直接空冷供熱機組排汽余熱梯級利用系統(tǒng)變工況分析研究

陳寶菲

【摘 要】大型直接空冷供熱機組采用串并聯(lián)式排汽余熱梯級利用系統(tǒng)，一方面減少了對發(fā)電量的不利影響，另一方面通過逐級加熱，使傳熱溫差減少，降低了不可逆損失，能源利用效率更高。本文在通過典型工況數(shù)據(jù)分析掌握排汽利用系統(tǒng)的設(shè)計性能以及主要設(shè)備的變工況性能的基礎(chǔ)上，建立熱泵組及全廠優(yōu)化分析模型，分析計算熱泵組變工況運行性能，分析不同運行背壓、不同熱網(wǎng)回水溫度下對組整機經(jīng)濟性的影響，獲得熱泵投用后全廠最優(yōu)運行方式。最終確定冬季供熱工況在各個條件下的抽凝比曲線，可指導熱泵機組的優(yōu)化運行。也為供熱機組深度調(diào)峰或靈活性改造提供技術(shù)支持和依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】供熱;排汽余熱;梯級;變工況分析

1.背景

當前我國宏觀經(jīng)濟正處于經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整階段，經(jīng)濟增速進入換檔期，經(jīng)濟發(fā)展進入“新常態(tài)”。[1]節(jié)能減排、電源結(jié)構(gòu)調(diào)整等政策使水電、風電、太陽能發(fā)電等清潔能源呈快速發(fā)展勢頭。但風能發(fā)電出力隨機性強，波動性大，在電力系統(tǒng)運行中風電基本無法與負荷匹配，削峰填谷能力弱;太陽能間歇性、波動性特點決定了其出力難以保證穩(wěn)定，所以風電、太陽能等新能源大規(guī)模集中并網(wǎng)并且持續(xù)增長，加大電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)峰壓力和調(diào)峰難度。因此，在目前電網(wǎng)缺乏其他更加有效調(diào)峰手段的情況下，煤電機組擔負電網(wǎng)調(diào)峰將是長期的任務(wù)。[2-3]然而在冬季熱電聯(lián)產(chǎn)機組擔負著城市絕大多數(shù)的供熱負荷，為保證民生需求和環(huán)保考慮也需要加快發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)機組，同時也伴隨著一些問題，供熱機組“以熱定電”的運行方式與機組調(diào)峰之間的矛盾日益突出。[4-5]由統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，熱電機組在冬季供熱量較小時的最低電負荷為60%額定負荷，隨著熱負荷的增加電負荷也要相應(yīng)的增加。[6]

目前供熱機組的調(diào)峰問題，可通過回收機組余熱進行供熱來改善。電廠常見的余熱回收方案主要有兩種，一種為汽輪機低真空運行技術(shù)，另一種為熱泵回收余熱技術(shù)，無論采用何種運行方式，都會使汽輪機排汽溫度及所對應(yīng)的飽和壓力發(fā)生變化，從而導致排汽壓力的改變，也即真空度的改變，影響機組的通流量及功率。但節(jié)省的抽汽量所做功發(fā)電，增加的發(fā)電量抵消甚至超過了凝汽器壓力升高減少的發(fā)電量時，采用余熱供熱的優(yōu)勢就可顯現(xiàn)出來，所以在供熱負荷不變的情況下，最大發(fā)電負荷要大于傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)最大發(fā)電負荷，也就是說可相對降低機組電負荷。

另外我國電廠平均熱能利用率比較低，大部分的熱能在發(fā)電過程中通過不同形式拋棄于環(huán)境中，能源利用效率低，同時對環(huán)境造成大量的污染。被拋棄的熱能中占比例最大的為汽輪機排汽，約占總輸入熱能的40%，在直接空冷機組中尤其嚴重。[7-8]如果能合理的利用此部分熱量，對于提高電廠的熱效率、保護環(huán)境有著重大的意義。因此，如果將凝結(jié)余熱用于供熱采暖、生活熱水、機組余熱回收等，不僅能夠減少電廠冷凝散熱造成的水蒸發(fā)損失和環(huán)境的熱污染，而且能夠緩解采暖帶來資源的緊張局面。同時，實現(xiàn)能源的梯級利用，提高能源綜合利用效率，同時使燃煤電廠適應(yīng)電力市場化運營，提高竟價上網(wǎng)的優(yōu)勢。[9-10]

2.空冷供熱機組排汽余熱梯級利用系統(tǒng)分析

某廠余熱利用系統(tǒng)如圖1所示，一期2×220MW機組和二期2×300MW共4臺機組，每臺主機對應(yīng)一臺熱泵，每臺熱泵均單獨設(shè)置余熱回收機房，回收汽輪機排汽余熱。兩臺供熱機組的設(shè)計背壓不同，2#、4#機組背壓高于1#、3#機組，前置換熱器采用串聯(lián)形式，吸收式熱泵采用并聯(lián)形式，熱網(wǎng)水依次通過前置換熱器-吸收式熱泵-尖峰加熱器三級加熱后送至城市熱網(wǎng)。充分利用背壓較高的2#、4#機組去供熱，盡量多抽汽承擔供熱基礎(chǔ)負荷，并盡量提取該機組的凝汽余熱，提高機組的熱利用效率;利用背壓較低的1#、3#機組去發(fā)電，使之只承擔部分的抽汽負荷，整個采暖季作為調(diào)峰運行。在初末寒期高背壓的2#、4#機組排汽上塔的量少，低壓缸排汽的凝汽余熱全部回收，空冷島隔離閥一直處于關(guān)閉狀態(tài)，沒有凍結(jié)的危險;而1#、3#機組隨著嚴寒期向初末寒期過渡，向空冷凝汽器的排汽量增加，系統(tǒng)運行中僅需集中精力監(jiān)控 1#、3#機組的空冷凝汽器即可。

為確定投運與切除排汽余熱回收供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟性對比，特對排汽余熱利用系統(tǒng)進行了投運與切除排汽余熱利用系統(tǒng)的典型工況對比經(jīng)濟性數(shù)據(jù)研究，比較不同工況下汽輪機真空與排汽余熱利用機組經(jīng)濟性的關(guān)系，從而尋找最佳運行工況和方式。[11-12]排汽余熱回收經(jīng)濟性分析結(jié)果見下表。

由典型工況數(shù)據(jù)結(jié)果可得到投運前后，300MW主機背壓為15kPa、20 kPa、25 kPa時的熱耗差見圖2所示，其所對應(yīng)的回收熱量如圖3所示，從圖中可以看出，在當前負荷及環(huán)境條件下，背壓為20kPa左右時整體經(jīng)濟性較好。在相同的熱負荷和電負荷時，15kPa背壓下，投運排汽余熱回收供熱系統(tǒng)可減少廠用電0.013MW，20kPa背壓下可減少0.798MW，25kPa背壓下可減少0.366MW。在投運排汽余熱回收供熱系統(tǒng)時，前置凝汽器的余熱利用分額為17%～25%。

同理可以得到200MW機組在當前負荷及環(huán)境條件下，背壓為25kPa左右時整體經(jīng)濟性較好。20kPa背壓下可減少廠用電率0.15%，25kPa背壓下可減少0.05%。在投運排汽余熱回收供熱系統(tǒng)時，前置凝汽器的余熱利用分額為35%～60%。

3.排汽余熱利用系統(tǒng)的優(yōu)化運行

典型工況數(shù)據(jù)分析畢竟只能是少數(shù)的離散工況，為了詳細了解配備排汽余熱利用系統(tǒng)汽輪機組的運行特性，需要對汽輪機進行變工況核算。本文采用熱經(jīng)濟狀態(tài)方程來進行配置排汽余熱利用系統(tǒng)的汽輪機組的變工況計算。[13-14]

通過對電廠一年的運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，可得到供熱期機組一期熱網(wǎng)循環(huán)水流量趨勢圖如4所示，一期熱網(wǎng)循環(huán)水流量趨勢圖如5所示，全廠所需熱負荷如圖6所示。

可以看出供熱期熱網(wǎng)水流量基本可分為三個階段，在供熱初期1號機熱網(wǎng)水流量為3000t/h，2號機熱網(wǎng)水流量為3500t/h，一期總熱網(wǎng)水流量為6500t/h左右;3號機熱網(wǎng)水流量4300t/h，4號機熱網(wǎng)水流量為4000t/h，二期總熱網(wǎng)水流量8300t/h左右。供熱中期為高負荷期間，1號機熱網(wǎng)水流量為3200t/h，2號機熱網(wǎng)水流量為3800t/h，一期總熱網(wǎng)水流量為7000t/h左右;3號機熱網(wǎng)水流量4800t/h，4號機熱網(wǎng)水流量為4200t/h，二期總熱網(wǎng)水流量9000t/h左右。供熱末期，1號機熱網(wǎng)水流量為2500t/h，2號機熱網(wǎng)水流量為3000t/h，一期總熱網(wǎng)水流量為5500t/h左右;3號機熱網(wǎng)水流量3900t/h，4號機熱網(wǎng)水流量為3100t/h，二期總熱網(wǎng)水流量7000t/h左右。

同理可以由上圖看出，在供熱初期一期的供熱量為600GJ/h，二期為1200GJ/h，全廠總供熱量為1800GJ/h左右;在供熱中期，一期的供熱量為1300GJ/h，二期為1700GJ/h，全廠總供熱量為3000GJ/h左右;在供熱末期，一期的供熱量為650GJ/h，二期為500GJ/h，全廠總供熱量為1050GJ/h左右。

由以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將含余熱利用系統(tǒng)的機組通過熱狀態(tài)方程變工況計算方法進行分析，可得到優(yōu)化后隨供熱量變化的機組供熱關(guān)系曲線。

同樣可以得到每臺機組的余熱系統(tǒng)制熱量與機組熱網(wǎng)加熱器供熱量之間關(guān)系。對優(yōu)化后的排汽余熱利用系統(tǒng)進行應(yīng)用，可以得到機組新的供熱調(diào)峰曲線如圖7、8所示，從 中可以看出，優(yōu)化后機組的調(diào)峰范圍也增大了很多，從而減輕了冬季電網(wǎng)調(diào)峰的壓力。

4.結(jié)論

大型直接空冷供熱機組上采用三段梯級加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，隨著熱網(wǎng)循環(huán)水溫度的升高，加熱的能級也逐漸提高，整個換熱環(huán)節(jié)的效率可大幅度提高。三段梯級充分利用了低品位的排汽余熱，實現(xiàn)了換熱過程的能級匹配，大大減少換熱過程的不可逆損失，提高了經(jīng)濟性。并且相同型號的兩臺機呈現(xiàn)一高一低不同的運行背壓，降低了兩臺機的平均運行背壓，一方面減少了對發(fā)電量的不利影響，另一方面通過逐級加熱，使傳熱溫差減少，降低了不可逆損失，能源利用效率更高。

本文在通過典型工況數(shù)據(jù)分析掌握排汽利用系統(tǒng)的設(shè)計性能以及前置凝汽器、吸收式熱泵的變工況性能的基礎(chǔ)上，建立熱泵組及全廠優(yōu)化分析模型，分析計算熱泵組變工況運行性能，分析熱泵投用后全廠變工況運行性能，獲得熱泵運行性能與這些邊界條件的對應(yīng)關(guān)系，分析不同運行背壓、不同熱網(wǎng)回水溫度下對組整機經(jīng)濟性的影響，獲得熱泵投用后全廠最優(yōu)運行方式。最終確定冬季供熱工況在各個條件下的抽凝比曲線，可指導熱泵機組的優(yōu)化運行。也為供熱機組深度調(diào)峰或靈活性改造提供技術(shù)支持和依據(jù)。

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