直接空冷供熱機組排汽余熱梯級利用系統變工況分析研究

陳寶菲

【摘 要】大型直接空冷供熱機組采用串并聯式排汽余熱梯級利用系統，一方面減少了對發電量的不利影響，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據分析掌握排汽利用系統的設計性能以及主要設備的變工況性能的基礎上，建立熱泵組及全廠優化分析模型，分析計算熱泵組變工況運行性能，分析不同運行背壓、不同熱網回水溫度下對組整機經濟性的影響，獲得熱泵投用后全廠最優運行方式。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化運行。也為供熱機組深度調峰或靈活性改造提供技術支持和依據。

【關鍵詞】供熱;排汽余熱;梯級;變工況分析

1.背景

當前我國宏觀經濟正處于經濟結構調整階段，經濟增速進入換檔期，經濟發展進入“新常態”。[1]節能減排、電源結構調整等政策使水電、風電、太陽能發電等清潔能源呈快速發展勢頭。但風能發電出力隨機性強，波動性大，在電力系統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定，所以風電、太陽能等新能源大規模集中并網并且持續增長，加大電網系統的調峰壓力和調峰難度。因此，在目前電網缺乏其他更加有效調峰手段的情況下，煤電機組擔負電網調峰將是長期的任務。[2-3]然而在冬季熱電聯產機組擔負著城市絕大多數的供熱負荷，為保證民生需求和環保考慮也需要加快發展熱電聯產機組，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峰之間的矛盾日益突出。[4-5]由統計數據看，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的增加。[6]

目前供熱機組的調峰問題，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，另一種為熱泵回收余熱技術，無論采用何種運行方式，都會使汽輪機排汽溫度及所對應的飽和壓力發生變化，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。但節省的抽汽量所做功發電，增加的發電量抵消甚至超過了凝汽器壓力升高減少的發電量時，采用余熱供熱的優勢就可顯現出來，所以在供熱負荷不變的情況下，最大發電負荷要大于傳統熱電聯產最大發電負荷，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，大部分的熱能在發電過程中通過不同形式拋棄于環境中，能源利用效率低，同時對環境造成大量的污染。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、保護環境有著重大的意義。因此，如果將凝結余熱用于供熱采暖、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損失和環境的熱污染，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電力市場化運營，提高竟價上網的優勢。[9-10]

2.空冷供熱機組排汽余熱梯級利用系統分析

某廠余熱利用系統如圖1所示，一期2×220MW機組和二期2×300MW共4臺機組，每臺主機對應一臺熱泵，每臺熱泵均單獨設置余熱回收機房，回收汽輪機排汽余熱。兩臺供熱機組的設計背壓不同，2#、4#機組背壓高于1#、3#機組，前置換熱器采用串聯形式，吸收式熱泵采用并聯形式，熱網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。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#機組去發電，使之只承擔部分的抽汽負荷，整個采暖季作為調峰運行。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閉狀態，沒有凍結的危險;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，系統運行中僅需集中精力監控 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的經濟性對比，特對排汽余熱利用系統進行了投運與切除排汽余熱利用系統的典型工況對比經濟性數據研究，比較不同工況下汽輪機真空與排汽余熱利用機組經濟性的關系，從而尋找最佳運行工況和方式。[11-12]排汽余熱回收經濟性分析結果見下表。

由典型工況數據結果可得到投運前后，300MW主機背壓為15kPa、20 kPa、25 kPa時的熱耗差見圖2所示，其所對應的回收熱量如圖3所示，從圖中可以看出，在當前負荷及環境條件下，背壓為20kPa左右時整體經濟性較好。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境條件下，背壓為25kPa左右時整體經濟性較好。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.排汽余熱利用系統的優化運行

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

通過對電廠一年的運行數據的統計分析，可得到供熱期機組一期熱網循環水流量趨勢圖如4所示，一期熱網循環水流量趨勢圖如5所示，全廠所需熱負荷如圖6所示。

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

由以上統計數據，將含余熱利用系統的機組通過熱狀態方程變工況計算方法進行分析，可得到優化后隨供熱量變化的機組供熱關系曲線。

同樣可以得到每臺機組的余熱系統制熱量與機組熱網加熱器供熱量之間關系。對優化后的排汽余熱利用系統進行應用，可以得到機組新的供熱調峰曲線如圖7、8所示，從 中可以看出，優化后機組的調峰范圍也增大了很多，從而減輕了冬季電網調峰的壓力。

4.結論

大型直接空冷供熱機組上采用三段梯級加熱熱網循環水，隨著熱網循環水溫度的升高，加熱的能級也逐漸提高，整個換熱環節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，提高了經濟性。并且相同型號的兩臺機呈現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據分析掌握排汽利用系統的設計性能以及前置凝汽器、吸收式熱泵的變工況性能的基礎上，建立熱泵組及全廠優化分析模型，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關系，分析不同運行背壓、不同熱網回水溫度下對組整機經濟性的影響，獲得熱泵投用后全廠最優運行方式。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化運行。也為供熱機組深度調峰或靈活性改造提供技術支持和依據。

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