梯級供熱系統關鍵可調參數對系統能耗的影響

李 揚，黃治坤，李智華，岑嶺山，羅瑞成，蘇志剛，王恩鎮

(1.內蒙古京海煤矸石發電有限責任公司，內蒙古烏海 016000；2.北京源深能源科技有限責任公司，北京 100142；3.北京京能科技有限公司，北京 100142)

當前熱電聯產集中供熱方式在國內仍然處于快速發展階段，數據顯示截至2018年底，全國火電裝機11.4億kW，其中熱電聯產裝機約4.3億kW，占比約37.7%，熱電聯產集中供熱為我國實現節能減排目標和全球溫室氣體減排作出了積極的貢獻[1-2]。目前，大型熱電聯產機組主要采用的供熱方式有3種：中壓缸排汽(簡稱中排)抽汽供熱、高背壓排汽供熱、吸收式熱泵供熱。中排抽汽供熱方式的供熱參數較高，亞臨界機組抽汽壓力為0.3～0.5 MPa，溫度為230～280 ℃，超臨界機組參數更高，而實際供熱過程中供水溫度需求在100～120 ℃，存在蒸汽有用能的巨大浪費[3]。高背壓排汽供熱技術可利用汽輪機排汽余熱，減少高品質中排抽汽，實現了熱能的梯級利用；但是其供熱經濟性受外部供熱條件——熱網循環水流量和回水溫度的影響，對于熱網循環水流量較小且回水溫度較高的供熱機組采用該技術經濟效益較差[4-8]。吸收式熱泵供熱技術以中排作為驅動蒸汽，回收冷卻循環水余熱對熱網循環水回水做初級加熱，利用了排汽余熱，增大了機組供熱能力；一般的吸收式熱泵抽汽壓力為0.4 MPa，熱泵出口溫度最高為76 ℃，對于回水溫度較高的供熱機組采用該技術經濟效益較差[9-11]。

近兩年，國內出現了空冷機組梯級供熱技術，該技術在高背壓排汽供熱技術的基礎上通過蒸汽噴射器利用部分中排抽汽將汽輪機高背壓排汽的背壓進一步提高，繼續加熱熱網循環水，最后利用中排抽汽加熱熱網循環水至熱用戶需求溫度后供出，該技術深度利用排汽余熱，但系統也相對較復雜，系統的經濟性分析及關鍵參數運行調整是目前亟待研究的內容。筆者針對某330 MW燃煤直接空冷機組梯級供熱系統進行試驗，總結了梯級供熱能耗指標分析方法，分析了關鍵可調影響因素對系統能耗指標的影響。

1 機組概況

該電廠330 MW機組汽輪機為CZK330/261-16.7/0.5/537/537型，亞臨界、中間再熱、雙缸雙排汽、直接空冷凝汽抽汽式汽輪機。鍋爐為DG1177/17.5-II1 型循環流化床鍋爐，最大連續蒸發量(質量流量)為1 177 t/h，一次中間再熱自然循環、亞臨界參數，單爐膛、緊身封閉、平衡通風、固態排渣、全鋼架懸吊結構。

冬季由2臺機組共同承擔全廠的采暖熱負荷，單臺機組最大采暖抽汽質量流量為500 t/h。熱網首站共布置5臺板式熱網加熱器，總換熱功率約544 MW，供汽采用母管制，由機組的中排五段抽汽供汽。目前，熱一次網循環水質量流量最大為8 000 t/h，承擔供熱面積約為1 000萬m2。

2 梯級供熱系統配置及供熱方式

2019年對供熱系統進行節能升級改造，采用梯級供熱方式(見圖1)，采用不同熱源分三級加熱熱網循環水。第一級直接采用汽輪機低壓缸高背壓排汽加熱熱網循環水；第二級采用蒸汽噴射器利用中排抽汽將高背壓排汽的背壓升高，進入蒸汽噴射器凝汽器加熱熱網循環水；第三級在原熱網首站，采用中排抽汽加熱熱網循環水，至熱用戶需要溫度后供出。

圖1 梯級供熱系統圖

蒸汽噴射器設計性能參數見表1。

表1 蒸汽噴射器設計性能參數

高背壓凝汽器與蒸汽噴射器凝汽器均為臥式表面換熱器，其設計性能參數見表2。

表2 系統凝汽器設計性能參數

3 系統能耗指標分析

熱網外部因素(如熱網回水溫度、熱網循環水量)的變化及其幅度有一定的規律，對于梯級供熱系統高背壓凝汽器可利用的排汽量主要與背壓相關，而熱網首站用汽為中排抽汽，因此蒸汽噴射器的性能對于系統的能耗及經濟性影響就顯得尤為重要。

蒸汽噴射器引射比是指蒸汽噴射器所引射的低壓蒸汽流量與動力蒸汽流量之比，具體公式為：

μ=qm,s/qm,tr

(1)

式中：μ為蒸汽噴射器引射比；qm,s為蒸汽噴射器引射低壓蒸汽質量流量，t/h；qm,tr為蒸汽噴射器動力蒸汽質量流量，t/h。

蒸汽噴射器升壓比是指蒸汽噴射器出口蒸汽壓力與引射的低壓蒸汽壓力之比，具體公式為：

α=pps/pdp

(2)

式中：α為蒸汽噴射器升壓比；pps為蒸汽噴射器出口蒸汽壓力，kPa；pdp為蒸汽噴射器引射的低壓蒸汽壓力，kPa。

蒸汽噴射器性能系數定義為蒸汽噴射器出口蒸汽熱量與所需動力蒸汽熱量之比，具體公式為：

1+μ(hdp-hps)/(hzp-hps)

(3)

式中：kCOP為蒸汽噴射器性能系數；hdp為低壓缸高背壓排汽比焓，kJ/kg，可根據背壓變化與低壓缸效率推算得出；hps為蒸汽噴射器凝汽器疏水比焓，kJ/kg；hzp為中排抽汽比焓，kJ/kg。

中排抽汽影響汽輪機發電功率為：

(4)

式中：Wzp為中排抽汽影響汽輪機發電功率，kW；hc為機組最小防凍背壓低壓缸高背壓排汽比焓，kJ/kg。

中排抽汽可供熱量為：

(5)

式中：Qzp為中排抽汽可供熱量，GJ；hs1為中排抽汽疏水比焓，kJ/kg；

推導出中排抽汽供熱煤耗為：

(6)

式中：btp,zp為中排抽汽供熱煤耗，kg/GJ；btp為機組純凝額定工況發電煤耗，g/(kW·h)。

高背壓排汽影響汽輪機發電功率為：

(7)

式中：Wgb為高背壓排汽影響汽輪機發電功率，kW。

高背壓排汽可供熱量為：

(8)

式中：Qgb為高背壓排汽可供熱量，GJ；hs2為高背壓排汽凝結水比焓，kJ/kg。

高背壓排汽供熱利用系數為：

ηl=qm,yf/qm,dp

(9)

式中：ηl為高背壓排汽供熱利用系數；qm,yf為梯級供熱系統利用的高背壓排汽質量流量，t/h；qm,dp為系統投入時低壓缸高背壓排汽質量流量，t/h。

推導出高背壓排汽供熱煤耗為：

(10)

式中：btp,gb為高背壓排汽供熱煤耗，kg/GJ。

利用式(6)、式(10)即可推導出梯級供熱系統整體供熱煤耗為：

btp,tj=btp,zp×A+btp,gb×B

(11)

式中：btp,tj為梯級供熱系統整體供熱煤耗，kg/GJ；A為梯級供熱系統中中排供熱比例，%；B為梯級供熱系統中高背壓排汽供熱比例，%。

通過分析梯級供熱系統整體供熱煤耗可直觀地分析系統供熱經濟性，通過分析蒸汽噴射器性能系數可直觀分析蒸汽噴射器性能[12-16]。因此，將梯級供熱系統整體供熱煤耗及蒸汽噴射器性能系數作為試驗調整目標。

4 試驗分析

由于影響梯級供熱的因素很多，采用單因素試驗法就關鍵可調影響因素對系統能耗指標的影響進行試驗分析。2019年—2020年供熱期，在該電廠330 MW梯級供熱系統進行試驗，主要分析熱網循環水量(工況一)、回水溫度(工況二)、蒸汽噴射器升壓比(工況三)、機組背壓(工況四)、蒸汽噴射器動力蒸汽壓力(工況五)分別在其他參變量不變的情況下改變自身參數，分析其對梯級供熱系統供熱煤耗與蒸汽噴射器性能參數的影響(見表3)。

表3 試驗工況表

4.1 熱網循環水量

在其他參變量不變的前提下改變熱網循環水流量，分析其對梯級供熱系統供熱煤耗與蒸汽噴射器性能系數的影響，結果見圖2。

圖2 熱網循環水量對能耗指標的影響

由圖2可以看出：熱網循環水質量流量增加500 t/h左右時，蒸汽噴射器性能系數明顯升高，而供熱煤耗有下降趨勢。這說明在外部條件允許的情況下，盡可能提高熱網循環水量可降低系統能耗。

4.2 回水溫度

在其他參變量不變的前提下改變回水溫度，分析其對梯級供熱系統供熱煤耗與蒸汽噴射器性能系數的影響，結果見圖3。

圖3 回水溫度對能耗指標的影響

由圖3可以看出：隨著回水溫度升高梯級供熱系統供熱煤耗顯著上升；回水溫度變化對蒸汽噴射器性能系數影響不明顯。回水溫度受很多外部條件制約，在實際運行中很難調節，可通過其他節能方式對熱網隔壓站及換熱站進行一系列改造，在提高自身節能能力的同時，降低一次網循環水回水溫度，使得梯級供能熱系統充分釋放節能潛力。

4.3 蒸汽噴射器升壓比

在其他參變量不變的前提下改變蒸汽噴射器升壓比，分析其對梯級供熱系統供熱煤耗與蒸汽噴射器性能系數的影響，結果見圖4。

圖4 蒸汽噴射器升壓比對能耗指標的影響

由圖4可以看出：隨著蒸汽噴射器升壓比升高，蒸汽噴射器性能系數呈先上升后下降的趨勢；隨著蒸汽噴射器升壓比升高，供熱煤耗先下降后升高。這說明蒸汽噴射器升壓比變化過程中，蒸汽噴射器性能系數及梯級系統供熱煤耗存在一個最佳范圍，此次試驗得出的最佳蒸汽噴射器升壓比為1.75～1.80，系統所用蒸汽噴射器設計升壓比1.77在試驗得出的升壓比范圍內，說明將蒸汽噴射器在運行中的升壓比控制在設計值附近時系統能耗最低。

4.4 機組背壓

在其他參變量不變的前提下改變機組背壓，分析其對梯級供熱系統供熱煤耗與蒸汽噴射器性能系數的影響，結果見圖5。

圖5 機組背壓對能耗指標的影響

由圖5可以看出：隨著機組背壓升高，蒸汽噴射器性能系數呈先下降后上升的趨勢，背壓顯著升高后性能系數上升趨勢明顯；隨著機組背壓升高，供熱煤耗先急劇上升，隨后趨于平緩并略有下降；機組背壓顯著升高后，供熱煤耗下降不明顯。一定程度的機組背壓升高雖然提高了蒸汽噴射器性能系數，但是梯級供熱系統煤耗沒有明顯下降，說明背壓提高對蒸汽噴射器性能系數提高的積極影響，與背壓提高造成的低壓缸做功損失的消極影響基本相當。在此次試驗機組背壓調整范圍內，機組背壓提高，梯級系統供熱煤耗整體是呈上升趨勢的，提高背壓對系統經濟性無益。

4.5 動力蒸汽壓力

在其他參變量不變的前提下改變蒸汽噴射器動力蒸汽壓力，分析其對梯級供熱系統供熱煤耗與蒸汽噴射器性能系數的影響，結果見圖6。

圖6 蒸汽噴射器動力蒸汽壓力對能耗指標的影響

由圖6可以看出：隨著蒸汽噴射器動力蒸汽壓力升高，蒸汽噴射器性能系數呈下降趨勢，供熱煤耗呈升高趨勢，但趨勢均不明顯。這說明動力蒸汽壓力滿足蒸汽噴射器工作需求即可，通過中低壓連通管供熱蝶閥節流提高中排抽汽壓力從而提高蒸汽噴射器動力蒸汽壓力對梯級系統供熱煤耗無益，反而造成供熱煤耗升高。

5 結語

梯級供熱系統在高背壓排汽供熱技術基礎上，通過蒸汽噴射器利用中排抽汽將高背壓排汽背壓升高進一步加熱熱網循環水，從而增加了對空冷島高背壓排汽的利用，尤其適用于回水溫度高，且熱網循環水流量較小的供熱機組改造應用。通過試驗分析得出以下結論：

(1)對于梯級供熱系統提高熱網循環水量、降低熱網回水溫度均可降低系統供熱煤耗。

(2)蒸汽噴射器升壓比控制在設計值附近系統供熱煤耗最低。

(3)機組背壓升高，供熱煤耗整體呈上升趨勢，表明通過提高背壓對蒸汽噴射器性能系數提高的積極影響不足以抵消背壓提高造成的低壓缸做功損失的消極影響。

(4)運行中不需要刻意提高蒸汽噴射器動力蒸汽壓力，動力蒸汽壓力滿足蒸汽噴射器工作需求即可。