采用吸收式熱泵技術供熱空冷機組煤耗率升高分析及優化

宗緒東

摘 要：某電廠2×135 MW直接空冷機組進行了吸收式熱泵余熱回收機組供熱改造，熱網二級站進行了吸收式熱泵換熱機組改造。運行初期機組供熱節能效果良好。但運行6年后，供熱季機組供電煤耗率大幅度升高，機組經濟性降低。通過現場進行診斷、排查，分析查找了供電煤耗率升高原因，制定了針對性的運行調整、檢修治理和優化改造方案，實施后取得了良好的效果，從而保證機組經濟運行。

關鍵詞：吸收式熱泵；煤耗率；效率

中圖分類號：TK12 文獻標志碼：A

0 引言

空冷供熱機組存在2個影響能耗升高的問題：一是汽輪機抽汽在加熱熱網回水的過程中存在較大的傳熱溫差，不符合能量梯級利用的原則，造成較大的不可逆傳熱損失；二是大量汽輪機乏汽余熱經過空冷島冷卻排放，造成冷源損失。清華大學建筑節能研究中心提出了“吸收式換熱”的概念和“基于吸收式換熱的熱電聯產集中供熱技術”。

山西某空冷熱電廠于2010年12月采用吸收式熱泵技術進行了供熱改造，投運初期運行節能效果良好，但運行6年后供熱季全廠供電煤耗率同比大幅度上升38 g/kW·h以上。針對這一問題進行了現場診斷分析，查找了煤耗率異常升高的原因，提出了綜合優化治理方案。經實施后徹底解決了這一問題，保證了機組經濟運行。

1 電廠機組供熱系統配置及煤耗率現狀

1.1 電廠機組供熱系統配置

電廠配置2臺CKZ135-13.24/535/535/0.245型超高壓、一次中間再熱、單抽、單軸、雙排汽凝汽式直接空冷汽輪機組。

2010年12月，電廠采用吸收式熱泵技術進行了供熱改造，并對用戶二級站進行了配套改造。在廠區熱網加熱首站安裝兩臺余熱回收機組，用每臺汽輪機的五段抽汽驅動回收汽輪機部分排汽（約占低壓缸排汽量的1/3左右）用來加熱熱網回水，然后進入二級尖峰加熱器，由汽輪機五段抽汽進行二次加熱后通過熱網循環水泵輸送到用戶側二級站，加熱器疏水并入機組凝結水系統；在用戶側二級站根據需要安裝8臺吸收式換熱機組、板式換熱器，經換熱后熱網回水進入廠區余熱回收機組。二級站吸收式換熱機組能夠在不改變二次網供回水溫度流量的前提下，降低一次網回水溫度至30 ℃左右，從而實現了大溫差換熱。單臺機組供熱系統如圖1所示。

1.2 電廠機組煤耗率現狀分析

2016年11月該電廠1號、2號機綜合供電煤耗率完成372.92 g/kW·h，比2015年同期升高44.6 g/kW·h，統計數據詳見表1。

2 原因分析

經過現場進行診斷發現：余熱回收機組大幅度效率降低，無法充分回收汽輪機排汽余熱是供電煤耗率升高的主要原因；汽輪機組維持較高背壓運行，造成低壓缸效率降低是供電煤耗率升高的次要原因。

2.1 余熱回收機組效率降低后果及原因

2.1.1 造成余熱回收機組熱量減少、煤耗率升高

2015年、2016年11月，1號、2號機組余熱回收機組供熱量所占比例分別為53.51 %、31.277 %。2016年比2015年余熱回收機組供熱量同比降低22.233個百分點；二級加熱器系統供熱量比例由46.69 %增加至68.72 %，同比升高22.03個百分點。綜合考慮回水溫度、熱泵和二級加熱站系統三方面的影響，1號、2號機組2016年11月供電煤耗同比升高約26.46 g/kW·h。

（1）余熱回收機組供熱量降低，造成系統吸收汽輪機排汽量大大減少，增加了汽輪機冷源損失，導致供電煤耗升高約39.97 g/（kW·h）。根據2016年11月余熱回收機組供熱量（計算值）同比降低92 031 GJ計算，電廠余熱回收機組供熱量數據統計詳見表2。

（2）余熱回收機組供熱量降低后，導致二級加熱器五段抽汽量增加，抽汽熱電比升高，抽汽增加影響煤耗率降低約13.51 g/kW·h。

在供熱工況下，熱電比對供電煤耗率的影響值計算方法：bgr=kgr1×R1+kgr2×R2，式中bgr為供熱影響值，g/（kW·h）；kgr1、kgr2分別為工業和采暖抽汽的修正系數；R1、R2分別為工業和采暖抽汽的熱電比。根據電廠抽汽參數和機組實際運行情況，kgr2取1.4。

2016年11月二級加熱器供熱量同比增加約70774.298GJ，二級加熱器熱電比同比升高約9.65 GJ/萬kWh，因抽汽供熱量增加使機組煤耗率降低約13.51 g/kW·h，熱電比變化對煤耗率影響計算數據詳見表3。

2.1.2 余熱回收機組效率偏低原因

2.1.2.1 余熱回收機組前置換熱器結垢嚴重

2015年夏季1號、2號機排汽背壓較高，機組帶負荷困難。為降低背壓，將電廠循環水（轉動設備冷卻水）引入1號、2號余熱回收機組，用來冷卻部分低壓缸排汽。由于循環水水質較差，長時間運行導致1號、2號余熱回收機組前置換熱器結垢嚴重，換熱系數大幅度降低，造成余熱回收機組效率降低。

2.1.2.2 熱網回水溫度偏高

2016年10月～11月熱網回水溫度比2015年同期偏高5.94 ℃左右，導致余熱回收機組效率降低。分析原因：一是用戶二級站6臺吸收式換熱機組故障停用（維護費用較高），被迫切換至板式換熱器運行，二級站熱網系統換熱效果變差；二是二級站為兼顧部分用戶供熱效果，采用循環水高流速運行。

2.2 汽輪機排汽背壓控制偏高，煤耗率升高

為保持1號、2號余熱回收機組穩定運行及空冷島防凍要求，1號、2號汽輪機維持較高背壓運行（21 kPa以上），背壓比正常值偏高約10 kPa，導致低壓缸效率降低，影響供電煤耗升高約12 g/（kW·h）。

3 現場驗證試驗及優化方案

為驗證余熱回收機組效率降低的原因是煤耗率升高造成的，筆者進行了現場運行調整試驗，并制定了針對性的優化方案。

3.1 試驗情況及分析

2016年12月14日，進行了1號、2號機提高背壓、降低背壓調整試驗。

3.1.1 空冷島風機降速試驗

逐漸將1號、2號機空冷島各運行風機轉速降至0 rpm，1號、2號機背壓分別上升約9 kPa以上，低壓缸排汽溫度上升10 ℃以上，觀察1號、2號機余熱回收機組出水溫度無變化，說明余熱回收機組回收熱量未發生變化。

3.1.2 空冷島風機升速試驗

逐漸提高2號機空冷島各運行風機轉速，啟動2號真空泵，2號機背壓逐漸降至15 kPa左右，觀察2號機余熱回收機組出水溫度無變化，說明余熱回收機組回收熱量未發生變化。

通過上述試驗證明1號、2號機余熱回收機組目前吸收乏汽能力有限，驗證了其效率降低是煤耗率升高的主要原因。

3.2 優化方案

鑒于1號、2號機余熱回收機組換熱效率明顯降低，采取以下優化方案，降低機組供電煤耗率。

3.2.1 運行優化方案

1號、2號機在保證空冷島不結凍的前提下，應提高各變頻風機轉速，降低凝汽器背壓至經濟背壓運行，提高汽輪機低壓缸效率。

3.2.2 檢修治理方案

檢查運行中將1號、2號機余熱回收機組能否與供熱系統隔離，隔離后對系統冷卻管道進行機械疏通后再進行酸洗處理；如果不能隔離，應在供熱季結束后進行檢修。

3.2.3 技術改造方案

利用機組大修機會，將1號、2號機改造為高背壓循環水供熱。高背壓供熱就是提高汽輪機的排汽壓力運行以提高汽輪機的排汽溫度，利用汽輪機排汽加熱供熱循環水實現對外供熱。空冷機組由于夏季運行背壓高，進行高背壓供熱改造要簡單得多，由于本身汽輪機排汽面積小，葉片短，一般可以適應背壓在35 kPa長期運行。因此進行改造時，只需加裝一個換熱器，低壓轉子不必進行更換。但低壓缸末級葉片如果經常處于小流量、高背壓、小容積、大負沖角工況下，汽流會對葉片產生一種強大的擾動力，使葉片產生非共振強迫振動，產生的動應力會大幅上升。當相對容積流量減小到0.25～0.15左右時，會產生一個峰值，該峰值產生的動應力比正常運行大5～10倍，造成末級葉片振動增大，嚴重的可導致末級葉片斷裂，因此建議配套低壓缸末級進汽容積流量監控軟件。

進行高背壓供熱改造后，運行中保留部分空冷島防凍蒸汽，其他90 %以上的乏汽余熱全部回收，供電煤耗率預計降至200 g/kW·h以下，經濟性大大提高。

4 結論

通過對某空冷電廠采用吸收式熱泵技術供熱改造機組運行煤耗率異常升高進行分析，能夠得到如下結論：

（1）采用吸收式熱泵技術供熱機組，應加強對電廠側余熱利用機組及用戶側吸收式換熱機組的維護工作，保證換熱效率。

（2）空冷機組采用吸收式熱泵技術供熱改造，由于要兼顧抽取乏汽量和防凍，排汽背壓維持較高，降低機組經濟性。

（3）直接空冷機組進行高背壓循環水供熱改造，回收乏汽量大，系統簡單且改造維護費用低，經濟性更好，但應配套低壓缸末級進汽容積流量監控軟件。

參考文獻

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