熱網循環泵不同驅動方式下熱經濟性比較

杜 威,孫建磊,楊海生

(國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

我國正在全面推進節能環保的熱電聯產集中供熱方式[1],依托大容量、低能耗熱電聯產機組,替代能耗高、效率低、污染大的中小供熱鍋爐,是我國落實“碳達峰、碳中和”重大決策部署的一個方面。隨著工業化、城鎮化進程加快,供熱負荷需求也呈快速增長趨勢。近10年來,北方集中供熱面積年均增長率達13%[2]。部分機組的供熱系統需要增容改造。

供熱系統增容包括對熱網循環水泵、熱網加熱器、管網等進行改造。其中熱網循環泵主要有工業汽輪機驅動或電動機驅動2種方式[3],用來向熱電企業用戶提供供熱介質,是供熱電廠供暖期間主要的耗能設備。因此,為確保熱電機組的經濟運行,供熱系統增容改造時需要合理選擇熱網循環泵的驅動方式[4]。

本文以面臨供熱系統增容改造的某300 MW亞臨界供熱機組為例,以等效熱降理論對2種驅動方式的熱經濟性進行計算與分析。

1 不同驅動方式的系統流程

熱網循環泵的電泵方案,即由電機驅動2臺50%容量泵。此方案下機組供熱系統如圖1所示。熱網回水通過熱網循環泵升壓后進入熱網加熱器水側,來自機組五抽的供熱抽汽進入熱網加熱器汽側,在熱網加熱器內兩者進行熱交換。熱網水升溫后向外網供熱。供熱抽汽冷卻為疏水,由疏水泵升壓后返回熱力系統,匯入5號低壓加熱器出口凝結水管道。

圖1 電泵方案系統示意

圖2 為汽泵方案。由2臺50%容量的單級背壓式小汽機為熱網循環泵提供驅動力。小汽機汽源取自機組冷段再熱蒸汽。擁有一定過熱度的小汽機排汽與供熱抽汽一起進入熱網加熱器,加熱熱網水后返回熱力系統。

圖2 汽泵方案系統示意

2 熱經濟性模型的建立

等效熱降法是發電機組熱力系統分析的一種有效工具,具有簡捷、方便的特點[56]。經過驗證,等效熱降法與常規熱平衡方法之間具有一致性[7],可以較為準確的計算熱經濟性的變化[89]。因此,本文以等效熱降法為基礎建立數學模型,對汽泵方案和電泵方案進行熱經濟性計算與分析。

為保證結果的客觀準確,本文中進行的熱經濟性比較應遵循以下原則。

(1)2個方案的比較應是在相同的供熱工況下,具體包括:主蒸汽流量相同,供熱量相同,除供熱外的廠用電量相同。這樣就排除了驅動方式之外的因素對熱經濟性的影響。

(2)認為與電泵方案相比,汽泵方案中冷段再熱抽汽不影響主汽輪機膨脹線。依照等效熱降理論,主蒸汽流量不變時,冷段再熱額外抽汽可視為不影響全局的小擾動,即主機各段蒸汽參數不變,只影響各段抽汽量。這樣的假設是合理的。

(3)2個方案中的熱網循環水泵性能相同,僅驅動方式有所區別。

遵循以上原則,建模具體過程如下。

2.1 電驅動方式功耗

當熱網循環泵能滿足熱網系統流量Qp與揚程Hp的需求時,則輸入泵的有效功率為

當泵使用電機驅動方式時,消耗的電功率為

式中:g為當地重力加速度;ηp、ηi、ηe分別為循環泵效率,聯軸器機械傳動效率和電機效率。

2.2 小汽機驅動方式功耗

當小汽機驅動泵時,則其消耗的冷段再熱蒸汽量為

式中:hlz和hc分別為冷段再熱焓和小汽機排汽焓值,kJ/kg;ηj為汽泵減速器機械效率。

汽動驅動方式下,耗費的冷段再熱蒸汽使得主機作功能力降低,其值為alz流量的蒸汽直達凝汽器所作的功為

同時,相應有alz流量的熱網疏水返回熱力系統,匯入主凝結水管道,產生回收功。計算式為

所以發電機出力變化量應為二者的代數和

小汽機排汽直接匯入熱網加熱器。與電泵驅動時相比,同樣供熱量下五抽相應減少agr供熱抽汽,由熱網加熱器返回的疏水也減少agr。與冷段再熱抽汽同理,其對主機做功能力的影響為

式中:h5為五段抽汽焓值,kJ/kg。

2.3 供電煤耗率變化的數學模型

與電機驅動方式相比,在同樣的供熱量與主蒸汽流量下,小汽機驅動除了降低主機出力,減少了廠用電率外,也改變了再熱流量,使再熱吸熱量減少。因此,評價兩種驅動方式的熱經濟性時,應綜合考慮這三方面的影響,宜采用供電煤耗率較為合理。即

式中:ΔP=Pgr-Plz,k W;hzr為機組再熱蒸汽焓值,kJ/kg;b為標煤發熱量,kJ;Pcy為機組廠用電量,k W;ηgl與ηgd分別為鍋爐效率和管道效率;Q為主機總吸熱量,kJ/h;Pfd為發電機出線端功率,k W。

3 實例計算與分析

以面臨供熱改造的某300 MW機組為例。該機組為增加供熱能力,擬將原有的3臺較小容量的電動熱網循環泵更換為2臺大流量泵。通過上文建立的數學模型,計算機組額定供熱和最大供熱工況下汽泵方案與電泵方案的熱經濟性,供熱系統主要設備參數見表1。

額定供熱工況與最大供熱工況下機組蒸汽參數見表2。根據表1、2中的參數及上文的計算依據,得出電泵和汽泵方案的主要熱經濟性數據的對比,如表3所示。

通過分析比較在機組額定供熱工況和最大供熱工況下熱網循環泵2種驅動方式的計算結果,可知。

(1)從供電煤耗率方面考慮,雖然采用汽泵方案使得機組凈出力較電動方案降低,但同時機組吸熱量即煤耗量也相應減少。由表3的計算結果可得出汽泵方案下機組的供電煤耗率與電泵方案相差不大,兩者在熱經濟性方面差距不明顯。

(2)從機組出力方面來看,汽泵方案與電泵方案相比,其發電機出線端功率有所降低,雖然其廠用電功率也有所減少,但機組凈出力仍低于電泵方案。由于2個方案的機組煤耗率差別很小,因此在煤價合理、機組能夠盈利的前提下,電泵方案更高的凈出力意味著更高的利潤。

(3)從廠用電方面考慮,由表3數據可知,采用汽泵方案后由于減少了廠用電的消耗,使廠用電率相對電泵方案下降約1.5%。需要進行熱網

4 結論

對于該300 M W供熱機組,新增的大流量熱網循環泵采用汽泵方案或電泵方案在熱經濟性方面的差別并不明顯。而在機組收益方面,2個方案各有優點。此外,汽泵方案在運行調整方面相對更有優勢;電泵方案系統相對簡單、維護便利。在選擇驅動方式時除了運行經濟性外,還應綜合考慮改造成本、系統可靠性、易維護性、調節便利性、投資回收期等方面。系統增容改造的老機組普遍存在高壓廠用變壓器容量較小的情況,難以容納新增的驅動熱網循環泵的大功率電動機。而選擇汽泵方案,可以避免額外的高壓廠用變壓器增容工程,節省了相關費用。