浅谈循环水供热技术

高海旺

随着城市建设的快速发展,城区供热面积不断增大,现有热电厂的供热能力已经不能满足日益增长的供热需求,供热面积的急速增加与热源建设的相对滞后,形成的供热供需矛盾日益突出。在此状况下,如何挖掘供热机组的最大供热潜力,在不增加热源建设规模的情况下满足广大的市场需求,是热电企业现阶段亟待解决的问题。

我国大多数热电联产电厂属抽凝式热电联产,抽凝式汽轮发电机组的主要生产过程是:锅炉中的水吸收煤燃烧时放出的热量后,变成具有一定压力和温度的高速蒸汽,这种蒸汽冲动汽轮机转子上的叶片旋转,并带动同轴的发电机转子旋转发电;做完功的低温低压蒸汽(0.0049MPa,32℃)乏汽送入凝汽器中被厂内闭式的循环水不断冷却凝结成水,然后由给水泵提高压力后再送回锅炉继续加热,进行往复循环。低温低压蒸汽在凝结过程中释放出的大量汽化潜热(约2400 kJ/kg)被循环水吸收后,循环水温度升高,然后由循环水泵送入冷却塔与空气进行热量交换,水温降低后再次进入凝汽器冷却汽轮机排出的乏汽,周而复始。在此交换过程中,通过循环水带到冷却塔排入大气中的热量约占总能量的73%,形成了“冷源损失”,造成了较严重的能源浪费。

在我国的东北地区有些供热企业利用凝汽式汽轮机组低真空运行排汽凝结时放出的热量向外供热,该种供热方式是将凝汽器中乏汽的压力提高,也就是降低凝汽器的真空度,提高冷却水温,将凝汽器改为供热系统的热网加热器,而冷却水直接用作热网的循环水,因此该种供热方法称为凝汽机组恶化真空供热,俗称低温循环水供热。该方法在不新增电厂装机容量和不增加当地污染物排放的情况下,可增大供热面积,同时节约大量因为蒸发而损失的循环冷却水;并且还有建设周期短,投资小的优点。因此这是一种极具吸引力的城市供热新形式。

由于正常情况下循环水的温度比较低(一般冬季20℃～35℃),达不到直接供热的要求,要利用循环水供热,必须想办法适当提高其温度。中小型凝汽式汽轮机可以通过降低排汽缸真空从而提高循环水温度(60℃～80℃)的方法进行供热,该技术在理论上可以实现很高的能源利用效率。但传统的低真空运行机组类似热电厂中的背压机组,其通过的蒸汽量决定余热负荷的大小,所以发电功率受用户热负荷的制约,不能分别独立进行调节,即其运行也是“以热定电”,因而只适用于用户热负荷比较稳定的供热系统。另外,机组低真空运行须对机组结构进行相应的改造,仅适用于小型机组和少数中型机组。如果对于现代大型机组进行低真空运行改造,还涉及排汽缸结构、轴向推力的改变、轴封漏汽、末级叶轮的改造等多方面问题的限制。在具有中间再热式汽轮机组的大型热电联产系统中,凝汽压力过高会使机组的末级出口蒸汽温度过高,且蒸汽的容积流量过小,从而引起机组的强烈振动,危及运行安全。大型汽轮机组的循环冷却水进口温度一般要求不超过33℃(相应的出口温度在40℃左右),如果供热温度在此范围之内,则机组结构不需任何改动,且适用于任何容量和类型的机组。但目前适用于该温度范围的供热装置只有地板低温辐射采暖,因此其应用范围受到比较大的限制。

由于低真空运行循环水供热方式固有的局限性,为挖掘电厂的供热潜力,充分利用循环水余热,扩大循环水供热的应用范围,在更多的场合应用,可以采用热泵技术直接提取循环水中的低位热量用于供热。

采用热泵技术提高电厂循环水温度,即以电厂循环冷却水为低位热源,利用热泵技术提高其热量后向用户供热。电厂循环水与目前常用的热泵热源相比,具有热量巨大、温度适中而稳定、水质好、安全环保等优点,是一种优质的热泵热源。以电厂循环水作为热泵低位热源进行供热,可以方便灵活的实现供热量与用户需求的匹配,也不会对发电厂原热力系统产生较大影响。因此电厂循环水源热泵是回收利用电厂循环水余热进行供热的一种较理想方式。

利用电厂循环冷却水作为热泵低位热源进行供热的基本形式如图1所示,汽轮机排汽经过凝汽器后冷凝的凝结水被重新送到锅炉中。根据用户侧热负荷需求的情况,直接将来自凝汽器的一部分循环水送入冷却塔,完成正常的冷却循环,另一部分通过循环水管网送入设置在用户处的热泵装置的蒸发器作为热泵的低位热源,驱动热泵的高位能量加上从低位热源提取的热量作为热泵产热用于加热用户侧的二次网回水。循环冷却水在热泵蒸发器放热降温后返回到凝汽器入口与流经冷却塔的冷却水汇合,再被送入凝汽器吸热升温。如此实现电厂循环水低位余热用于供热的目的。

采用热泵技术的循环水余热回收方式与上述凝汽器低真空运行方式相比,机组的发电量和安全运行不受影响,同时供热系统还可根据热负荷的大小和分布来确定热泵的配置和运行方式。通过灵活的分布式热泵形式,选择不同的热泵供热温度,可以满足地板采暖、风机盘管、暖气片等不同形式末端散热设备的要求,从而使整个循环水余热利用系统的运行更加高效。当电厂循环水余热的利用份额较小时,这种热泵回收循环水余热的形式更加适合。当然,由于需要增加热泵设备,使得这种供热形式的投资较大。当电厂循环水余热利用比例大、供热温度低的情况下,其能效不如凝汽器低真空运行方式高。

综上所述,在电厂运行过程中,蒸汽在驱动发电机发电后,排出的蒸汽仍含有大部分热量被循环水带走,因而火电厂的热效率仅为30%～40%,利用循环水对外供热,可以在不增加机组容量的情况下,增加供热面积,并且利用乏汽的余热,运行效率可提高至70%～80%。小型抽凝或纯凝发电机组可直接提高背压,降低凝汽器真空度运行来提高循环水温度直接实现集中供热,可以充分利用循环水热量,减少冷源损失,实现余热利用和节能减排的双重效益。大型中间再热式汽轮机组提高背压运行危及机组运行安全,可以采用间接换热的供热模式,利用循环水余热作为采用热泵机组的低位热源来实现集中供热,同样可以实现余热回收和节能减排,总之,循环水供热是一项十分经济的供热运行方式。

[1] 张世纲.热电联产中的深度余热回收技术研究[Z].2001.