某燃機(jī)電廠反滲透進(jìn)水加熱系統(tǒng)的優(yōu)化

沙海偉

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102)

·發(fā)電技術(shù)·

某燃機(jī)電廠反滲透進(jìn)水加熱系統(tǒng)的優(yōu)化

沙海偉

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102)

為保證在溫度較低的工況下反滲透膜處理的水通量，目前電廠水處理系統(tǒng)采用反滲透處理工藝的一般均需采取生水加熱系統(tǒng)。文中介紹了某燃機(jī)電廠反滲透進(jìn)水常規(guī)的蒸汽加熱方案和擬優(yōu)化的水-水加熱方案，探討了反滲透進(jìn)水加熱系統(tǒng)需要優(yōu)化的原因，重點(diǎn)分析了優(yōu)化的生水加熱方案的可行性和優(yōu)異性，詳細(xì)介紹了優(yōu)化方案的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備配置。經(jīng)過(guò)對(duì)兩種方案的投資和效益進(jìn)行分析對(duì)比，采用優(yōu)化的生水加熱方案經(jīng)濟(jì)效益顯著，可在一定范圍內(nèi)推廣。

反滲透；生水加熱；表面式換熱器；混合式換熱器

0 引言

某工程建設(shè)了2套E級(jí)燃?xì)?蒸汽多軸聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷200 t/h，鍋爐補(bǔ)給水處理采用超濾+反滲透+一級(jí)除鹽+混床的工藝系統(tǒng)，系統(tǒng)正常出力220 t/h。現(xiàn)考慮將余熱鍋爐煙氣余熱換熱水作為熱源來(lái)加熱反滲透進(jìn)水。目前反滲透進(jìn)水采用蒸汽加熱方式，由于具備簡(jiǎn)便、快速等優(yōu)點(diǎn)，為大多數(shù)電廠所采用。出于對(duì)節(jié)能等效果的考慮，也有部分電廠將熱源由蒸汽改造為循環(huán)水冷卻水回水[1]，通過(guò)水-水換熱器加熱來(lái)水，取得了較好的節(jié)能效果。文中將常規(guī)的蒸汽加熱系統(tǒng)和擬優(yōu)化的水-水加熱系統(tǒng)進(jìn)行全面的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，為同類型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組設(shè)計(jì)提供參考。

1 反滲透進(jìn)水加熱的必要性

近年來(lái)，電廠鍋爐補(bǔ)給水處理工藝中反滲透技術(shù)得到了迅速發(fā)展，經(jīng)過(guò)反滲透處理后，可除去水中97%以上的鹽分及SiO2，并能除去水中大部分的鈣、鎂成分，大大減輕后續(xù)除鹽設(shè)備的負(fù)擔(dān)。由于反滲透裝置的工作效率受來(lái)水溫度的影響較大，尤其在冬季和初春、秋末二季，水溫度較低，僅5 ℃左右，導(dǎo)致水的黏度增大，反滲透膜的水通量隨之減小[2-4]，產(chǎn)水量降低，因此反滲透工藝一般會(huì)對(duì)進(jìn)水采取加熱措施[5,6]。

2 常規(guī)生水加熱系統(tǒng)

2.1 常規(guī)生水加熱器

常規(guī)生水加熱系統(tǒng)主要由廠用輔助蒸汽來(lái)加熱反滲透進(jìn)水，一般選用的換熱器形式有2種：表面式加熱器(如圖1所示)和混合式加熱器(如圖2所示)。

圖1 表面式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of surface heat exchanger

圖2 混合式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of mixing heat exchanger

圖1中，蒸汽與欲加熱的生水不直接接觸，其換熱通過(guò)板片與相鄰的通道進(jìn)行，大多數(shù)情況下，介質(zhì)按逆向流動(dòng)[7]；圖2中，生水從左側(cè)喉口高速噴入加熱區(qū)，蒸汽從上部噴入加熱區(qū)，汽水混合換熱，換熱效率較高，體積小，安裝簡(jiǎn)單[8,9]。

2.2 加熱用蒸汽量計(jì)算

該工程鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)正常出力為220 t/h，考慮到超濾的反沖洗用水和反滲透裝置75%的回收率，加熱器入口需生水量約為326 t/h，冬季氣溫條件下(約3個(gè)月)，按從5 ℃加熱到25 ℃考慮，溫升Δt=20 ℃，本期供熱蒸汽壓力P=1.3 MPa，溫度T=303.6 ℃，可按照以下公式計(jì)算：

Q0=D0×c×Δt/1000

(1)

Q=Q0/(h1-h2)

(2)

式(1，2)中：Q0為被加熱水吸收熱量，kJ/h；D0為被加熱水流量，kg/h；Q為加熱用蒸汽量，t/h；Δt為被加熱水溫升，℃；c為水的質(zhì)量比熱，4.204 kJ/(kg.℃)；h1為加熱蒸汽初焓(P=1.3 MPa，T=303.6 ℃的焓值為3051.59 kJ/kg)；h2為加熱后的疏水焓(末凝過(guò)冷加熱后水參數(shù)：P=0.02 MPa，T=60 ℃，焓值251.15 kJ/kg)。

將各已知數(shù)值代入式(1，2)，可計(jì)算出需蒸汽量Q=9.78 t/h。

春、秋季氣溫條件下(初春秋末，取3個(gè)月)，項(xiàng)目所在地平均溫度按15 ℃考慮，Δt=10 ℃，按公式(1，2)計(jì)算需加熱蒸汽量，且Q=4.89 t/h。

2.3 系統(tǒng)配置

2.3.1 全焊板式加熱器

全焊板式加熱器如圖1所示。由于板片結(jié)構(gòu)獨(dú)特，流體能充滿由板片形成的整個(gè)流道，板片表面幾乎都參與了熱交換，介質(zhì)在板式傳熱面上可得到無(wú)死區(qū)的流動(dòng)，因而流體流動(dòng)順暢，垢物附著少，不僅適用于液、氣的單向流動(dòng)，而且也適用于伴有冷凝和蒸發(fā)等相變的情況，目前已在多個(gè)大型熱電聯(lián)產(chǎn)工程上應(yīng)用，但大多采用進(jìn)口產(chǎn)品。從使用情況來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)幾乎沒(méi)有噪音和振動(dòng)，換熱效率高，易拆洗維護(hù)，容易擴(kuò)容[10，11]，使用起來(lái)較為安全可靠，但設(shè)備價(jià)格較高。

2.3.2 混合式加熱器

混合式加熱器如圖2所示，由于蒸汽溫度遠(yuǎn)大于生水溫度并且與生水直接接觸，一旦蒸汽側(cè)控制不當(dāng)極易造成出水水溫超標(biāo)[12]，由于而目前反滲透預(yù)處理方式大多采用超濾工藝，加熱器出水超溫會(huì)對(duì)超濾膜造成不可逆的損傷，更換代價(jià)較大，而且如果汽壓和水壓調(diào)節(jié)不當(dāng)或不及時(shí)，極易造成管道的強(qiáng)烈振動(dòng)并產(chǎn)生噪聲[13]，影響安全生產(chǎn)，但混合式加熱器造價(jià)低，在相同加熱能力的條件下，約為全焊板式加熱器價(jià)格的1/3。

2.3.3 設(shè)備管道及布置

由于熱源均為蒸汽，熱側(cè)管路大致相同，均需配置相應(yīng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)門和截止門，并配備相應(yīng)的控制連鎖，以防止加熱器出水超溫。全焊板式加熱器存在加熱疏水，目前常規(guī)設(shè)計(jì)一般將合格疏水回收至超濾產(chǎn)水箱后進(jìn)一步處理，而混合式加熱器汽、水直接混合換熱達(dá)到合適溫度后直接進(jìn)入后續(xù)工藝系統(tǒng)，因此整體系統(tǒng)和管道布置較為簡(jiǎn)單。

3 擬優(yōu)化的生水加熱方案

3.1 優(yōu)化原因

從經(jīng)濟(jì)效益上看，本工程燃機(jī)電廠定義為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，以熱定電，而對(duì)于以供熱為主的燃機(jī)電廠，在保證機(jī)組各系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，應(yīng)盡可能減少?gòu)S內(nèi)輔助系統(tǒng)用汽即對(duì)外多供熱，實(shí)現(xiàn)效益最大化。從2.2節(jié)計(jì)算可以看出，對(duì)外供熱200 t/h需額外消耗加熱蒸汽約10.76 t/h，約占5.4%，具有一定的優(yōu)化潛力。

另外，從節(jié)能和循環(huán)利用的角度上看，余熱鍋爐的排煙溫度較一般的燃煤鍋爐高，如直接排入大氣中，則會(huì)造成熱量的浪費(fèi)，化學(xué)生水加熱的熱源可考慮將此部分熱量利用。

3.2 優(yōu)化的可行性

余熱鍋爐的排煙溫度一般仍具有較高的熱值，如直接排入大氣中，則會(huì)造成能量的浪費(fèi)[14]。為此，可考慮在余熱鍋爐尾部設(shè)熱水加熱器，產(chǎn)生的熱水用來(lái)給廠內(nèi)的某些工藝提供熱量，比如化學(xué)生水加熱、暖通制冷(采暖)以及天然氣加熱等等[15，16]。化學(xué)生水加熱、暖通所需的熱量原先主要是從蒸汽輪機(jī)抽汽中來(lái)，而天然氣加熱的能量則主要來(lái)自天然氣自身燃燒所產(chǎn)生的的熱量，通過(guò)鍋爐尾部設(shè)置熱水加熱器的方法，既能夠降低余熱鍋爐的排煙溫度，又能夠減少汽輪機(jī)的抽汽量和天然氣的耗氣量，提高汽輪機(jī)的出力，進(jìn)而提高全廠效率。

3.3 優(yōu)化的生水加熱方案設(shè)計(jì)

3.3.1 熱端水量的計(jì)算

本期加熱器入口的水量同為326 t/h，冬季工況下從5 ℃加熱到25 ℃考慮，其中熱源溫度(余熱鍋爐排煙加熱器來(lái)水)85 ℃，回水溫度約按35 ℃考慮，根據(jù)換熱公式：

G=Q/(c×Δt)=A×Q/Δt

(3)

式(3)中：Q為生水加熱所需功率，MW；Δt為供、回水溫度差，℃；G為排煙加熱器來(lái)熱水流量，t/h；A為不同計(jì)算單位的換算系數(shù)；c為水的質(zhì)量比熱，kJ/(kg.℃)。

式(3)可以簡(jiǎn)化為Q=G×Δt/860和G=860Q/Δt，則冬季工況下326 t/h的生水由5 ℃加熱到25 ℃需要的功率為7.58 MW，按照能量守恒定律，吸收的熱量等于放出的熱量，根據(jù)公式G=860Q/Δt，在熱端供回水溫差50 ℃時(shí)可計(jì)算出加熱器熱端水量為130 t/h。

春、秋季工況下，主要參數(shù)不變，供回水溫差不變，可計(jì)算出換熱器熱端水量約為65 t/h。

3.3.2 系統(tǒng)配置

按照3.3.1節(jié)計(jì)算，優(yōu)化后的換熱器可選用1臺(tái)出力約326 t/h的水-水板式加熱器，與常規(guī)蒸汽加熱用的全焊板式加熱器不同，水-水板式加熱器由于使用時(shí)壓力和溫度較低，可選用可拆卸式的，它是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的高效換熱器，具有換熱效率高、熱損失小、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、安裝清洗方便等特點(diǎn)，且便于增減換熱器面積。

對(duì)于熱水供應(yīng)系統(tǒng)，考慮在余熱鍋爐尾部設(shè)熱水加熱器，產(chǎn)生的熱水可以用來(lái)提供熱量。熱水換熱器布置在鍋爐尾部煙道內(nèi)，位于省煤器之后，采用逆流換熱方式，并配備3臺(tái)熱水泵，冬季兩用一備，其他季節(jié)一用兩備，可將熱水加熱至85 ℃，為全廠提供熱量。此種加熱方式需注意控制加熱水量的調(diào)節(jié)，保證余熱鍋爐煙溫降低后仍在煙氣露點(diǎn)之上，防止煙道尾部受熱面腐蝕[17]。

3.4 安全性和技術(shù)性分析

3.4.1 安全性分析

從熱源上看，熱源由蒸汽改為了溫度和壓力均低得多的熱水，熱側(cè)的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度大大降低，板式加熱器的板片之間可采用橡膠類密封條進(jìn)行密封。經(jīng)向相關(guān)加熱器廠家咨詢了解，此型式水-水換熱器的安全性主要取決于熱源的參數(shù)，本工程熱源條件(溫度85 ℃，壓力0.30 MPa)下，加熱器的安全性是完全有保證的。

此外，對(duì)于后續(xù)超濾、反滲透膜處理工藝來(lái)說(shuō)，由于熱水的溫度、壓力均較蒸汽要低的多，因此發(fā)生超溫導(dǎo)致膜燙壞的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。

3.4.2 技術(shù)性分析

從換熱器形式上來(lái)看，板式換熱器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單[18]等特點(diǎn)。板式換熱器的板型豐富，有多種角度和多種槽深可供選擇，可組合以達(dá)到最佳設(shè)計(jì)工況，板片的材質(zhì)也可以匹配不同的水質(zhì)要求，設(shè)計(jì)選型靈活。

從換熱效率上來(lái)看，板式換熱器中，冷卻水側(cè)與被冷卻水側(cè)流動(dòng)均勻湍流，2種流體逆向流動(dòng)，由于波紋的作用引起湍流，從而產(chǎn)生高傳熱率、高阻力壓降以及高切應(yīng)力場(chǎng)，這將抑制污垢在傳熱面上形成。其傳熱系數(shù)一般為3500～5500 W/(m2·k)，節(jié)省了換熱器的換熱面積。

從換熱端差角度來(lái)看，水-水板式換熱器由于它結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)可以，經(jīng)濟(jì)地做到低至1 ℃的端差。

從冷卻水量角度來(lái)看，水-水板式換熱器由于2種介質(zhì)流道基本相同且傳熱效率高，因此可大大降低冷卻水量，一般冷卻水量和被冷卻水量比值比管殼式換熱器低25%，可以降低管道閥門和泵的安裝運(yùn)行費(fèi)用。

從維護(hù)和運(yùn)行角度上看，目前的各板式換熱器廠家的板片均易于檢查和手工清洗，日常清洗不需耗費(fèi)太多時(shí)間，運(yùn)行維護(hù)較為方便。

3.5 投資與效益比較

3.5.1 投資比較

常規(guī)加熱系統(tǒng)中投資費(fèi)用主要是加熱器的設(shè)備費(fèi)用，全焊板式加熱器由于存在疏水回收，還需增加一部分疏水管道成本，2者熱側(cè)的蒸汽管道費(fèi)用相當(dāng)；本期擬優(yōu)化的加熱系統(tǒng)除水-水加熱器的設(shè)備成本外，還包括熱機(jī)煙氣尾部所增加的熱水加熱器、管道及水泵等投資，各加熱方案投資費(fèi)用的比較如表1所示。

表1 常規(guī)蒸汽加熱與優(yōu)化加熱方案投資費(fèi)用比較表Table 1 Investment costs comparison of conventional heating scheme and optimized scheme 萬(wàn)元

(1) 輔助設(shè)備及管道投資。全焊板式加熱器主要為蒸汽管道和疏水管道成本，混合式加熱器僅為蒸汽管道成本，蒸汽管規(guī)格取D150；對(duì)于優(yōu)化加熱方案含供回水管道和循環(huán)水泵，其中供水和回水管道規(guī)格取D150。

(2) 余熱鍋爐側(cè)改造費(fèi)用主要為煙氣尾部熱水加熱器所增加的成本，熱水加熱器成本約200萬(wàn)元，而供應(yīng)化學(xué)生水加熱熱水只占總加熱熱水量的一部分，按照熱量分配折算，化學(xué)生水加熱用熱量占比約28%，表1中費(fèi)用為按供熱量占比對(duì)設(shè)備成本價(jià)進(jìn)行折算后的數(shù)據(jù)。

常規(guī)蒸汽加熱方案因不含熱機(jī)部分改造費(fèi)用，投資較優(yōu)化加熱方案低；本期優(yōu)化加熱方案初投資較蒸汽全焊板式加熱器方案增加近52萬(wàn)元，混合式加熱器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地小，投資費(fèi)用最低。

3.5.2 效益評(píng)價(jià)

本期采用優(yōu)化加熱方案后的效益評(píng)價(jià)如表2所示。

表2 優(yōu)化生水加熱方案效益評(píng)價(jià)表Table 2 Benefit evaluation of optimized scheme

從表2可以看出，由于優(yōu)化后的煙氣余熱利用無(wú)需蒸汽加熱，傳統(tǒng)蒸汽加熱方案計(jì)算得到的發(fā)電收益即可認(rèn)為是優(yōu)化方案節(jié)約的收益，忽略極少量的煙氣余熱換熱水循環(huán)耗電費(fèi)用，優(yōu)化后的加熱系統(tǒng)相應(yīng)全年能節(jié)約230萬(wàn)元，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

常規(guī)生水加熱系統(tǒng)采用蒸汽對(duì)反滲透進(jìn)水加熱，以提高膜的處理效果，由于蒸汽調(diào)節(jié)相對(duì)簡(jiǎn)單，且對(duì)加熱器的季節(jié)性運(yùn)行模式能較好的匹配，因此一直為國(guó)內(nèi)大多數(shù)電廠采用。但近些年新上的燃機(jī)電廠大多定義為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，因此如能在保證全廠工藝系統(tǒng)用熱的情況下盡可能減少?gòu)S內(nèi)蒸汽的消耗，必將帶來(lái)可觀的收益。

本期優(yōu)化方案擬通過(guò)利用余熱鍋爐高溫排煙回收熱量產(chǎn)生的熱水來(lái)加熱反滲透進(jìn)水，無(wú)額外蒸汽消耗。通過(guò)上述分析，初期增加的投資有限，運(yùn)行費(fèi)用很低，節(jié)約了大量供熱蒸汽，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。但需注意控制加熱水量的調(diào)節(jié)，避免余熱鍋爐排煙溫度降低后可能帶來(lái)的尾部受熱面腐蝕問(wèn)題；另外由于生水加熱器全年的間斷運(yùn)行，需注意在加熱器不運(yùn)行的季節(jié)對(duì)所回收的熱量在廠內(nèi)主要工藝專業(yè)間進(jìn)行合理分配，以保證熱量的充分利用。

關(guān)于該優(yōu)化加熱方案的建議：一是應(yīng)保證在加熱器正常運(yùn)行的季節(jié)熱源側(cè)即加熱用熱水量的穩(wěn)定，保證生水加熱器能夠達(dá)到最佳工況；二是所配的循環(huán)水泵應(yīng)能匹配加熱器的間斷運(yùn)行工況，另外鍋爐尾部增加換熱器后回收的熱量全年需合理分配利用，保證一定程度上的收益最大化。

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(編輯錢 悅)

Optimization of Reverse Osmosis Influent Heating System of A Gas Turbine Power Plant

SHA Haiwei

(China Energy Engineering Group Jiangsu Power Design Institute Co., Ltd，Nanjing 211102，China)

In order to maintain the water flux of reverse osmosis membrane treatment at low temperature，now raw water heating device is always set in water treatment system of the power plant. It describes the conventional steam heating scheme and the optimized water-water heating scheme of reverse osmosis influent in a gas turbine power plant, studying the optimization reason，emphatically analyzing the feasibility and advantage of water-water heating scheme, introducing the system design and equipment configuration of optimized scheme. By comparing to the investment costs and benefit of the two schemes, it is concluded that the the optimized heating scheme has more economic benefits and can be popularized within certain limits.

reverse osmosis; raw water heating; surface heat exchanger; mixing heat exchanger

沙海偉

2017-04-12；

2017-06-03

TK223.5+1

：A

：2096-3203(2017)05-0155-05

沙海偉(1983—)，男，江蘇張家港人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姀S水處理(E-mail：shahaiwei@qq.jspdi.com.cn)。