電廠循環水余熱供熱技術

王光林，張　濤，于澤庭，韓吉田（.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南　5003；.山東大學能源與動力工程學院，濟南　5006）

電廠循環水余熱供熱技術

王光林1，張濤1，于澤庭2，韓吉田2
（1.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南250013；2.山東大學能源與動力工程學院，濟南250061）

論述電廠循環水余熱利用的重要意義，介紹幾種目前已經應用的和處于理論研究階段的循環水余熱利用技術，包括汽輪機低真空工況運行方式和熱泵回收余熱技術，并對各種技術特點進行了分析。

電廠循環水；余熱利用；低真空工況運行；熱泵

0　引言

在傳統電廠的生產過程中，高溫高壓的過熱蒸汽在汽輪機中膨脹做功后變成乏汽，乏汽進入凝汽器中被循環水冷卻，同時循環水吸收乏汽冷凝所釋放的大量潛熱，循環水進入冷卻塔中進行自然通風冷卻，其攜帶的大量低品位的余熱通過對流傳熱進入大氣中損失掉了。雖然這部分熱能品位較低，不具備做功能力，但是如果這部分能量能用于對居民供暖，將會節約大量能源，減少SO2、CO2及粉塵排放，同時還會降低循環水的蒸發量。

目前能源日趨緊張，節能減排在生產過程中意義重大，更加經濟、環保的循環水余熱利用技術的應用已經成為了電廠發展的新趨勢。然而電廠循環水的余熱并不能直接用于供暖，因為其溫度較低，尚未達到能夠直接供熱的高品位，應先對其升溫再加以利用。我國應用的電廠循環水低品位熱能回收技術主要有汽輪機低真空工況運行方式和熱泵吸收循環水低品位熱能技術。

低真空工況下運行時，凝汽式機組的發電量受到用戶用熱量的制約，熱負荷增大時，為了保證供熱，發電量會適當降低。熱負荷較大、供熱溫度較高時，為了保證安全運行，汽輪機的結構參數需要進行調整校核，對于大型機組并不適用。

熱泵吸收循環水低品位熱能技術的原理是利用熱泵吸收循環水中的熱量將其輸送給居民區的熱網。熱泵回收循環水低品位熱能技術不僅僅局限于中小型汽輪機組，大型汽輪機組同樣適用。

1　汽輪機低真空工況運行方式

汽輪機低真空工況運行方式是通過降低凝汽器的真空度來提高汽輪機乏汽溫度，使循環冷卻水溫度升高，以凝汽器的循環冷卻水代替原熱網循環水向用戶供熱。汽輪機低真空工況運行供熱系統流程圖如圖1所示。

其中尖峰加熱器的作用是在低真空工況運行時供熱面積過大、熱量不足時作為熱網的調峰熱源，或在汽輪機組停運時作為替代熱源對熱用戶供熱。通過布置尖峰加熱器，循環水供熱系統的供熱能力可以根據供熱面積的大小和環境溫度的變化進行調節。

圖1　汽輪機低真空工況運行供熱流程

由熱力學定律可知，在熱功能轉換過程中產生的冷源損失是不可避免的，傳統的凝汽式汽輪機組乏汽中的余熱被循環水帶走。將汽輪機組改造成低真空工況運行后，凝汽器作為基本加熱器對循環冷卻水加熱，冷卻水作為供熱過程的媒介在封閉的熱網中循環，乏汽冷凝所放出的汽化潛熱就可以傳輸到熱網中進行供熱，不僅有效利用了這部分冷源損失的熱量、節約大量能源，而且還降低了冷卻水的蒸發量減少循環冷卻水的大量補給。

汽輪機改造前后兩種工況的溫熵如圖2所示。

圖2　兩種不同工況的溫熵

由圖2可以看出，汽輪機在純凝汽運行時，新蒸汽從熱源吸收的熱量為面積7-3-5-6-1-9-7，乏汽在凝汽器中向循環冷卻水放出的熱量為面積7-3-2-9-7。低真空工況運行時，新蒸汽從熱源吸收的熱量為面積8-3a-5-6-1-9-8，乏汽在凝汽器中向循環冷卻水放出的熱量為面積8-3a-2a-9-8。純凝汽工況下，蒸汽在汽輪機中所做的功為面積3-5-6-1-2-3；低真空工況運行時，蒸汽所做的功為面積3a-5-6-1-2-3a。

雖然純凝汽工況下蒸汽在汽輪機中做功多于低真空工況運行工況，但是顯然汽輪機在低真空工況運行時，循環冷卻水所吸收的熱量較純凝汽工況運行時多，而且這部分熱量在低真空工況運行時被有效利用，因此其能源綜合利用效率高于純凝汽工況。

1.1傳統中小型汽輪機低真空工況供熱

在純凝汽工況下，汽輪機的排汽壓力為5 kPa左右，相應的乏汽溫度為25～45℃，這樣不滿足供熱的要求，需要降低凝汽器的真空度，提高其工作壓力。出于機組運行的安全性考慮，汽輪機低真空工況運行時只能將凝汽器壓力提高至40～50 kPa，相應的排汽溫度可以達到75～80℃，循環水則被加熱到65～75℃，該溫度范圍的循環水達到了直接供熱的要求，循環水回水溫度為55～60℃［1］。中小型汽輪機組改造為低真空工況運行后，能源的綜合利用率可以由原來的40%提升至75%～85%［2］。

傳統的汽輪機低真空工況供熱方式的應用受到以下兩點的制約。首先，進入汽輪機組的新蒸汽量隨著熱負荷的改變而變動，制約著發電功率。若汽輪機低真空工況運行后仍要保持原發電功率，因汽輪機排汽壓力高，蒸汽的焓降較小，需要增大蒸汽量，這又會對供熱溫度有影響。由于發電功率和供熱溫度不能分開單獨調節，因此汽輪機低真空工況運行供熱只適用于熱負荷相對穩定的系統。其次，如果中小型凝汽式汽輪機組不進行改造直接低真空工況運行，會導致汽輪機末級處蒸汽焓降劇烈下降，同時汽輪機的效率也會受到嚴重影響［3］。變工況運行后會對汽輪機組造成一定的影響，為了保證機組安全運行，需要對汽輪機的結構進行校核和改動，解決軸向推力增大、凝汽器承壓等問題。出于安全運行的考慮，對于大型汽輪機組，改動結構參數低真空工況運行是不允許的。

1.2汽輪機低溫供熱方式

汽輪機低溫供熱方式是在保證汽輪機組安全的前提下，適度提高排汽壓力、降低凝汽器真空度，小幅度提高使循環冷卻水溫度，對用戶進行小溫差供熱。大型汽輪機組要求凝汽器出口循環水溫度不能超過45℃，該溫度恰好在用戶采用的一些高效的末端散熱器的工作溫度區間內，可以在排汽壓力不高于設計值、機組正常安全運行的工況下，使用低溫循環水直接對用戶供熱。

中小型和大型汽輪機組都可以使用低真空工況運行低溫供熱方式，但是該方式存在兩個缺點：首先，熱網供水循環水和回水循環水之間溫差太小，一般在10℃左右，嚴重制約了該方式的供熱半徑。其次，熱網供水循環水溫度太低，用戶只能采用如地熱供暖系統等一些高效的散熱器，傳統的散熱末端在此供熱方式中并不適用。當用戶熱負荷較小時，部分循環水的熱量需要通過冷卻系統排入大氣以便調節熱電負荷，這樣會大幅降低電廠能源的綜合利用效率，因此低真空工況低溫供熱方式的適用范圍大大縮小。

1.3新型專用供熱汽輪機組

何堅忍等［4］提出了適用于300MW機組的“NCB”專用供熱模式，該新型機組綜合了背壓式和抽凝式汽輪機組的優點，并且克服了以上兩種機組的缺點，進一步提高了能源綜合利用效率。如圖3所示。

圖3　“NCB”專用供熱汽輪機組

在非供熱期、供熱期、供熱高峰期，可以通過調節閥門5、6使汽輪機組分別呈純凝工況、抽汽工況和背壓工況運行，根據外部熱負荷的變化調整保證供熱、供電效率［4］。其中在背壓工況下，汽輪機排汽熱量全部用于供熱，此時汽輪機組可以達到最大供熱量及最高熱效率。這種新型供熱模式優點較明顯，但仍然處于理論階段。

2　熱泵回收循環水低品位熱能供熱技術

熱泵吸收循環水低品位熱能技術按供熱系統分為集中式和分布式布置供熱系統，熱泵按驅動能源的種類可以分為電動機驅動熱泵和熱驅動熱泵，吸收式熱泵屬于熱驅動熱泵的一種。

從原理上講，熱泵和制冷系統的工作方式是相似的，熱泵以消耗部分機械能、熱能或電能為代價，將一部分熱量從低溫熱源轉移給高溫熱源［5］。

2.1利用電動機驅動熱泵吸收低品位熱能供熱方式

1）集中式布置供熱方式。

集中式布置供熱方式是指將熱泵布置在電廠內的供熱方式，小區內熱力站無熱泵裝置。在電能的驅動下，熱泵將熱量從作為低溫熱源的循環水傳遞給作為高溫熱源的一次網回水，一次網回水通過電動機驅動熱泵后溫度從70℃左右升高到80～90℃［6］。在汽—水換熱器中，一次網熱水被抽汽加熱到130℃左右，然后送入熱網對熱用戶供熱。

一次網熱水直接供入原有的熱網，因此不需要額外的管路建設，節省了大量成本。但是該供熱方式存在供熱溫差小、一次網回水溫度太高等缺點，因此大量高品質熱能未被有效利用，導致電廠供熱能效過低。

2）分布式布置供熱方式。

分布式布置供熱方式指的是將熱泵布置在小區供熱站，而電廠內無熱泵裝置。凝汽器出口25℃左右的循環水被直接輸送到小區熱力站內，電動機驅動熱泵以循環水為低溫熱源，以二次網熱水為高溫熱源進行熱量的轉移。循環水回水溫度為10℃左右，供熱溫差太小僅為15℃左右，因此電動機驅動分布式布置供熱方式供熱半徑會非常有限，一般在3～5 km。另外還需要鋪設電廠到小區用戶站之間的循環水管路，將消耗大量成本和時間，因此該方式帶來的經濟效益不容樂觀。

2.2利用吸收式熱泵吸收低品位熱能供熱方式

當前在電廠供熱中應用的吸收式熱泵主要是第一類吸收式熱泵。第一類吸收式熱泵的原理是通過少部分高溫熱能的驅動，將大量熱量從低溫熱源傳遞給中溫熱源。和電動機驅動熱泵使用電能作為驅動方式相比，吸收式熱泵使用蒸汽作為驅動熱源，蒸汽比電能便宜，因此使用吸收式熱泵比電動機驅動熱泵更加經濟劃算。

1）吸收式熱泵集中式布置供熱方式。

使用吸收式熱泵的集中式布置供熱方式與電動機驅動集中式布置供熱方式幾乎完全一樣，只是將驅動方式由電動機驅動改為部分抽汽驅動代替。因此，吸收式熱泵集中式布置供熱方式也會有相同的優缺點，即無需改造供熱管路但供熱溫差小、一次網回水溫度過高、經濟性差［7-8］。

2）新型大溫差吸收式熱泵供熱方式。

由于以上幾種熱泵供熱方式都存在供熱溫差小、能效低，不能有效利用循環水中的大量余熱，清華大學提出了一種新型的大溫差供熱方式［6］，如圖4所示。

圖4　新型大溫差吸收式熱泵供熱方式

其主要改進是在小區熱力站增設了換熱能力極強的吸收式高效換熱機組［9］，確保充分利用一次網供水攜帶的熱能，如圖5所示。

圖5　吸收式高效換熱機組

吸收式高效換熱機組也是吸收式換熱器的一種，在吸收式高效換熱機組內，一次網供水有3個放熱階段，既是高溫熱源又是低溫熱源。一次網供水進入蒸發器時作為高溫驅動熱源放熱，繼而在板式換熱器中對二次網回水放熱，之后進入吸收式換熱器充當低溫熱源對二次網回水供熱。一次網供水溫度為130℃左右，經過吸收式高效換熱機組放熱后的一次網回水溫度為20℃左右，供熱溫差達到110℃。該方式的關鍵點有兩個：首先是在小區熱電站內布置吸收式高效換熱機組，將供熱溫差由原來的60℃提升至110℃。其次是利用蒸汽作為驅動熱源將循環水內的余熱傳遞給一次網回水，一次網回水依次經過串聯的幾個吸收式熱泵［10］，溫度由20℃逐級提升至130℃。

該技術主要有兩個優點：首先能使系統的供熱效率大幅提升；其次，大大增大了供熱半徑，使供熱輸送能力提高80%左右，減少了大量供熱管網改造的投資［6］。

3　結語

傳統凝汽器冷卻機組的循環冷卻水中存在著大量低品位余熱，如果這部分熱量用來供熱，將會大幅提高電廠的能源利用效率，同時也會帶來巨大的經濟收益。

傳統的低真空工況運行方式只適用于中小型汽輪機組，對大型機組并不適用。低真空循環低溫供熱方式的供熱溫度和供熱溫差較低，供熱能效過低。“NCB”新型專用供熱模式綜合了抽汽冷凝式和背壓式汽輪機組的優點，為汽輪機低真空工況運行開辟了新的模式，但仍處于理論研究階段。電動機驅動熱泵集中式、分布式以及吸收式熱泵集中式布置供熱方式都存在著供熱溫差過小等缺陷，供熱能效低，不能充分利用循環水的低品位熱能。

新型大溫差吸收式熱泵供熱方式能產生110℃的供熱溫差，供熱效率大幅提升，將會在大型機組集中供熱領域廣泛應用。

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Heating Supp ly Technology of Circulating W ater W aste Heat for Power Plants

WANG Guanglin1，ZHANG Tao1，YU Zeting2，HAN Jitian2
（1.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan 250013，China，2.School of Energy and Power Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

The significance ofwaste heat utilization of circulating water in power plantswas introduced，and some applied and theoretical technologies ofwaste heat utilization were discussed，including steam turbine low vacuum running technology and heat pump waste heat recovery technology.Finally，their characteristicswere analyzed.

circulatingwater of power plants；waste heat utilization；running in low vacuum condition；heat pump

TK115

A

1007－9904（2016）04－0039－04

2016-02-03

王光林（1983），男，從事熱機專業設計工作；

張濤（1982），男，從事熱機專業設計工作；

于澤庭（1979），男，從事電廠低品位余熱利用研究工作；

韓吉田（1961），男，從事電廠節能及多相流研究工作。