2熱力性能計算模型

2.1研究對象

圖2為某330 MW直接空冷高背壓供熱機組。系統共有7級不調節抽汽，3臺高加，3臺低加，1臺除氧器。所有的高加和低加均裝設了疏水冷卻器。在中低壓連通管上設置蝶閥，供熱用汽從中低壓連通管引出。從汽輪機主排汽管上增設一排汽管路至熱網凝汽器，通過熱網凝汽器首先加熱熱網返回水，熱網凝汽器的疏水引回熱水井；利用汽輪機中壓缸排汽在峰載加熱器再次加熱熱網水，峰載加熱器的疏水引回除氧器。

圖2　高背壓供熱機組

以THA工況作為機組熱力性能計算的基準工況。熱力系統變工況計算所需的基本數據包括蒸汽的流量、狀態參數和汽輪機葉片及通流部分的結構數據，從汽輪機制造廠家提供的設計說明書及工況圖上經深度數據挖掘得到。

2.2調節級的計算

如圖2所示，將調節級定義為第0級組，將汽輪機壓力級按抽汽口位置劃分為8個級組。調節級級前的狀態根據主汽門前蒸汽的狀態及進汽損失確定，調節級級后壓力按照式(1)計算

(1)

式中：p2表示級組后的壓力，MPa；G為通過級組的流量，t/h；下角標d表示設計工況。

根據調節級級后壓力和調節級效率即可確定調節級級后蒸汽的狀態。

2.3壓力級組的計算

對于任一壓力級組，其熱力性能由弗留格爾公式及其對應的回熱加熱器熱平衡方程計算得到。假設第i壓力級組的級后狀態已確定，那么可根據加熱器的熱平衡得到第i級加熱器的抽汽量。第(i+1)壓力級組級前狀態由第i級組確定，其流量按如下式計算

(2)

式中：Di為第i級加熱器的回熱抽汽量，t/h。

根據弗留格爾公式，對于采暖抽汽口之前的級組(第1～第5)，其級組后壓力按(3)式計算；對于采暖抽汽口之后的級組(第6～第8)，其級組后壓力根據(1)式計算。

(3)

式中：p0表示級組前的壓力；T0表示級組前的溫度；下角標0表示級組前的參數；下角標2表示級組后的參數。

在得到第(i+1)級組后壓力的基礎上，根據級組效率就可確定第(i+1)級組后蒸汽的狀態，整個計算的流程如圖3所示。

圖3　計算框圖

2.4級組效率和小汽水流量

根據廠家提供的TMCR，THA，75%THA，50%THA及40%THA工況下熱力系統參數，可以計算出各級組的效率，并將各級組效率、輔助小汽水流量擬合成主蒸汽流量的函數。

2.5模型檢驗

確定了各級組前后的狀態及流量，即可計算出給定主蒸汽量、排汽壓力和供熱抽汽量下汽輪發電機組的功率。為了檢驗所建模型的正確性，以THA工況為基準，對其他工況下熱力系統性能進行了計算，結果如圖4所示。

圖4　設計值與計算值的比較

從圖4可以看出，利用本文所建模型得出的機組負荷與設計值的誤差較小，從而驗證了所建模型的正確性。其最大相對誤差為0.8%，能夠滿足工程需要。

3高背壓供熱方式性能分析

3.1性能指標

按熱量法計算供熱機組的熱耗率和發電標準煤耗率。汽輪機的熱耗率為：

(4)

供熱機組的發電標準煤耗率為：

(5)

式中：bs為發電標準煤耗率，g/kW·h；ηb為鍋爐效率，取92%；ηp為管道效率，取99%；ql為煤的低位發熱量，取29.27 MJ/kg。

3.2計算結果

表1是高背壓供熱方式與傳統供熱方式的性能計算結果。如表1所示，在主蒸汽流量和供熱量一定的情況下，高背壓供熱方式需要5段抽汽量204.4 t/h，比傳統供熱方式減少了306.5 t/h。雖然高背壓供熱方式的背壓高于傳統供熱方式，但由于節省了大量的5段抽汽，可使汽輪機的發電功率增加21.8 MW。高背壓供熱方式可回收345.2 t/h的乏汽用于供熱，從而使汽輪機的熱耗率相比傳統供熱方式降低了609.8 kJ/kW·h，發電標準煤耗率降低22.9 g/kW·h。

表1　計算結果

3.3影響因素分析

3.3.1返回水溫的影響

熱網返回水溫對供熱系統的性能有較大的影響，如圖5所示。計算時，主蒸汽流量為1 005.2 t/h，熱網水量為8 000 t/h，供熱量為372 MW；傳統供熱方式和高背壓供熱方式的排汽壓力分別為12 kPa，34 kPa，在熱網凝汽器端差為3 ℃的情況下，熱網凝汽器出口水溫為69 ℃。

圖5　熱網返回水溫的影響

由于供熱量不變，傳統供熱方式下熱網加熱器的用汽量、發電功率、標準煤耗率均不隨熱網返回水溫的變化而變化。而對于高背壓供熱方式，在供熱量和熱網水量一定的情況下，隨著熱網返回水溫的升高，熱網供水溫度也將相應升高。在熱網凝汽器出口水溫一定的情況下，熱網返回水溫的變化意味著抽汽供熱和乏汽供熱的份額將發生變化。如圖5所示，隨著熱網返回水溫的升高，供熱抽汽量將增加，供熱乏汽量將減少，從而導致發電功率隨之逐漸降低，發電標準煤耗率隨之逐漸升高。當熱網返回水溫超過58 ℃時，高背壓供熱方式下機組的發電功率將低于傳統供熱方式；當熱網返回水溫超過62.5 ℃時，高背壓供熱方式下機組的發電標準煤耗率將高于傳統供熱方式。這說明高背壓供熱方式更適合于熱網返回水溫度較低的供熱系統。

3.3.2 熱網水量的影響

熱網水量對供熱機組性能的影響如圖6所示。計算時，主蒸汽流量為1 005.2 t/h，熱網返回水溫度為45 ℃，熱網供水溫度為85 ℃，傳統供熱方式和高背壓供熱方式的排汽壓力分別為12 kPa，34 kPa，在熱網凝汽器端差為3 ℃的情況下，熱網凝汽器出口水溫為69 ℃。

圖6　熱網水量的影響

從圖6可以看出，隨著熱網水量的增加，機組的供熱量增大，供熱抽汽量和回收的乏汽量亦增加，從而機組的發電功率隨著供熱抽汽量的增加而減少。由于按熱量法分配電、熱能耗，機組的發電標準煤耗率也隨著供熱量的增加而降低。當熱網水量一定時，高背壓供熱機組的發電功率高于傳統供熱機組，而發電標準煤耗率則低于傳統供熱機組，二者的差值隨著熱網水量的增大而增加。這說明高背壓供熱方式更適合于熱網水量大、供熱量大的供熱系統。

3.3.3熱網凝汽器出口水溫的影響

高背壓供熱方式中，熱網凝汽器出口水溫對供熱機組性能的影響如圖7所示。計算時，主蒸汽流量為1 005.2 t/h，熱網返回水溫度為45 ℃，熱網供水溫度為85 ℃，熱網水量為8 000 t/h，熱網凝汽器的端差為3 ℃。

圖7　熱網凝汽器出口水溫的影響

在端差一定的情況下，熱網凝汽器出口水溫越高，機組的排汽壓力也越高。從圖7可以看出，在熱網水量、熱網返回水溫、熱網供水溫度均一定的情況下，熱網凝汽器出口水溫的變化意味著抽汽供熱和乏汽供熱的份額將發生改變。隨著熱網凝汽器出口水溫的升高，供熱抽汽量將減少，供熱乏汽量將增加。從而發電功率隨供熱抽汽量的減少而升高，發電標準煤耗率隨供熱乏汽量的增加而降低。

4結論

(1) 與傳統供熱方式相比，高背壓供熱方式可以節省大量的高品質抽汽，可使汽輪機的發電功率增加21.8 MW，發電標準煤耗率降低22.9 g/kW·h。

(2) 隨著熱網返回水溫的升高，高背壓供熱方式的供熱抽汽量將增加，供熱乏汽量將減少，從而導致發電功率逐漸降低，發電標準煤耗率逐漸升高。當熱網返回水溫超過62.5 ℃時，高背壓供熱方式下機組的發電標準煤耗率將高于傳統供熱方式。因此，高背壓供熱方式適用于熱網返回水溫度較低的供熱系統。

(3) 熱網水量增加，使高背壓供熱機組的發電功率減少，發電標準煤耗率降低。熱網水量越大，高背壓供熱方式相比于傳統供熱方式的收益越高。高背壓供熱機組適合于熱網水量大、供熱量大的供熱系統。

(4) 隨著熱網凝汽器出口水溫的升高，高背壓供熱機組的發電功率逐漸升高，發電標準煤耗率逐漸降低。

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Performance Analysis of High Back Pressure Heating Supply with Exhaust Steam Heat Recovery

GUO Qiang1, SUN Miaoqing2, ZHANG Longying1, LI Qinghua1, ZHANG Xuelei2

(1.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute,Taiyuan 030001,China; 2. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Abstract：Surplus heat utilization of the turbine can save great energy. Taking a 330 MW direct air-cooled unit as an example, the calculation model of high back pressure cogeneration unit with surplus heat recovery is built, and comparison of the heating supply performance between the high back pressure mode and traditional mode is also conducted. Afterwards, the factors influencing high back pressure cogeneration unit are investigated. The results show that high back pressure mode can save much high quality extracted steam, comparing with traditional mode, which increases turbine power by 21.8 MW and decreases coal consumption rate by 22.9 g/kW·h. The turbine power of high back pressure mode decreases gradually with the increase of the return water temperature, while the coal consumption rate enhances. It shows that high back pressure mode is more suitable for the heating system with a lower return water temperature. The enhancement of heating water flow decreases the turbine power as well as the coal consumption rate, which denotes that high back pressure mode more suitable for the heating system with a higher heating load.

Keywords：heat recovery; high back pressure; cogeneration; heating supply

收稿日期：2016-03-09。

作者簡介：郭強(1980-)，男，工程師，主要從事汽輪機技術及入網機組安全性評價工作，E-mail: 1024_wb@sina.com。

中圖分類號:TK262

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.04.010