水輪機余壓回收帶動回水加壓泵的可行性分析

李海冬

(太原市熱力集團有限責任公司， 山西 太原 030012)

1 概述

高群淞[1]針對一級管網中近端用戶，提出利用富裕水頭能量采用水輪機余壓回收輸出機械能、發電，具有一定經濟效益。劉向華等人[2]在高低區直聯系統的回水管上增設水輪機進行余壓回收帶動加壓泵工作，以替代減壓閥等減壓裝置。楊奎奎分析了熱網水輪機余壓回收的原理以及水輪機與水泵的連接形式[3]14。

本文針對某大高差長輸熱網，提出水輪機回收供水管網余壓(以替代隔壓熱力站)帶動回水加壓泵方案，與設置隔壓熱力站方案進行經濟技術性對比。

2 工程概況

某熱電廠一期工程配置2臺額定發電功率為350 MW的熱電機組，單臺額定熱功率為415 MW。熱電廠二期規劃2臺額定發電功率為660 MW的熱電機組，單臺額定熱功率為730 MW。熱電廠首站供、回水溫度為130、35 ℃，質量流量為20 730 t/h。熱網起點為熱電廠首站，終點為市區邊界，管網長度約47 km，管網路由見圖1。

圖1 管網路由

選用4根(2供2回)DN 1 400 mm的供熱管道，平均比摩阻為20 kPa/km。管網起點海拔為1 240 m，沿途管網最高點海拔為1 260 m。管網終點為市區邊界，海拔為920 m，與沿途管網最高點高差為340 m。

考慮到市區管網的安全運行，在管網終點設置1號隔壓熱力站與市區管網間接連接。常規解決方案是在1號隔壓熱力站與熱電廠首站間設置2號隔壓熱力站，以保證熱電廠首站與2號隔壓熱力站、2號隔壓熱力站與1號隔壓熱力站之間管道壓力均不超過2.5 MPa?？紤]到增設2號隔壓熱力站，將導致供水溫度下降，筆者提出水輪機回收供水管網余壓帶動回水加壓泵方案，在保證供水溫度的前提下，確保管網不超壓。熱電廠首站水頭損失按50 m考慮，隔壓熱力站水頭損失按30 m考慮。

3 水輪機余壓回收工藝

長輸熱網水輪機回收供水管網余壓帶動回水加壓泵工藝流程見圖2。在通過水輪機的過程中，水流與蝸殼、轉輪等機構產生機械摩擦，部分壓力勢能轉化為水的熱力學能，但對水溫影響不大，因此在熱網中安裝水輪機不會對供熱系統正常運行造成影響。水輪機通過驅動軸、離合器帶動回水加壓泵2，當水輪機輸出功率不足以完全帶動回水加壓泵2時，可增配電動機作為輔助動力源[3]15。本文設定水輪機的效率為0.8、傳動比為1，即水輪機可為回水加壓泵2提供的揚程為水輪機余壓回收水頭的80%，不足部分由電動機提供。水泵電動機功率P的計算式為：

圖2 長輸熱網水輪機回收供水管網余壓帶動回水加壓泵工藝流程

(1)

式中P——水泵電動機功率，kW

qm——水泵質量流量，t/h

H——不足揚程，m

η——水泵的全效率，本文取0.65

4 方案

① 方案1

設置水輪機帶動2號回水加壓泵。在距離熱電廠首站36 km，海拔為1 128 m位置設置水輪機、2號回水加壓泵。在距離電廠首站43 km，海拔為990 m位置設置1號回水加壓泵。方案1水壓圖見圖3。圖3中2個環路的熱網參數一致，因此僅標注了1個環路的熱網參數，水壓圖中的數值的單位為m。圖4、5也采用相同表達方法，且靜水壓不變。

圖3 方案1水壓圖

由圖3可知，水輪機節流水頭為170 m，為2號回水加壓泵提供的揚程為136 m，恰好滿足熱網要求。1號回水加壓泵所需揚程為128 m，首站循環泵所需揚程為174 m。在1個環路中，水泵按照4用不備考慮，由此可得1號回水加壓泵、首站循環泵的質量流量、水泵電動機功率(見表1)。

表1 方案1各水泵的質量流量及水泵電動機功率

② 方案2

設置水輪機、電動機帶動2號回水加壓泵。在距離熱電廠首站36 km，海拔為1 128 m位置設置水輪機。在1號隔壓熱力站設置1號回水加壓泵。方案2水壓圖見圖4。

由圖4可知，水輪機節流水頭為170 m，為2號回水加壓泵提供的揚程為136 m，而2號回水加壓泵所需揚程為206 m，缺口為70 m。1號回水加壓泵所需揚程為58 m，首站循環泵所需揚程為174 m。水泵仍按4用不備考慮，由此可得1號回水加壓泵、2號回水加壓泵、首站循環泵的質量流量、水泵電動機功率(見表2)。

圖4 方案2水壓圖

表2 方案2各水泵的質量流量及水泵電動機功率

③ 方案3

設置2號隔壓熱力站。在距離電廠首站36 km，海拔1 128 m的位置，設置2號隔壓熱力站。距離電廠首站41 km，海拔為1 004 m位置設置1號回水加壓泵。方案3水壓圖見圖5。

首站循環泵揚程為174 m，2號回水加壓泵揚程為50 m，2號隔壓熱力站循環泵揚程為72 m，1號回水加壓泵揚程為32 m。水泵仍按4用不備考慮，將已知參數代入式(1)，可計算得到方案3各水泵的質量流量、水泵電動機功率(見表3)。

5 方案對比

① 供熱能力。由方案1～3可知，方案1、2的1號隔壓熱力站低溫側供、回水溫度為125、30 ℃，方案3為120、25 ℃。當熱水質量流量一定時，各方案的供熱能力基本一致。

② 耗電量。年平均有效負荷率取0.74，每日運行24 h，供暖期151 d。由計算結果可知，方案1、2的耗電量相同，方案3的耗電量高出8.6%。

③ 占地面積。水輪機房比常規隔壓熱力站少了換熱器、除污器等設備，占地面積更小。

④ 管網安全。設置水輪機的管網閥門及控制節點比較多，與隔壓熱力站相比，存在更大的安全風險。

6 結論

① 方案1、2的1號隔壓熱力站低溫側供、回水溫度為125、30 ℃，方案3為120、25 ℃。當熱水質量流量一定時，各方案的供熱能力基本一致。

② 方案1、2的耗電量相同，方案3的耗電量高出8.6%。

③ 水輪機房比常規隔壓熱力站少了換熱器、除污器等設備，占地面積更小。

④ 設置水輪機的管網閥門及控制節點比較多，與隔壓熱力站相比，存在更大的安全風險。