电厂供热节能改造方案探讨

2014-12-19朱斌帅

发电技术 2014年1期

朱斌帅，张赟

（杭州华电双良节能技术有限公司，浙江杭州3100 30）

0 引言

近年来，根据国家环保政策和相关产业要求，北方供热小锅炉逐步关停，改由热电厂集中供热，有效降低了发电及城市供热的综合单位能耗。随着国家节能减排工作的不断深入，各电厂不断加大节能潜力挖掘力度，其中较多电厂对传统的抽凝机组进行了供热改造，重点对乏汽余热或循环水余热进行回收用于城市供热，以提高能源利用水平[1]。以下阐述了各类供热节能改造方案的特点及选取原则，并以某燃机电厂供热机组为例，进行了采用不用方案改造后节能效果和对机组运行可靠性的影响分析和对比，以期为其它同类供热改造项目提供参考。

1 方案介绍

目前常见的供热节能改造方案主要有低真空供热方案、吸收式热泵供热方和NCB供热方案等。下文将对各方案的结构形式、技术特点及应用情况进行阐述。

1.1 低真空供热方案

低真空供热又名高背压供热，改造完成后，凝汽器成为热水供热系统的基本加热器，原来的循环冷却水变成了供暖热媒，在热网系统中进行闭式循环。当需要更高的供热温度时，则在尖峰热网加热器中利用汽轮机抽汽进行二级加热。

图1给出了电厂低真空供热系统的示意图。热网用户成为发电热力循环的冷端替代了冷却塔，减少了冷源损失，因此系统总的热效率会有很大程度的提高。但由于热网回水温度比常规冷却塔出水温度要高，导致凝汽器中真空下降，在相同的进汽量下与纯凝工况相比，发电量会减少，同时汽轮机的相对内效率也有所降低。

低真空运行供热技术的应用主要受到以下几方面的限制：

（1）低真空运行机组类似于背压式供热机组，其通过的新汽量决定于用户热负荷的大小，所以发电功率受用户热负荷的制约，不能分开独立的进行调节，即其运行是“以热定电”，因此只适用于用户热负荷比较稳定的供热系统。

（2）由于机组背压限制，供暖水温度较低，一般采用一次网直接至热用户，因此供热范围较小[1，2]。同时，若由于用户侧换热站效率低等原因使得热网回水温度过高，此时会对机组的运行安全和经济性造成较大影响。

（3）考虑到凝汽压力和排汽容积流量变动的影响，低真空供热改造技术只适用于中小型机组，一般认为不高于200 MW等级。因为现代大型机组，尤其是中间再热式大型汽轮机组，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易引起机组的强烈振动，危及运行安全[3]。凝汽式汽轮机进行此类技术改造时，应对机组进行变工况运行计算，尤其应对排汽缸结构、轴向推力的改变、末级叶轮的改造等方面做严格校核。

该项技术应用较早，如华电的十里泉电厂、章丘电厂，华能的临沂电厂、烟台电厂等一批小机组实施了改造并投运，总体运行效果较好，但也有部分电厂由于供热回水温度过高影响了机组的正常运行。

1.2 吸收式热泵供热方案

在部分供热蒸汽的驱动下，吸收式热泵可以提取机组乏汽或循环冷却水的余热用于加热热网水，增加供热出力，提高能源利用率[4～6]。通常热泵出口的热网水温度可达70～90℃，如需更高供热温度时，可利用尖峰加热器进行二级加热。

图2给出了电厂吸收式热泵供热系统示意图。根据吸收式热泵的工作特性，为获取较好的供热经济性，实际运行时通常会适当提高凝汽器压力，但提升幅度会远小于低真空方案，具体根据回收余热量与发电量损失的综合最优工况分析确定。

吸收式热泵供热方案将原本上冷却塔的余热回收利用，有效提高了能源利用率，且存在运行调节灵活，改造对机组本体的变动和影响均较小等优点。但目前吸收式热泵的初期投资相对较大，应用于对供热品质要求较高，且技改资金较为宽裕或热价较高的热电项目居多。

图2 吸收式热泵供热系统示意图

该项技术近年来取得了快速的发展和大量的应用，如华电的东华热电300 MW供热机组、北京热电燃气-蒸汽联合循环供热机组等均采用了热泵技术进行供热改造，节能效果显著，各电力集团的多种类型的机组上已有较多应用，目前技术已成熟。大唐集团的长春二热、哈一热等一批项目也正在采用热泵技术进行供热改造实施中。

1.3 NCB供热方案

NCB供热方案即双转子方案，其特点是将高中压缸和低压缸分开，采用两根转轴分别带动两台发电机，系统示意图如图3所示。通过调节供热抽汽控制阀和低压缸调节阀的开度，可使机组在不同运行条件下分别呈现纯凝工况、抽凝工况和背压工况运行状态。在高峰供热期呈背压工况运行时，相当于将低压缸解列，低压缸部分处于低速盘车状态，可随时投运[7]。汽缸结构、轴向推力改变等因素的影响，同时需要进行汽轮机叶轮的改造等工作，改造工作量及难度都较大，国内类似改造项目较少。

1.4 各技术方案对比

表1给出了上述三种供热节能技改方案的特点对比。

2 改造后经济性分析

图3 NCB供热系统示意图

表1 供热节能技改方案对比

采用NCB供热方案可使机组在外界负荷变化时变换相应的运行工况，具有较好的调节灵活性和运行经济性。但对于单轴汽轮机进行技术改造时，需要解决排

结合某燃机电厂供热改造项目，重点对低真空方案与吸收式热泵方案进行改造后运行经济性进行比较。由于NCB供热方案目前实施案例较少，技术尚不成熟，且更换转子投入较大，该项目暂不考虑。

2.1 机组概况

某电厂一期工程设有2200 MW燃气-蒸汽联合循环机组，燃气轮机为南汽的PG 9171 E型燃机，对外供热能力210 MW，余热锅炉为双压、无补燃、卧式、自然循环余热锅炉，汽轮发电机组为南汽的60 MW等级抽汽凝汽式供热汽轮机，设计排汽压力为6.3 kPa。供热范围在3 k m以内，以小热网运行供居民采暖。

2.2 低真空供热方案

采用低真空供热方案时，由于凝汽器中水温较高，机组排汽压力上升，此时因蒸汽比容减小而使容积流量减小，因流场的不稳定引起的动应力对低压级组叶片的正常工作不利，因此机组不允许在容积流量很小的工况下长期运行。

该项目在不对机组末级叶片进行改造的情况下，根据叶片特性可得允许通过的最小容积流量约为365 m3/s。为得到较高的背压，需提高工质的质量流量，以保证容积流量不低于最小值。机组达设计最大排汽量时，对应背压为25 kPa，排汽温度为65℃。端差取5℃，则循环水出口温度为60℃。图4给出了循环水供水温度与背压关系曲线图。

图4 循环水供水温度与背压关系曲线图

取循环水在凝汽器中温升为20℃，则循环水回水温度为40℃，根据热平衡可得循环水流量5885 t/h。此时，机组供热出力为136.8 MW，因背压升高而造成的发电出力损失为8.3 MW。

表2 热泵参数

表3 低真空与热泵改造方案参数对比

2.3 吸收式热泵供热方案

机组设计排汽压力6.3 kPa，其饱和温度为37.05℃，凝汽器出口循环水温度约为32.5℃，满足热泵运行条件，无需提高背压，可选取如表2所示的热泵3台。此时，热泵总出力136.8 MW，热网水流量3919.5 t/h，所需循环水流量7524 t/h，驱动蒸汽流量124.29 t/h，耗用蒸汽相当于减少发电出力5 MW。

表3给出了两种方案的参数对比。可以看出，与低真空供热方案相比，在相同供热出力的情况下，吸收式热泵供热方案的热网供水温度更高，用户可以获得更好的采暖体验，同时吸收式热泵方案的发电量出力损失更小。若按年供热时间3600 h计算，每年吸收式热泵方案比低真空方案节省发电出力损失约675万元。