基于吸收式換熱機組的熱電廠乏汽余熱利用供熱系統(tǒng)研究

王小龍

(神東煤炭集團，陜西 神木 719315)

0 引言

神東煤炭集團公司現(xiàn)有煤炭生產(chǎn)礦井13個，分布在蒙、陜、晉3省區(qū)。由于地處煤炭能源富集區(qū)，公司在發(fā)展過程中充分依托國家能源投資集團產(chǎn)、運、銷一體化運營模式，并結(jié)合自身特點進行大膽技術和管理創(chuàng)新，經(jīng)過不懈努力，公司現(xiàn)已建成了新型集約化安全高效千萬噸礦井群。神東煤炭集團地處北方，冬季極寒溫度可達-28 ℃。室外氣溫低易造成井口結(jié)冰，從而影響車輛、行人安全，因此需設置井口熱風加熱機組，保障井口周圍溫度不低于2 ℃；為提供良好的辦公、居住條件，冬季辦公場所、公寓需提供冬季供熱服務；為滿足員工洗浴需求，全年還需提供熱水供應。為滿足井口防凍、冬季采暖、全年浴水供應，公司在中心礦區(qū)分別配套建成了上灣熱電廠、大柳塔熱電廠，在分散礦區(qū)建成了熱負荷不等的燃煤鍋爐房。總體而言各礦井現(xiàn)有熱負荷分為常年性熱負荷和季節(jié)性熱負荷2類，其中常年性熱負荷指浴水熱負荷；季節(jié)性熱負荷指建筑冬季采暖熱負荷、井口熱風熱負荷。

神東煤炭集團公司中心礦區(qū)位于陜蒙交界處，中心礦區(qū)以烏蘭木倫河為界，陜西區(qū)域熱源由大柳塔熱電廠提供，主要負責工業(yè)區(qū)井口防凍、采暖、浴水用熱需求。大柳塔熱電廠輸送的蒸汽至工業(yè)區(qū)換熱站分汽缸，部分蒸汽直供各工業(yè)廠房及井口冬季采暖需求，部分蒸汽通過汽水換熱器換熱后供應采暖用水及浴水。內(nèi)蒙區(qū)域熱源由上灣熱電廠提供，主要負責居民區(qū)、工業(yè)區(qū)采暖、浴水用熱。上灣熱電廠輸送的蒸汽部分直供井口冬季采暖需求，部分通過汽水換熱器換熱后供應浴水，部分通過汽水換熱器換熱后輸送高溫水至下一級換熱器換熱用以滿足采暖需求。內(nèi)蒙區(qū)域熱用戶組成較為復雜且用熱需求量大，具體用熱分布如圖1所示。

圖1 內(nèi)蒙區(qū)域用熱分布Fig.1 Distribution of regional heat consumption in Inner Mongolia

1 存在問題及改造方案

1.1 存在問題

隨著大型火力發(fā)電廠、煤化工、煤制油等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，煤炭市場隨之快速發(fā)展，神東煤炭集團所處的中心礦區(qū)辦公樓、宿舍樓、文體活動中心逐步擴建、新建，使得供熱面積及采暖熱負荷逐年遞增，如圖2所示。

圖2 供熱面積及熱負荷逐年變化Fig.2 Annual change of heating area and heat load

大柳塔熱電廠負責工業(yè)區(qū)井口防凍、采暖、浴水，隨著公司產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，熱負荷略有增加但熱電廠仍可滿足用熱需求。上灣熱電廠負責居民區(qū)、工業(yè)區(qū)采暖、浴水用熱，隨著中心礦區(qū)配套設施的完善，建筑采暖用熱需求迅速遞增，導致冬季極寒天氣時間段無法滿足用熱需求。

中國經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，也面臨著水污染、空氣污染、土壤污染等環(huán)境生態(tài)問題帶來的壓力和挑戰(zhàn)，對此各級政府堅定不移推進生態(tài)文明建設。環(huán)境質(zhì)量已成為社會利益沖突的重要觸發(fā)點，中國急需在經(jīng)濟增長、環(huán)境保護、生活質(zhì)量之間尋找恰當平衡點，為此中國扎實推動節(jié)能環(huán)保事業(yè)的切實發(fā)展[1]。此外由于經(jīng)濟快速發(fā)展，我國已成為世界上最大的溫室氣體排放國之一，“節(jié)能減排”已是我國社會經(jīng)濟發(fā)展的一個重要核心。火力發(fā)電廠的冷端損失即乏汽凝結(jié)放熱損失是電廠熱力系統(tǒng)的最大損失[2]，以上灣熱電廠為例，在冬季額定供熱工況下，汽輪機排汽損失可占燃料總發(fā)熱量的39%以上。汽輪機排出的乏汽對于火力發(fā)電廠來說是廢熱排放，但對于建筑物冬季采暖而言則是巨大的能源浪費[3]。就目前中心礦區(qū)上灣區(qū)域熱負荷不足的情況而言，同時結(jié)合環(huán)境保護、節(jié)能減排兩方面考慮，如何在不新建小容量熱電廠的前提下，有效利用電廠乏汽熱量用于建筑采暖成為了研究重點。

1.2 改造方案

上灣熱電廠汽輪機乏汽雖總體熱量多但溫度低，無法直接進行吸收利用，必須提高溫度才可進行有效利用。

1.2.1 方案比選

汽輪機凝汽余熱品位低，無法滿足直接供熱的要求，必須適當提高其溫度。目前汽輪機凝汽余熱利用有2個較為成熟的方案：一是降低排汽缸真空度，提高排汽溫度，即通常所說的汽輪機組低真空運行；二是在電廠設置吸收式換熱機組吸取汽輪機凝汽余熱實現(xiàn)供熱[4]。2種方案相比較，方案一雖然利用了冷源損失，總體熱效率有很大程度提升，但是汽輪機低真空運行發(fā)電量及汽輪機相對內(nèi)效率降低，同時還存在以下問題：①熱電廠發(fā)電量受到熱負荷制約，發(fā)電量與熱負荷不能獨立調(diào)節(jié)，不適用于熱負荷波動較大的熱電廠；②汽輪機生產(chǎn)制造是根據(jù)熱電廠運行參數(shù)所定制，設備使用溫度、壓力范圍都有固定要求。凝汽壓力過高會使汽輪機末級出口蒸汽溫度升高，溫度、壓力超出使用范圍易引起機組強烈振動，危及設備運行安全；③汽輪機背壓提高會導致機組發(fā)電效率降低[5]。相比汽輪機低真空運行，方案二吸收式換熱機組存在以下優(yōu)勢：①無需改動汽輪機組的結(jié)構、運行參數(shù)、運行方式，對熱電廠整體運行無影響；②通過使用吸收式換熱機組可大幅降低一次熱網(wǎng)回水溫度，在無需提高汽輪機抽汽參數(shù)或排汽背壓的情況下有助于汽輪機乏汽余熱的吸收，即在不影響發(fā)電量的前提下可獲得較佳制熱效果；③一網(wǎng)供回水溫差提高后，不需改造管道、循環(huán)泵即可提高供熱能力；④改造難度小，占地面積少，工程量少，設備投資較小，改造周期短[6]。

根據(jù)熱電廠乏汽余熱無法利用造成冷端損失大、礦區(qū)建筑物采暖負荷不足的特點及日趨成熟的吸收式換熱技術，通過比選本次改造使用工藝技術、建設條件、經(jīng)濟評價均可行的吸收式換熱機組進行熱電廠乏汽余熱回收利用，以實現(xiàn)節(jié)能效益、環(huán)保效益、社會效益。

1.2.2 方案制定

上灣熱電廠所使用的鍋爐為東方鍋爐(集團)股份有限公司生產(chǎn)的520 t/h自然循環(huán)單汽包循環(huán)流化床鍋爐，固態(tài)排渣，緊身封閉。汽輪機為東方汽輪機有限責任公司生產(chǎn)的超高壓中間再熱、單軸、反動式、雙缸雙排汽、直接空冷抽汽凝汽式汽輪機，汽輪機主要熱力參數(shù)見表1。為保障中心區(qū)生產(chǎn)、生活用熱，熱電廠最大抽汽工況下折合供熱能力為190 MW。

表1 上灣熱電廠汽輪機主要熱力參數(shù)Table 1 Main thermal parameters of steam turbine in Shangwan thermal power plant

熱網(wǎng)首站采暖抽汽采用母管制，從2臺汽輪機引出的五段抽汽在主廠房匯總進入母管后送至上灣供熱首站、上灣一次換熱站、上灣小區(qū)換熱站。蒸汽通過汽水換熱器換熱凝結(jié)放熱后，凝結(jié)水由凝結(jié)水泵送至電廠除氧器。系統(tǒng)改造前，上灣熱電廠高溫高壓蒸汽經(jīng)過汽輪機做功后成為乏汽并在冷凝器內(nèi)放熱凝結(jié)，熱量通過空冷島排入周圍環(huán)境中。改造前供熱系統(tǒng)運行原理示意圖，如圖3所示。

圖3 改造前供熱系統(tǒng)運行原理示意Fig.3 Operation principle of heating system before reconstruction

改造過程中為吸收汽輪機乏汽余熱，需在電廠東北角空地安裝吸收式換熱機組，該機組以汽輪機五段采暖抽汽為驅(qū)動能源，回收汽輪機乏汽余熱，用于逐級加熱一次網(wǎng)回水。吸收式換熱器吸收的總熱量為抽汽熱量與回收凝汽余熱量之和。若供熱溫度不滿足使用需求，則經(jīng)過吸收式換熱機組加熱后的采暖供水通過現(xiàn)有汽水換熱器，以汽輪機五段采暖抽汽為熱源進行二次加熱。與此同時在部分二級換熱站安裝吸收式換熱機組，吸收式換熱機組與常規(guī)換熱器并列運行。常規(guī)換熱器換熱后的一網(wǎng)回水與吸收式換熱機組換熱后的一網(wǎng)回水混合后可有效降低一網(wǎng)回水溫度，較低溫度的回水溫度更有利于吸收乏汽余熱。改造后供熱系統(tǒng)運行原理示意圖，如圖4所示。

圖4 改造后供熱系統(tǒng)運行原理示意Fig.4 Operation principle of heating system after reconstruction

2 吸收換熱機組運行原理

吸收式換熱機組主要由發(fā)生器、吸收器、蒸發(fā)器、冷凝器4大設備組成，為提高吸收式換熱機組熱力系數(shù)還設有濃溶液、稀溶液熱交換器，為使工質(zhì)在4大設備中進行循環(huán)運行，因而還裝有溶液泵、冷劑泵以及相應的連接管道、閥門等[6]。

發(fā)生器、蒸發(fā)器通過吸熱過程將外部循環(huán)工質(zhì)(高溫驅(qū)動熱源、低溫余熱)溫度降低，冷凝器和吸收器通過放熱過程將外部循環(huán)工質(zhì)(吸熱介質(zhì))溫度升高。吸收式換熱機組循環(huán)流程如圖5所示。

圖5 吸收式換熱機組運行原理Fig.5 Operation principle of absorption heat exchange unit

此次改造吸收式換熱機組使用溴化鋰作為吸收劑，水作為制冷劑。發(fā)生器是作為稀溶液吸收熱量被加熱成為濃溶液及水蒸氣的反應容器。溴化鋰稀溶液在發(fā)生器內(nèi)被熱源(高溫驅(qū)動熱源)加熱濃縮，產(chǎn)生的水蒸汽進入冷凝器，溴化鋰濃溶液則經(jīng)過換熱后進入吸收器。冷凝器是來自發(fā)生器的水蒸氣冷凝成冷劑水的容器。由發(fā)生器產(chǎn)生的水蒸氣進入冷凝器放熱給外部循環(huán)工質(zhì)(吸熱介質(zhì))，循環(huán)工質(zhì)溫度升高，冷凝后的冷劑水則通過冷劑泵送至蒸發(fā)器。蒸發(fā)器是來自冷凝器冷劑水蒸發(fā)吸熱的容器。冷劑水進入蒸發(fā)器后吸收外部循環(huán)工質(zhì)(低溫余熱)熱量成為水蒸汽并進入吸收器。吸收器是濃溶液吸收水蒸汽并放熱的容器。溴化鋰濃溶液在吸收器中吸收水蒸汽稀釋為溴化鋰稀溶液，并放出熱量加熱外部循環(huán)工質(zhì)(吸熱介質(zhì))，產(chǎn)生的稀溶液通過溶液泵進入發(fā)生器，從而進行下一循環(huán)。此外，吸收式換熱機組內(nèi)部還設有濃溶液與稀溶液交換熱量的熱交換器，通過換熱一方面提高濃溶液的吸濕性，另一方面減少加熱稀溶液需要的熱量，以提高機組的整體熱效率[7]。

由于吸收式換熱機組中發(fā)生器、蒸發(fā)器具有吸熱降溫作用，冷凝器、吸收器具有放熱升溫作用，因此在電廠內(nèi)的吸收式換熱機組利用蒸汽及乏汽在發(fā)生器、蒸發(fā)器內(nèi)吸熱降低乏汽熱量，使一次回水依次通過吸收器、冷凝器逐漸吸熱升溫。與此同時在換熱站內(nèi)新增吸收式換熱機組，使一次供水依次通過發(fā)生器和蒸發(fā)器進行降溫，二次回水依次通過吸收器和冷凝器進行升溫[8]。通過電廠、換熱站吸收式換熱機組共同作用，以有效利用乏汽熱量用于冬季供熱。

3 吸收式換熱系統(tǒng)構建及系統(tǒng)運行情況

3.1 吸收式換熱系統(tǒng)構建

此次電廠乏汽余熱利用過程不改造熱網(wǎng)系統(tǒng)原有設備，只在電廠及部分換熱站內(nèi)增加吸收式換熱機組，并對部分管網(wǎng)進行改造。

電廠內(nèi)安裝吸收式換熱機組：在電廠內(nèi)部新建吸收式換熱機房，將汽輪機五段抽汽、汽輪機內(nèi)做功后產(chǎn)生的乏汽、一網(wǎng)回水引至機房內(nèi)部，其中高溫蒸汽用于系統(tǒng)啟動熱源，乏汽作為主要加熱熱源，一網(wǎng)回水作為熱量吸收主體。抽汽、乏汽冷凝后的冷凝水引至電廠除氧器。

換熱站內(nèi)安裝吸收式換熱機組：在部分熱負荷較大、周圍場地充足的地方安裝吸收式換熱機組，該機組與換熱站內(nèi)換熱器并列運行，其主要作用是降低一網(wǎng)回水溫度，便于更好吸收乏汽熱量。最終選取上灣煤礦換熱站、北二區(qū)換熱站、李家畔2#換熱站、中心換熱站共計安裝8臺吸收式換熱機組。

管網(wǎng)改造：本次改造后系統(tǒng)循環(huán)流量并未增加，因此主管網(wǎng)及循環(huán)泵不需改造，僅需對熱源端及二次換熱站管網(wǎng)走向進行重新布置。改造后，一網(wǎng)回水需依次通過吸收式換熱機組、汽水換熱器進行二級加熱，因此需對熱源端管網(wǎng)進行改造同時安裝閥門用于系統(tǒng)切換，管網(wǎng)改造示意如圖6所示。

圖6 熱源端管網(wǎng)改造示意Fig.6 Transformation of heat source pipe network

正常運行期間：關閉閥門1，開啟閥門2、閥門3，使一網(wǎng)回水首先進入位于電廠內(nèi)部的吸收式換熱機組，吸收乏汽及汽輪機抽汽熱量后完成一級加熱，供水溫度不滿足需求時通過汽水換熱器進行二級加熱。當吸收式機組故障維修期間，開啟閥門1，關閉閥門2、閥門3，使一網(wǎng)回水直接進入汽水換熱器加熱后送入各熱用戶。

非采暖期運行：采暖期乏汽熱量通過吸收式換熱機組傳遞至供熱系統(tǒng)，當非采暖期時通過位于冷凝器與吸收式換熱機組管網(wǎng)中的閥門切換，將乏汽熱量通過空冷島排入周圍環(huán)境，具體示意為圖4所示。

3.2 系統(tǒng)運行情況

本項目采用基于吸收式換熱的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術，回收神華集團上灣熱電廠2×150 MW直接空冷抽凝式汽輪機乏汽余熱。電廠乏汽余熱利用系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試后投入運行已有2個采暖期，截止目前運行情況良好。電廠內(nèi)部吸收式換熱機組將一網(wǎng)回水由50 ℃加熱至80 ℃，汽水換熱器使用汽輪機抽汽將一網(wǎng)回水由80 ℃換熱至110 ℃。一網(wǎng)供水經(jīng)二級換熱站內(nèi)水-水換熱器及吸收式換熱機組換熱降溫至50 ℃后返回，經(jīng)電廠吸收式換熱機組及汽水換熱器換熱至110 ℃供出，如此往復循環(huán)。

3.2.1 一網(wǎng)供回水溫度變化

由圖7可知，2014—2017年隨著供熱熱負荷增加，換熱站不斷提高供熱系統(tǒng)供水溫度，以滿足供熱需求。2018年吸收式供熱系統(tǒng)投入運行后一網(wǎng)回水溫度明顯降低，供回水溫差由改造前30 ℃增加至60 ℃，供回水溫差的增加表明管網(wǎng)熱輸送能力更強。

圖7 一網(wǎng)供回水溫度逐年變化Fig.7 Annual variation of supply and return water temperature of primary network

3.2.2 循環(huán)流量變化

由圖8可知，2014—2017年，由于供熱面積增加，一網(wǎng)循環(huán)流量隨之逐年增加，以提高供熱能力。2018年吸收式供熱系統(tǒng)投運后循環(huán)流量反而降低，這主要是由于一網(wǎng)供回水溫差增加所導致。

圖8 一網(wǎng)循環(huán)流量逐年變化Fig.8 Annual variation of primary network circulation flow

3.2.3 汽輪機抽汽耗熱量變化

由圖9可知，2014—2017年蒸汽消耗量隨供熱面積的增加而增加，2018年吸收式供熱系統(tǒng)投運后由于系統(tǒng)吸收部分乏汽熱量，使得汽輪機抽汽耗熱量明顯降低。

圖9 汽輪機抽汽耗熱量逐年變化Fig.9 Annual variation of extraction heat consumption of steam turbine

3.2.4 經(jīng)濟型分析

在電廠內(nèi)安裝吸收式換熱機組，以汽輪機的采暖蒸汽驅(qū)動回收汽輪機排汽余熱，用于梯級加熱一次網(wǎng)回水。在換熱站內(nèi)安裝吸收式換熱機組，與常規(guī)水-水換熱器并列運行，在不改變二次網(wǎng)供回水溫度前提下，降低一次網(wǎng)回水溫度至50 ℃左右，一網(wǎng)供回水溫度由原來的110/80 ℃變?yōu)?10/50 ℃，溫差增加大幅度降低了熱網(wǎng)運行費用。由于熱網(wǎng)低溫回水實現(xiàn)了與汽輪機排汽能級匹配，使得機組處于極佳制熱溫度，從而使熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)能耗大幅度降低。本項目通過回收汽輪機乏汽余熱，減少汽輪機五段采暖抽汽99 t/h，每個采暖期回收余熱100.3萬GJ。與改造前相比，可增加發(fā)電功率13 MW，發(fā)電標準煤耗降低24 g/kW·h。每個采暖期全廠可增加發(fā)電5 479萬kW·h。增加的發(fā)電相當于每個采暖期減少了燃燒標準煤1.73萬t，減少了CO2排放量4.54萬t，減少了SO2排放量147.4 t，減少了NOx排放量128.3 t，減少了固體灰渣量4 248.6 t。

4 系統(tǒng)運行存在問題及解決措施

改造后系統(tǒng)已運行2個采暖期，在運行過程中節(jié)能減排及增加的供熱效果明顯，但也逐漸暴露出不足之處，根據(jù)存在問題文中提出了解決措施，為吸收式換熱系統(tǒng)吸收熱電廠乏汽余熱的進一步發(fā)展奠定了基礎。

4.1 系統(tǒng)運行存在問題

一網(wǎng)回水溫度偏高：由于熱網(wǎng)回水溫度相對偏高，使得電廠內(nèi)部的吸收式換熱機組制熱性能較差，為達到回收余熱的目的，需要更高汽輪機抽汽參數(shù)，從而影響汽輪機組發(fā)電效率。

吸收式換熱機組維修不到位：管束清洗不及時、溴化鋰溶液添加不及時，真空泵、冷劑泵保養(yǎng)不到位，使得設備運行效率降低。

運行人員培訓不足：運行人員對設備運行原理認識不清楚，發(fā)現(xiàn)故障不及時，影響系統(tǒng)正常運行。

4.2 系統(tǒng)運行解決措施

針對上述存在問題，為便于系統(tǒng)的推廣應用，制定以下解決措施。

增加數(shù)量或調(diào)整流量：適當增加二次換熱站吸收式換熱機組數(shù)量或調(diào)整二次換熱站內(nèi)水-水換熱器及吸收式換熱機組流量，增加吸收式換熱機組流通流量，以降低一網(wǎng)回水溫度。

制定檢修計劃：制定吸收式換熱機組夏季檢修內(nèi)容及計劃并嚴格執(zhí)行。

加強人員培訓：加強人員理論培訓及實操演練，使員工能夠排除簡單故障并分析產(chǎn)生原因。

5 結(jié)語

此次改造基于吸收式換熱的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術，回收上灣熱電廠2×150 MW直接空冷抽凝式汽輪機乏汽余熱，將現(xiàn)有供熱系統(tǒng)與吸收式換熱機組有效結(jié)合，配合換熱站改造工程，經(jīng)過改造后提高了熱源供熱能力，增加了管網(wǎng)輸送能力及電廠發(fā)電量，大幅提高電廠熱效率，該方案具有極強的可操作性和可推廣性，可有效緩解北方城市熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱面臨的問題，是我國熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱方式的未來發(fā)展方向。