吸收式熱泵和高背壓雙轉子供熱技術在300 MW濕冷機組的應用

武進猛

(大唐清苑熱電有限公司，河北 保定 071100)

1 機組概況

某廠1、2號汽輪機是由上海汽輪機有限責任公司制造的300 MW亞臨界參數、一次中間再熱、高中壓合缸、單軸、雙缸雙排汽、抽汽凝汽式汽輪機，型號為C300/226-16.7/0.43/537/537，發電機為QFSN-300型水-氫-氫冷式，采用靜態勵磁[1-2]。于2012年11月和12月相繼投產發電，同時向市區供熱，設計總供熱能力為656 MW，能滿足1 200萬m2供熱需求。隨著市區的快速發展，熱負荷需求不斷增加，2016年11月，2號機組進行高背壓雙轉子供熱改造，供熱期為高背壓供熱工況運行，機組型號為C(B)300-16.67/0.43/0.054/537/537，全廠供熱能力為774 MW，能滿足1 550萬m2供熱需求。2017—2018年市區的集中供熱需求擴大，該廠供熱期將承擔供熱面積達1 700萬m2。2017年8月，1號機組進行余熱回收熱泵供熱改造，吸收循環水余熱85 MW，增加供熱面積約170萬m2。

2 技術方案

目前國內外汽輪機組余熱回收利用改造項目除吸收式熱泵供熱技術以外，主要有高背壓雙轉子技術、低壓轉子光軸技術、“NCB”新型供熱機組技術。綜合考慮發電和供熱能力、煤耗要求及技術成熟性，力求實現改造收益最大化。經過對不同供熱技術分析，結合該廠實際情況，認為高背壓雙轉子供熱技術提升供熱能力最大，經濟性最高；吸收式熱泵供熱技術具有更高的靈活性和穩定性，均符合該廠的生產要求[3-4]。該廠2016年已完成2號機組高背壓雙轉子供熱改造，為了降低機組對供熱外網依賴性，避免雙機同時更換轉子工期交叉消除機組雙停風險，1號機組選取更加靈活、穩定的吸收式熱泵技術回收循環水余熱進行供熱能力提升改造[5-7]。

3 技術路線

3.1 高背壓雙轉子改造

2016年11月，該廠已經完成2號機組高背壓雙轉子供熱改造，改造后熱網循環水回水直接進入2號機組凝汽器，將汽輪機排汽余熱吸收，再并聯流經1、2號機組4臺熱網加熱器進行二次加熱，進入熱網母管混合后，將滿足參數要求的熱網循環水供至廠外熱用戶。考慮到機組經濟性，采用1號機組采暖抽汽對流經其熱網加熱器的熱網循環水進行加熱后提溫，2號機組不進行采暖抽汽供熱，只進行凝汽器供熱。

3.2 吸收式熱泵改造

2017年11月，該廠實施1號機組余熱回收熱泵供熱改造，在冬季供熱期，熱網供回水母管并聯接入1號機熱泵機組，并實現1號機組獨立供熱、1號機組熱泵—抽汽聯合供熱、2號機組高背壓獨立供熱等方式靈活切換，從而實現了1號機組熱泵—2號機組高背壓—尖峰加熱器聯合最大化供熱方式，達到余熱回收的目的。吸收式熱泵參數確定如下。

3.2.1 基礎工況確定

首先保證2號機組高背壓雙轉子供熱安全穩定運行，滿足熱網循環水供水溫度達到90 ℃，最大程度回收1號機組汽輪機排汽余熱，同時保證供熱抽汽和工業用汽需求。確定1號機組以額定抽汽工況為設計工況，發電負荷為211.103 MW，主汽流量為980 t/h，采暖抽汽流量為500 t/h；采暖抽汽參數為壓力0.45 MPa、溫度263 ℃；工業抽汽流量為55 t/h，背壓為5.6 kPa，此時1號機組凝汽器余熱量為85.6 MW。

3.2.2 循環水參數確定

根據1號機組循環水系統的運行情況進行分析，同時考慮冬季運行工況的汽輪機排汽余熱，1號機組冬季供熱期循環水泵單泵低速運行。

1號機組循環水系統包括1號機組開式水、2號機組開式水及脫硫等用戶。使用超聲波流量計測量1號機組循環水泵出口流量為14 400 t/h，1號機組開式水系統使用流量為1 900 t/h，對輔機進行冷卻后回到1號機組循環水回水母管，2號機組開式水系統流量1 900 t/h，對輔機進行冷卻后回到1號機組冷卻塔塔池，1號機組循環水回水流量約12 500 t/h通過上塔冷卻，凝汽器循環水流量為10 600 t/h。

根據1號機組基礎工況，考慮由于背壓升高對機組發電能力的影響，凝汽器背壓取5.6 kPa，凝汽器設計端差小于3 ℃，本次按端差3 ℃計算，則凝汽器循環水出口溫度為31.9 ℃，凝汽器循環水流量為10 566 t/h，凝汽器循環水進水溫度為24.9 ℃。

吸收式熱泵從10 151 t/h的循環水中吸收循環水余熱85 MW，循環水溫由31.9 ℃降至24.9 ℃。1號機組投入熱泵系統運行，可通過調整抽汽量與低壓缸進汽量，尋找平衡點，盡量使1號機組凝汽器循環水的余熱回收利用，未能回收的部分循環水仍然上塔冷卻，在其他工況可以通過調整主蒸汽的進汽量或循環水上塔流量等措施滿足機組和熱泵安全、平穩運行，保證供熱需求。

3.2.3 熱網水參數確定

該廠2014—2017年供熱期的一次熱網循環水供水溫度平均為85 ℃，其中初、末期較低為83 ℃，中期較高為88 ℃，熱網循環水回水溫度為50 ℃左右。同時考慮到2號機組高背壓運行安全性，確定熱網回水溫度50 ℃為設計溫度，在極寒期熱網供水溫度90 ℃可以滿足供熱要求。

2014—2015年供熱期熱網循環水流量平均在8 000 t/h左右，2015—2016年供熱期熱網循環水流量平均在10 000 t/h左右，2016—2017年供熱期熱網循環水流量基本穩定在12 500 t/h左右，最大約15 000 t/h。由于熱網循環水供回水母管已經由原來DN1200更換為DN1600，最大熱網循環水流量約21 000 t/h，確定吸收式熱泵熱網循環水流量6 000 t/h為設計流量。

兩機組共7臺熱網循環水泵，單臺熱網循環水泵設計流量為2 550 t/h，本次改造在熱泵廠房內增加3臺熱網循環水泵(2運1備)滿足熱網循環水流量需求。

3.2.4 驅動蒸汽參數確定

對于熱泵機組來說，提供穩定工況的驅動蒸汽，有利于熱泵穩定出力和疏水水位控制。因此熱泵投運后，需要運行時提供一個穩定驅動汽源。該廠2015—2017年兩個供熱期，1號機組采暖抽汽流量在450 t/h時，采暖抽汽壓力在0.40 MPa左右，考慮采暖抽汽至熱泵房的管道壓損，熱泵驅動蒸汽壓力/溫度選定為0.35 MPa/263 ℃。

3.2.5 熱泵性能參數確定

機組吸收余熱85 MW，循環水余熱進出溫度31.9 ℃/24.7 ℃，循環水量10 000 t/h，熱網供回水溫度78.4 ℃/50 ℃，熱網循環水量6 000 t/h,熱泵驅動蒸汽參數0.35 MPa、263 ℃。

4 方案實施

1號機組余熱回收熱泵供熱改造主要是通過8臺溴化鋰吸收式熱泵將機組的循環水余熱回收用于加熱熱網循環水，同時匹配高背壓機組的聯合運行，實現能量的充分利用，獲得更高供熱量的高效節能技術。

溴化鋰吸收式熱泵包括蒸發器、吸收器、冷凝器、發生器、熱交換器、屏蔽泵和其他附件。在蒸發器中輸入低溫熱源，發生器中輸入驅動熱源，從吸收器和冷凝器中輸出中高溫熱水，其中需對循環水系統、熱網水系統和蒸汽疏水系統進行升級改造，具體內容如下。

4.1 循環水系統

該廠1號機組2臺循環水泵為立式、濕井式斜流泵，型號1600HLC5.05-25.7，夏季2臺全部運行，冬季為1用1備。單臺高速泵運行時流量為21 348 t/h，低速泵運行時為16 560 t/h。

本方案從1號機組凝汽器循環水出水至1號機組冷卻塔管道上引出1根DN1300鋼管循環水管道，連接至熱泵房作為低溫余熱回收熱源，循環水經循環水升壓泵進入熱泵組吸熱后單獨引出1根DN1300鋼管至1號機組循環水母管至冷卻塔。其供水流程為凝汽器出水→循環水出水管(原機組)→熱泵供水管→循環水升壓泵→熱泵供水管→熱泵機組→熱泵出水管→循環水母管(原機組)→冷卻塔→循環水供水管(原機組)→凝汽器。

將1號機組循環水回水至塔池電動蝶閥更換為可調節閥門，通過調節該電動調節蝶閥控制水塔上水量，從而控制凝汽器循環水出水溫度。

4.2 熱網水系統

本方案在原有DN1600熱網回水母管引一路DN1000熱網水管道進入熱泵機組，經熱泵機組升溫后回到DN1600熱網循環水供水母管。通過調整熱泵機組8個熱網循環水電動調節蝶閥，控制2號機組的熱網循環水安全流量，同時滿足熱泵機組的熱網水流量需求。

4.3 蒸汽疏水系統

該廠1號機組采暖抽汽管道連接至2臺熱網加熱器，通過3臺熱網疏水泵引至1號機組除氧器的凝結水進水管道。本方案在1號機組采暖抽汽母管上引出2根DN600的管道匯至1根DN800的蒸汽母管管道經由管架引接至熱泵房，在熱泵房內經噴水減溫后，作為吸收式熱泵的驅動汽源。驅動蒸汽經過吸收式熱泵換熱后形成疏水先進入6 m3疏水罐，通過新增2臺熱泵疏水泵(1運1備)輸送到1號機組熱網加熱器疏水泵出口母管。

5 經濟性分析

該廠1號機組余熱回收熱泵供熱改造項目于2018年1月投產，在冬季供熱期，熱網供回水母管并聯接入1號機組，并實現1號機組獨立供熱、1號機組熱泵—抽汽聯合供熱、2號機組高背壓獨立供熱等方式靈活切換。確定熱泵機組并聯高背壓機組聯合運行為最佳方案，從而實現了1號機組熱泵到2號機組高背壓—抽汽聯合最大化供熱方式，達到余熱回收目標。符合城區供熱“平峰轉供”的發展趨勢。

1號機組熱泵吸收循環水余熱85 MW，增加供熱面積約170萬m2。在發電負荷210 MW，熱泵全部投運工況下，試驗熱耗率平均為4 592.7 kJ/kWh，供電煤耗平均為187.6 g/kWh。相比熱泵未投運時，供電煤耗平均值降低40.1 g/kWh，整個供熱期熱泵未全部投運時，供電煤耗平均降低26 g/kWh，折合節約標煤量1.966萬t。每個供熱期可減少二氧化碳排放量5.112萬t，二氧化硫排放量471.9 t，氮氧化物排放量137.6 t，煙塵排放量39.3 t，有效改善了城市環境，該廠成為行業內首家同時并聯運行熱泵機組和高背壓集中供暖的示范企業。

6 結束語

該廠結合實際情況，選用吸收式熱泵與高背壓雙轉子供熱技術，對機組進行升級改造，在不增加電廠燃煤量、環保排放量等基礎上，回收2臺300 MW機組汽輪機的余熱向城市供熱，實現汽輪機冷源近零損失，提高電廠對外供熱能力，擴大供熱面積，增加電廠收入，減少污染物排放量，可為同類機組供熱改造提供可靠依據。