新型小汽機耦合多級蒸汽引射器供熱系統(tǒng)及性能分析

鄧庚庚， 周家輝， 周天羽， 徐 鋼， 劉文毅， 王永旭

(1． 華北電力大學 能源動力與機械工程學院， 北京 102206；2． 通遼發(fā)電總廠有限責任公司， 內(nèi)蒙古通遼 028000)

隨著我國雙碳目標的提出，能源供應(yīng)安全要求更高，能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型迫在眉睫，“減碳”將是大勢所趨[1]。但煤炭是中國能源安全的基石，以燃煤機組為主的基礎(chǔ)電力供應(yīng)可直接決定我國可再生能源的發(fā)展[2]。另外隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，對蒸汽能量梯級利用的熱電聯(lián)產(chǎn)機組得到快速發(fā)展，截至2020年，熱電裝機比重已達40%[3-4]。因此，如何提高熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱電比以及余熱高效梯級利用成為研究重點[5]。

目前，國內(nèi)外余熱利用方法主要集中于吸收式熱泵余熱回收技術(shù)、背壓小汽輪機(以下簡稱汽機)和蒸汽引射器供熱技術(shù)等。Sun等[6]提出了一種基于噴射式換熱器和吸收式熱泵的熱電聯(lián)產(chǎn)廢熱集中供熱系統(tǒng)，可通過降低熱網(wǎng)回水溫度來提高熱網(wǎng)的傳熱能力。Zhang等[7]提出了一種采用蒸汽噴射泵的高背壓供熱系統(tǒng)。Kasaeian等[8]將噴射式制冷循環(huán)與朗肯循環(huán)相結(jié)合，提高了工廠在能源生產(chǎn)、冷卻和加熱方面的整體效率。Liu等[9]對比了3種引入蒸汽引射器的新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)并聯(lián)引射器時熱效率和系統(tǒng)效率最高。張鈞泰等[10]提出了一種采用多組引射器的熱電解耦系統(tǒng)，結(jié)果表明較低電熱負荷時系統(tǒng)經(jīng)濟性更好。孫博昭等[11]對比分析了不同工況下傳統(tǒng)供汽機組與新型耦合引射器供汽系統(tǒng)的經(jīng)濟性。劉秋升等[12]提出采用低壓汽輪機和蒸汽引射器聯(lián)合利用方案，并對其進行了節(jié)能分析。胡林靜等[13]利用蒸汽引射器對熱網(wǎng)水實現(xiàn)三級梯級加熱，增強了機組供熱能力。綜上所述，文獻[9]～文獻[11]針對較高壓蒸汽的利用，主要是用于工業(yè)供汽系統(tǒng)；文獻[12]和文獻[13]提出的系統(tǒng)同樣非常成熟且可用性較高，但運行靈活性受到設(shè)備本身特性的限制，各個設(shè)備之間最優(yōu)應(yīng)用溫度范圍有交叉，節(jié)能效果有限。

鑒于此，筆者以某330 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組為參考案例，提出了一種耦合蒸汽引射器和背壓小汽機的新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，充分利用了水側(cè)梯級加熱的靈活性，使得系統(tǒng)最大限度地提高了蒸汽引射器及背壓小汽機的效率；同時系統(tǒng)采用的技術(shù)都比較成熟，組合簡單，運行靈活性較高，可降低熱電聯(lián)產(chǎn)機組直接抽汽供熱帶來的蒸汽品質(zhì)浪費以及機組冷端損失。然后利用EBSILON 15.0軟件分別構(gòu)建新型小汽機耦合多級蒸汽引射器供熱系統(tǒng)與常規(guī)抽汽供熱系統(tǒng)的計算模型，并對計算模型進行了詳細的熱力性能分析和經(jīng)濟性分析。

1 供熱系統(tǒng)介紹

1.1 常規(guī)抽汽供熱系統(tǒng)

選擇采用常規(guī)抽汽供熱系統(tǒng)的某330 MW亞臨界直接空冷機組作為參比案例，其機組系統(tǒng)示意如圖1所示，其中R1和R2分別為供熱抽汽和供熱疏水。案例機組基本參數(shù)見表1。該機組是亞臨界、一次中間再熱、兩缸兩排汽、直接空冷、抽汽凝汽式汽輪機。單臺機組額定抽汽能力達到550 t/h，調(diào)整抽汽壓力為0.45 MPa，機組的熱力系統(tǒng)共設(shè)有7段回熱抽汽，分別供給3臺高壓加熱器、1臺除氧器和3臺低壓加熱器。

圖1 常規(guī)抽汽供熱系統(tǒng)示意圖

表1 案例機組基本參數(shù)

供熱機組從中低壓連通管直接抽汽，然后抽汽進入熱網(wǎng)加熱器中冷凝并對熱網(wǎng)回水進行加熱，在達到熱網(wǎng)供水溫度后，將其提供給熱用戶，其疏水排放至除氧器中。熱網(wǎng)加熱器采用管殼式汽液熱交換器，該加熱器主要是利用蒸汽相變區(qū)的潛熱來加熱熱網(wǎng)水，供熱蒸汽參數(shù)較高，其壓力和溫度一般為0.45 MPa和250.1 ℃，額定熱網(wǎng)供水溫度最高僅為104 ℃，供熱早晚期只有85 ℃左右，使得熱網(wǎng)加熱器內(nèi)部端差超過150 K，二者的巨大溫差使得熱網(wǎng)加熱器換熱損較高。因此，該熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)存在巨大的節(jié)能改造空間。

1.2 新型小汽機耦合多級蒸汽引射器供熱系統(tǒng)

針對熱電聯(lián)產(chǎn)機組常規(guī)抽汽供熱系統(tǒng)中供熱抽汽進入熱網(wǎng)加熱器中換熱存在巨大的做功能力損失問題，筆者提出熱電聯(lián)產(chǎn)機組小汽機耦合多級蒸汽引射器供熱系統(tǒng)。根據(jù)能量梯級利用原則，一方面，新系統(tǒng)增設(shè)并聯(lián)蒸汽引射器系統(tǒng)以提升乏汽參數(shù)，對熱網(wǎng)回水進行兩級加熱；另一方面，新系統(tǒng)在熱網(wǎng)加熱器前增設(shè)背壓小汽機，對中排抽汽的能量進行部分回收后排入耦合熱網(wǎng)換熱器，再對熱網(wǎng)水進行加熱，達到熱網(wǎng)供水溫度。新系統(tǒng)如圖2所示，基本參數(shù)見表2。圖中，A1為供熱抽汽，A11、A12、A13分別為進入一級蒸汽引射器、二級蒸汽引射器以及背壓小汽機的供熱蒸汽；A21、A22、A23分別為進入一級～三級加熱器的蒸汽；B1為汽輪機低壓缸排汽，B11、B12分別為進入一級蒸汽引射器以及二級蒸汽引射器的低壓缸排汽；C1為供熱疏水。

圖2 新型小汽機耦合多級蒸汽引射器供熱系統(tǒng)示意圖

表2 耦合供熱機組的基本參數(shù)

新系統(tǒng)的中壓排汽一路進入并聯(lián)蒸汽引射系統(tǒng)引射機組乏汽，混合后對熱網(wǎng)水進行梯級加熱。熱網(wǎng)加熱器端差取5 K，一級蒸汽引射器將乏汽壓力提高至28 kPa，可將熱網(wǎng)回水從55 ℃加熱至63 ℃。二級蒸汽引射器可將乏汽壓力提升至38 kPa，二級加熱器可將熱網(wǎng)回水從63 ℃加熱至70 ℃。另一路抽汽進入熱網(wǎng)加熱器前的背壓小汽機，做功后蒸汽壓力降低至0.14 MPa，再進入三級加熱器進行換熱，將熱網(wǎng)回水加熱至熱網(wǎng)供水溫度。系統(tǒng)每一級熱網(wǎng)加熱器出口熱網(wǎng)水溫度與供熱蒸汽對應(yīng)的飽和溫度相差5 K左右，換熱損大大降低。背壓小汽機帶動高壓異步發(fā)電裝置進行發(fā)電，可直接用于承擔主機部分電負荷。設(shè)置并聯(lián)蒸汽引射系統(tǒng)回收乏汽熱量以及背壓小汽機進行余壓回收，在滿足熱網(wǎng)熱負荷的前提下，減少了供熱抽汽直接供熱帶來的蒸汽品質(zhì)損失，并利用了部分乏汽余熱，實現(xiàn)了能量的梯級利用。

2 分析方法

2.1 能量分析

采用耦合供熱系統(tǒng)的發(fā)電效率與供熱效率作為熱力學評價指標[14]。

熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱耗量Qf為：

(1)

式中：qm,0和qm,1分別為主蒸汽質(zhì)量流量和再熱蒸汽質(zhì)量流量，t/h；h0、h1、h2和h3分別為主蒸汽焓、給水焓、再熱蒸汽焓和高壓缸排汽焓，kJ/kg；ηb和ηp分別為鍋爐效率和管道效率，分別取92.0%和99.5%。

熱電聯(lián)產(chǎn)機組總的供熱量Qh為熱網(wǎng)加熱器的供熱量：

(2)

供熱系統(tǒng)的折合發(fā)電效率ηe和熱電聯(lián)產(chǎn)效率ηh定義為：

(3)

(4)

式中：qm為進入熱網(wǎng)加熱器蒸汽的質(zhì)量流量，t/h；h4和h5分別為熱網(wǎng)加熱器進口焓和疏水焓，kJ/kg；Pe為供熱系統(tǒng)的凈發(fā)電功率，MW；ηb(h)為熱電分產(chǎn)工業(yè)供熱鍋爐熱效率，取80.0%。

質(zhì)量為m的流動工質(zhì)焓Ex一般為：

Ex=(H-H0)-T0(S-S0)

(5)

式中：H和H0為穩(wěn)定流動工質(zhì)進、出口焓，kJ/kg；S和S0為穩(wěn)定流動工質(zhì)進、出口熵，kJ/(kg·K)；T0為此時環(huán)境的溫度，K。

(6)

Exd=Exin-Exout

(7)

式中：Exin為系統(tǒng)輸入，MW；Exout為系統(tǒng)輸出，MW。

2.3 經(jīng)濟性分析

筆者通過計算系統(tǒng)改造后年增加的收入來評價系統(tǒng)的經(jīng)濟性。對熱電聯(lián)產(chǎn)機組與垃圾發(fā)電機組進行耦合供熱改造后，新系統(tǒng)的投資成本主要是蒸汽引射器、管殼式換熱器及小汽機的初投資，另外還需要考慮改造所需管道等投資、新的運營和維護成本等因素[16]。

通過規(guī)模因子法對管殼式換熱器進行初投資的估計[17]：

(8)

對蒸汽引射器的初投資估計[18]為：

(9)

對發(fā)電機等設(shè)備的初投資估計為：

(10)

則新設(shè)備的年化新增投資CB可以表示為：

(11)

式中：CE為新增設(shè)備投資，萬元；CR為參比設(shè)備價格，取1.2萬元；AE為設(shè)備換熱面積，m2；AR為參比設(shè)備換熱面積，取100 m2；qm,f為乏汽質(zhì)量流量，kg/s；tl為乏汽溫度，℃；pl和ph分別為混合蒸汽和工作蒸汽的壓力，MPa；W為機組輸出功率，MW；CA為管道及輔機投資，其中CA=CE×20%，萬元；r為貼現(xiàn)率，取6%[19]；n為設(shè)備使用壽命，a。

與案例系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)年增加的收入Cn為：

Cn=(Cnew-Cold)-CB-CM

(12)

式中：Cnew為耦合供熱系統(tǒng)收益，萬元；Cold為案例系統(tǒng)收益，萬元；CM為耦合供熱系統(tǒng)新增運行維護費用，萬元。

3 系統(tǒng)建模

3.1 系統(tǒng)建模

利用EBSILON 15.0軟件分別對案例系統(tǒng)和新系統(tǒng)進行建模。EBSILON 15.0是德國 STEAG 電力公司開發(fā)的軟件工具，可用于能源電力領(lǐng)域熱力系統(tǒng)建模、計算和仿真[20]。

將模擬結(jié)果與機組設(shè)計平衡圖上的參數(shù)進行對比驗證，不同工況下機組功率準確性驗證結(jié)果見表3，其中THA表示機組熱耗率驗收工況。供熱工況下(80%THA)機組關(guān)鍵蒸汽參數(shù)模擬準確性驗證結(jié)果見表4。從表4可以看出，模型基準工況下參數(shù)模擬值與設(shè)計值相對誤差較小，滿足工程應(yīng)用要求，因此可用該模型進行相關(guān)模擬計算。

表3 模型準確度分析

表4 供熱工況下機組參數(shù)準確性驗證結(jié)果

3.2 模擬分析

所選用的常規(guī)抽汽供熱機組在供熱期內(nèi)平均供熱負荷為206 MW，供水溫度與回水溫度分別為104 ℃和55 ℃。機組從中低壓連通管抽汽并用于供熱，為保證中壓缸末級葉片的安全可靠性，在投入抽汽時中壓缸排汽壓力不得低于0.4 MPa，通常為0.45 MPa，供熱抽汽質(zhì)量流量約為300 t/h。為了簡化計算過程以及降低分析難度，設(shè)定案例系統(tǒng)與新系統(tǒng)的電負荷、熱負荷保持一致。通過大量的實際運行數(shù)據(jù)來看，案例系統(tǒng)大部分時間在70%～80%負荷下運行，因此進行系統(tǒng)設(shè)計與計算時，工況選用80%THA工況。對案例系統(tǒng)與新系統(tǒng)進行仿真計算并分析其熱力性能，模擬過程中用到的供熱側(cè)主要流股參數(shù)如表5所示，模擬計算結(jié)果見表6。

表5 系統(tǒng)模擬主要流股參數(shù)

表6 機組主要熱力性能參數(shù)

4 結(jié)果及分析

4.1 能量分析

根據(jù)表6可知，新系統(tǒng)的供熱抽汽質(zhì)量流量(以下簡稱抽汽量)減少了33.4 t/h，新系統(tǒng)整體標煤耗量相比案例系統(tǒng)降低了4.18 t/h，折合發(fā)電煤耗下降15.84 g/(kW·h)，折合發(fā)電效率與熱電聯(lián)產(chǎn)總效率分別提升了5.34個百分點和3.22個百分點。一方面，由于新系統(tǒng)增加了耦合梯級引射系統(tǒng)，可將44.21 t/h乏汽提升品質(zhì)用于供熱，替代33.4 t/h高品質(zhì)供熱抽汽；另一方面，進入熱網(wǎng)加熱器的蒸汽先在背壓小汽機中做功，利用其排汽對熱網(wǎng)水進行三次加熱，達到熱網(wǎng)供水溫度，背壓小汽機的發(fā)電量可以承擔部分主機電功率，可進一步降低發(fā)電煤耗量，節(jié)能效果顯著。

為進一步探究新系統(tǒng)的節(jié)能機理，繪制了案例系統(tǒng)與新系統(tǒng)的能量流動圖，如圖3所示。由圖3可知，2個系統(tǒng)的總發(fā)電量與供熱量都相等，但由于系統(tǒng)耦合，新系統(tǒng)可以利用機組乏汽熱量30.95 MW，輸入耦合熱網(wǎng)換熱器的抽汽熱量減少了27.07 MW。此外，在新系統(tǒng)中，背壓小汽機有11.18 MW的出功，在總出功不變的情況下，大機出功可以減少11.18 MW。最終，供熱的總抽汽能量減少了27.07 MW，燃煤總輸入減少了34.07 MW，約降低了4.72%。由能量分析結(jié)果可知，新系統(tǒng)效率提升的主要原因在于：(1) 由于部分乏汽被利用，汽輪機排汽損失明顯降低；(2) 背壓小汽機發(fā)電降低了主汽輪機承擔的電負荷，進而減少其蒸汽量及循環(huán)輸入熱量。

(a) 常規(guī)抽汽供熱系統(tǒng)

為深入探究新系統(tǒng)整體效率提升的關(guān)鍵，分別對案例系統(tǒng)與新系統(tǒng)進行分析，如圖4所示，可得出以下結(jié)論：

(a) 常規(guī)抽汽供熱系統(tǒng)

(4) 綜上，新系統(tǒng)在總發(fā)電量與供熱量相同的情況下，燃料總輸入降低了34.07 MW，效率提升了1.99%。

4.3 經(jīng)濟性分析

為評估系統(tǒng)耦合所帶來的系統(tǒng)經(jīng)濟性的變化，對新系統(tǒng)進行了經(jīng)濟性評估。經(jīng)濟性分析過程的參數(shù)設(shè)置如下：(1) 標煤價格為800元/t[21]；(2) 供熱系統(tǒng)供熱期為4個月；(3) 新增設(shè)備運行維護投資為設(shè)備投資的4%[22]；(4) 設(shè)備報廢年限為25 a。

其中，蒸汽引射器的購置成本是按照相關(guān)公開的招標文件估計的。由于新系統(tǒng)分三級對熱網(wǎng)水進行加熱，2臺熱網(wǎng)加熱器以及背壓小汽機為主要的設(shè)備投資內(nèi)容。另外，新系統(tǒng)的供熱抽汽是由1股蒸汽進入熱網(wǎng)加熱器改為3股供熱蒸汽進入耦合熱網(wǎng)換熱器以及背壓小汽機進行梯級加熱，其改動是在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加設(shè)備，不會對原系統(tǒng)產(chǎn)生其他影響，改造難度較低，新系統(tǒng)改造主要投資見表7。

表7 系統(tǒng)改造主要投資

新系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析結(jié)果如表8所示。從表8可以看出，雖然系統(tǒng)改造增設(shè)了蒸汽引射器、耦合熱網(wǎng)換熱器以及背壓小汽機等其他設(shè)備投資2 940萬元、年運行維護費用117.6萬元，但以供熱期120 d計算，新系統(tǒng)年節(jié)煤量可達12 038 t，節(jié)煤收益為963.04萬元，年化新增收益凈現(xiàn)值可達570.02萬元，系統(tǒng)改造帶來的經(jīng)濟性效益較高。

表8 經(jīng)濟性分析結(jié)果

5 結(jié) 論

(1) 在機組電負荷為264 MW(80%THA)，供熱負荷為206 MW時，與案例系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)整體標煤耗量降低了4.18 t/h，熱電聯(lián)產(chǎn)總效率提升了3.22個百分點，發(fā)電煤耗下降了15.84 g/(kW·h)，節(jié)能效果顯著。

(3) 由經(jīng)濟性分析可知，新系統(tǒng)新增設(shè)備總投資2 940萬元、年運行維護費用117.6萬元，同時系統(tǒng)節(jié)煤收益為963.04萬元，年化新增收益570.02萬元，有良好的經(jīng)濟效益與推廣價值。