淺談熱電廠節(jié)能改造之電動(dòng)給水泵改汽動(dòng)給水泵

謝毅 彭慧穎

中國輕工業(yè)長沙工程有限公司，中國·湖南 長沙 410000

目前，中國一些耗能較多的企業(yè)如造紙廠、化工廠、制鹽廠存在較大的節(jié)能減排壓力，其自備熱電廠的供能方式往往又存在汽多電少或汽電平衡困難等問題。論文通過對(duì)熱電廠汽電平衡的分析，來介紹電動(dòng)給水泵改汽動(dòng)給水泵節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。

熱電廠；節(jié)能減排；給水泵

1 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)快速增長和人們生活水平的提高，向環(huán)境排放的總量也在隨之增長，給環(huán)境帶來的危害日益嚴(yán)重，同時(shí)也越來越被人們所重視，為緩解這一危機(jī)，目前已有多個(gè)國家宣布或計(jì)劃關(guān)停所有燃煤電廠，歐盟、美國、日本、加拿大都將碳中和時(shí)間定為 2050 年，我國也提出了二氧化碳的碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取到2060 年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。2021 年中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》發(fā)布中提出五方面主要目標(biāo)：構(gòu)建綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體現(xiàn)；提升能源利用效率；提高非化石能源消費(fèi)比重；降低二氧化碳排放水平；提升生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力。

造紙工業(yè)屬于中國的一項(xiàng)重要產(chǎn)業(yè)，這一產(chǎn)業(yè)的運(yùn)行與能源利用之間存在著不可分割的聯(lián)系，其自備熱電廠的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性對(duì)生產(chǎn)運(yùn)營影響較大，隨著我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的推進(jìn)，政策對(duì)企業(yè)的排放施加的壓力也越來越大。

近年來，行業(yè)不但面臨減排政策的壓力，其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也日益激烈，單位產(chǎn)能的能耗成本也需要降低以提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

因此，在這個(gè)大環(huán)境下以及行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)壓力下，傳統(tǒng)高耗能企業(yè)需積極地全方面去探索節(jié)能減排技術(shù)[1]。

2 國內(nèi)部分熱電廠現(xiàn)狀

中國江蘇某造紙企業(yè)，其自備熱電廠裝機(jī)規(guī)模為4 臺(tái)高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐（2×220t/h+2×130 t/h），鍋爐3用1 備，一臺(tái)燃造紙固廢鍋爐，3 臺(tái)燃煤鍋爐，共配套兩臺(tái)CB25MW 兩臺(tái)背壓發(fā)電機(jī)組和一臺(tái)CN25MW 抽凝發(fā)電機(jī)組，低壓供汽參數(shù)約為0.8MPa.g、260℃。鍋爐給水系統(tǒng)為母管制，共配置有5 臺(tái)定速電動(dòng)給水泵，3 臺(tái)高壓除氧器。熱電廠正常運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)為：

①1 臺(tái)固廢焚燒鍋爐匹配CN25MW 抽凝汽輪機(jī)單獨(dú)運(yùn)行，固廢焚燒鍋爐的負(fù)荷高低依賴固廢物燃料的供應(yīng)量，無條件根據(jù)用戶所需電力多少靈活調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷。

②3 臺(tái)燃煤鍋爐通過母管制共匹配兩臺(tái)CB25MW 抽汽背壓汽輪機(jī)，背壓汽輪機(jī)的特點(diǎn)為以熱定電、熱負(fù)荷調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，但隨著供熱負(fù)荷的調(diào)節(jié)供電負(fù)荷也隨之產(chǎn)生較大變化，存在汽電負(fù)荷難以兼顧的問題。

③全廠鍋爐產(chǎn)汽能力富余而供電能力不足，電力缺口需從外供電網(wǎng)補(bǔ)充，外購電的成本高于企業(yè)自發(fā)電成本。

④用電高峰季節(jié)，外接的電力供應(yīng)緊張，存在限工業(yè)用電的壓力，企業(yè)需降低生產(chǎn)負(fù)荷運(yùn)營。

綜合以上，此企業(yè)全廠的汽電調(diào)節(jié)不平衡、不靈活，自供電不足，成為該廠運(yùn)營中的痛點(diǎn)，對(duì)于僅裝機(jī)背壓汽輪機(jī)的熱電廠此種情況尤為突出。因此，減少廠用電率，增強(qiáng)汽電負(fù)荷調(diào)節(jié)手段，成為熱電廠熱力系統(tǒng)優(yōu)化改造的方向。

對(duì)耗電量較大的設(shè)備將電力驅(qū)動(dòng)改成蒸汽驅(qū)動(dòng)，能適當(dāng)調(diào)節(jié)汽電比，降低廠用電率，顯然屬于熱電廠的優(yōu)化方案之一，下面將以江蘇某造紙企業(yè)熱電廠的改造實(shí)例來探討設(shè)備電力驅(qū)動(dòng)改成蒸汽驅(qū)動(dòng)的方法。

3 驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)選擇

自備熱電廠裝機(jī)的“大機(jī)”比改造給水泵用的“小機(jī)”做功效率高，為節(jié)能考慮“小機(jī)”驅(qū)動(dòng)汽源宜采用“大機(jī)”做功后的抽汽或背壓排汽較為合適。給水泵運(yùn)行工況較為穩(wěn)定，其驅(qū)動(dòng)用汽的參數(shù)和流量也要求較穩(wěn)定。汽機(jī)中間抽汽參數(shù)為1.8MPa、323℃，比背壓排汽參數(shù)稍高，但全廠抽汽用量較少，當(dāng)抽汽負(fù)荷波動(dòng)較大時(shí)，此汽源壓力波動(dòng)也較大，因此抽汽不適合提供“小機(jī)”驅(qū)動(dòng)用汽，而選取熱電廠“大機(jī)”的背壓排汽（0.9MPa.a、260℃）作為汽源[2]。

4 方案分析比較

4.1 蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)

蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)分為背壓式和純凝式兩種形式，技術(shù)上都可行，且都有較多的應(yīng)用案例，兩種形式的特點(diǎn)分別為：

背壓式：系統(tǒng)簡(jiǎn)單、排汽余熱能回收利用、單位耗汽量下輸出功率相對(duì)較小，如圖1 所示。

圖1 背壓式蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)

純凝式：系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備較多、占地面積較多，存在冷源損失，增加了循環(huán)冷卻水泵的電耗，單位耗汽量下輸出功率相對(duì)較高，如圖2 所示。

圖2 純凝式蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)

根據(jù)常規(guī)項(xiàng)目，列舉主機(jī)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行對(duì)比（適用于1.0MW～3.0MW 機(jī)型），見表1。

表1 主機(jī)參數(shù)對(duì)比表

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，為盡量提高汽輪機(jī)做功能力，汽輪機(jī)的排汽壓力均選取較低，純凝式方案中的排汽溫度僅40℃無利用價(jià)值，做功后排入凝汽器被循環(huán)水冷卻，大量余熱通過冷卻塔排入大氣；而背壓式方案中的排汽溫度為104℃，一般可用于預(yù)熱或烘干，如烘干污泥、烘干物料、預(yù)熱工藝系統(tǒng)補(bǔ)水等，如此排汽余熱能被全部消納，熱效率非常高，如排汽余熱無法被系統(tǒng)消納，技術(shù)上僅能選取純凝式方案。

4.2 熱力系統(tǒng)分析

根據(jù)此改造企業(yè)的余熱可利用情況，104℃的排汽適合用于預(yù)熱熱力系統(tǒng)中的補(bǔ)水，現(xiàn)從全廠補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)行分析核實(shí)“小機(jī)”的余熱排汽是否能被系統(tǒng)內(nèi)的低溫補(bǔ)水所冷卻。

根據(jù)原始設(shè)計(jì)資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研獲取了各路補(bǔ)水的數(shù)據(jù)，見表2。

表2 補(bǔ)水匯總表

冷卻水源需要持續(xù)穩(wěn)定，才能保證“小機(jī)”的安全運(yùn)行，否則無法冷卻的蒸汽在管道內(nèi)憋壓使排汽壓力升高，排汽管道上的安全保護(hù)閥將頻繁事故性動(dòng)作，甚至有可能引起“小機(jī)”跳機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，從而影響到全廠系統(tǒng)的正常運(yùn)行。從表2 可知能用于冷卻排汽的低溫穩(wěn)定水源僅有從冷渣機(jī)回來余熱來的除鹽水，水量約為160t/h。根據(jù)表一中背壓排汽蒸汽參數(shù)，將160t/h 補(bǔ)水從57℃加熱至100℃反推算排汽流量約為14.5t/h，再依據(jù)表一中汽輪機(jī)的汽耗率計(jì)算汽拖背壓機(jī)可裝機(jī)功率為1.2MW，正好可匹配原裝機(jī)的#2 或#3 電動(dòng)給水泵，其電機(jī)功率均為1.12MW。

通過以上分析本項(xiàng)目給水泵改造采用背壓式方案完全可行，需要將原有除氧器補(bǔ)水系統(tǒng)的管道連接稍做改造，如圖3 所示。

圖3 熱力系統(tǒng)

4.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

背壓式改造方案受限于系統(tǒng)對(duì)排汽余熱的消納能力，僅能支撐改造較小功率的#2 或#3 電動(dòng)給水泵（1.12MW）；如采用純凝式方案輸出功率無此限制，可支撐改造較大功率的#5 給水泵（1.8MW），業(yè)主也希望盡可能改造較大功率的#5 給水泵，以緩解外購電的壓力[3]。現(xiàn)通過簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，將兩種方案從工程總造價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用、節(jié)省電力方面進(jìn)一步對(duì)比，見表3。

表3 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比表

根據(jù)以上計(jì)算對(duì)比可知，純凝機(jī)方案因設(shè)備多耗電高、存在較大的冷源損失而難以盈利，背壓機(jī)方案收益好，投資回收期短，且系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，最終選擇了對(duì)1.1MW 的給水泵采用背壓式汽拖機(jī)的改造方案。

4.4 社會(huì)效益

本次節(jié)能優(yōu)化相當(dāng)于將除氧加熱蒸汽進(jìn)行了梯級(jí)利用，先將相對(duì)高品質(zhì)的蒸汽用于做功，做功后的低品質(zhì)乏汽用于加熱除氧器補(bǔ)水，節(jié)能效果明顯。通過本次改造，理論上每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1316t，對(duì)減少熱電廠煤耗、降低排放總量及保護(hù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境有積極意義。

5 結(jié)論

在節(jié)能減排的技術(shù)路線中，并非所有的電力驅(qū)動(dòng)改蒸汽驅(qū)動(dòng)都能較好的匹配全廠的熱力系統(tǒng)，需要通過技術(shù)分析和經(jīng)濟(jì)性分析來驗(yàn)證可行性。背壓式汽力拖動(dòng)節(jié)能效果明顯；而純凝式汽力拖動(dòng)也有較多的應(yīng)用案例，根據(jù)分析其適用的場(chǎng)景有：①有余熱蒸汽回收且蒸汽無其他用途情況下，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能減排效果；②較大的火力發(fā)電廠中，因大型電動(dòng)設(shè)備比小型汽輪機(jī)還貴，且大型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流大，對(duì)廠用電系統(tǒng)運(yùn)行不利，常采用汽輪給水泵運(yùn)行；③停電時(shí)汽力拖動(dòng)設(shè)備仍可保證一段時(shí)間正常運(yùn)行，因此在可靠性要求特別高的情況下，可采用亦可采用純凝式汽力拖動(dòng)方案。

通過本次改造，總結(jié)熱電廠在以下方面得到了優(yōu)化：

①降低了廠用電，優(yōu)化了汽電平衡，緩解了外購電成本及外網(wǎng)限電的壓力；

②定速電動(dòng)給水泵改成變速汽動(dòng)給水泵，給水流量的調(diào)節(jié)將更節(jié)能；

③改造使“大機(jī)”的用汽負(fù)荷有適當(dāng)增加，“大機(jī)的”進(jìn)汽量和發(fā)電量也隨之增加，利于全廠熱電平衡；

④采用汽動(dòng)給水泵啟動(dòng)時(shí)可緩解大電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)廠內(nèi)電力系統(tǒng)的沖擊；

⑤降低了煤耗指標(biāo)，減少了碳排放總量。

綜上所述，在能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益下，此類改造項(xiàng)目值得借鑒，且建議符合條件的企業(yè)積極推廣應(yīng)用。