基于卡琳娜循环的电厂机组降耗提效技术

黄 蒙，赵亮宇，张淑娟

(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)

基于卡琳娜循环的电厂机组降耗提效技术

黄 蒙，赵亮宇，张淑娟

(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)

随着火电机组规模扩大，常规火电厂产能热效率利用已达瓶颈。且受到朗肯循环参数限制，发电过程中水蒸气热损耗较高，并会伴随着一定程度上的环境污染。文中基于卡琳娜循环技术，提出一种针对火电机组的降耗提效方案。通过深入分析卡琳娜循环工作原理，将其与火电机组循环发电过程结合应用，充分发挥循环优势，突破热转化效率瓶颈，进一步提升火电机组管道余热及排气凝结热利用率。此外，该种技术可深度利用化学能转化热能循环过程中存在的各类固有热损，完成降低热耗、提升发电效率的双向优化。经实际运行测试结果表明：此技术能在不影响原电场循环热效率的前提下，提升机组发电功率近1%。

卡琳娜循环；火电机组；降耗提效；汽轮机；管道余热；凝结热发电

近年来，随着居民用电和商业用电量急剧增加，火电厂机组参数也不断提升，常规机组转化效率已达瓶颈：循环效率亚临界、超临界、超超临界机组分别为38%，40%，43%[1]。尽管如此，受限于朗肯循环高参数要求，热转化效率始终难以实现较大提升。热损在增加能源成本的同时，还会造成一定的环境污染问题。煤炭作为火力发电的主要能源，占国民发电总量的70%。此外，煤炭属于不可再生资源，需要合理高效分配利用，且为了迎合我国低碳经济的主流发展要求，电力生产方案亟待改良。基于以上背景，本文分析了卡琳娜循环的原理和优势，并将其引入到电场机组发电流程中，深度利用烟气余热和凝结热来减少热耗，提高电力产能[2]。

1 卡琳娜循环机理

1.1 朗肯循环热损

火电机组发电中，水蒸汽工质普遍存在的朗肯循环工作如图1所示。

图1 朗肯循环过程

基于水蒸气的物理特性，热能储存困难。因此，火电机组的燃料化学能转化为热能后在水汽阶段将出现大量流失。大部分热能通过空气介质传导到空气中，仅30%～40%的热能得以利用，进一步转化为电能，这也是朗肯循环实际工作中参数的主要限制[3]。整个循环能损主要来源分为：(1)燃料化学能向热能转化过程存在的热传递损失、动力损耗、物理损失及燃烧不充分能损；(2)热能转化为水蒸气后，做功转化为电能过程中存在的蒸汽压力损失、凝结热损失、系统管道热发散损失等；(3)动力发电过程存在的机械损失和系统损失；(4)辅助机械供电和其他设备用电消耗。

以上能损中，朗肯循环蒸汽转化过程中的损失程度最高，且由于是供能源头，在系统整个转化流程中的能损比重还会相应提升。为此，文中从热力动力学角度分析，热能的可利用性及限制条件如图2所示。

图2 热能可利用性分析

由图2可知，三角梯形所围面积代表了热能在高低温度下的最大作功。然而，朗肯循环水汽工质转化过程存在的物理损耗，决定了效率上限。而在系统运作状态下，工质平衡过程产生的损失主要来源于：热源参数及材料温度条件等内在因素；热源低温下的热能物理挥散损耗此类技术处理因素[4]。

1.2 卡琳娜循环原理

分析了水工质存在的主要能损来源后，得知改善低温热能挥散处理损失是一种提高能源利用率的有效方式。而我国在低温热能利用研究中，历经了闪蒸、双压及三压的技术开发历程，逐渐转化为特殊工质开发领域[5]。卡琳娜循环将纯水蒸气工质替换为水氨混合液，适合进行低温热能的高效循环回收利用。其工作的原理流程，如图3所示。

图3 卡琳娜循环原理流程

卡琳娜循环工作时，热源通过蒸发器进入系统，热能传递给水氨混合液，混合液蒸发进入分离器，进行气体、液体分离。蒸汽部分进入氨气汽轮机，膨胀增压做功驱动发电机发电；液体稀氨水混合物回流进入回热器，进行低温部分的热量回收。高温蒸汽部分做功完毕后与低温回收部分汇合流入冷凝器，凝结得到水氨混合物。再泵入蒸发器及回热器冷端，吸收两部分扩散的传递热能。循环进行，这一过程称为卡琳娜循环[6]。

2 机组卡琳娜循环应用

图2中在描述低温下做功能力曲线时，特别标注有结构损失。结构损失具体指：由于工质降温、升温同热源的差值造成的损失。因此，在火电厂机组工作流程中，想要减少朗肯循环中的结构损失，须从两部分入手：其一，深度利用煤炭锅炉余热；其二，回收利用汽轮机凝结热。

对于利用煤炭锅炉余热项，文中取样600 MW超临界机组锅炉工作状况进行监测研究，全面评估卡琳娜循环引入的节能降耗成效。通常锅炉尾部需要连接尾气脱硫装置，将烟气导入脱硫塔进行处理，净化后经GGH以80 ℃排出。这一流程常伴随着严重的管道结垢、腐蚀。烟气流通受阻，内压过大会导致增压风机电耗提升，严重的还会影响机组安全运行[7]。为此，本文引入了卡琳娜循环对脱硫系统和锅炉烟道进行改造及再利用，设立3个不同热源接口构建相应的方案。

(1)充分利用脱硫系统烟气降温过程的余热进行热电转换。采用卡琳娜循环装置替换原有GGH装置，可进行管道热耗的再利用发电。但低温排出的冷烟气，会直接影响烟气上升排放的高度，易造成烟囱堵塞，加剧管道腐蚀。从而造成材质要求提升，增加部分投资成本[8]。此方案流程设计，如图4所示。

图4 接口方案1设计流程图

(2)第二方案取消了GGH，可减少电耗930 kW，增压风机同步电耗降低260 kW，可较大程度上增加电功率，方案流程如图5所示。

(3)在第二方案的基础上，锅炉省煤器和除尘器烟气后引入卡琳娜循环系统的氨蒸汽进行过热利用，可以进一步提升氨蒸汽蕴能，提高循环机组发电量，方案流程如图6所示。

经统计，600 MW容量机组产生的烟气流量约为

200万 ，3种方案的发电功率数据如表1所示。对比可知，3种方案在相同生产参数下，相对效率及电耗均有大幅优化，第三方案综合效能最佳，机组发电功率净增量稳定在1%以上。

图5 接口方案2设计流程图

图6 接口方案3设计流程图

方案冷却水烟气温度/℃相对效率发电效发电功电耗减电功率机组功率温度/℃省煤气出口空预器进口除尘器出口进口率/%率/kW少/kW增加/kW增加/%115/20--140800.810/9.54570/4320--0.76/0.72215/20--140800.810/9.54570/432011905760/55100.96/0.92315/20360360130800.811/10.5-11906300/59651.05/0.99

3 方案再优化分析

在朗肯循环约束下，实际生产环境中电厂发电效率约为38%～45%，有大量的汽轮蒸汽热损。因此，在烟气余热利用及设备增压电耗优化的基础上，还可进行凝汽式汽轮机的深度改造。提高汽轮机的排汽参数，将管道乏汽凝结混合液作为卡琳娜动力热源进行二次发电[9-15]。由此，可进一步增加循环发电效率。

若基于卡琳娜循环工作原理，对200 ℃的汽轮热损回收利用，可再回收近50%的凝结热能。因此，在常规火电汽轮低温排气高热转化技术中具备广阔的应用前景。同时，具备大量可挖掘的生产效益。

4 结束语

本文基于国内当前火电发电环境，提出了一种低碳环保的机组降耗提效技术。充分发挥出了卡琳娜循环的热耗回收技术优势，根据火电发电过程中存在的汽轮凝结热损、烟气余热和管道压耗，相应提出了不同机组装置结合方案，良好地解决了工业污染及发电功率瓶颈问题。经数据实测，在减少能源热损基础上，各方案均可提升整体机组近1%的发电产能，并具备良好的适应性和扩展性。

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Power Consumption Reduction and Efficiency Improvement of Power Plant Units Based on Karina Cycle

HUANG Meng, ZHAO Liangyu, ZHANG Shujuan

(Shandong Electric Power Engineering Consulting Co., Ltd., Ji’nan 250013, China )

With the expansion of thermal power unit, the utilization of thermal efficiency of conventional thermal power plant has reached the bottleneck. The limit parameters of Rankine cycle power generation process, water vapor heat loss is higher, and will be accompanied by a certain degree of environmental pollution. In this paper, based on the Karina cycle technology, a scheme for reducing consumption of thermal power units is proposed. By analyzing the working principle of Karina cycle and combining it with the cycle generating process of thermal power units, we should give full play to the advantages of circulation and break through the bottleneck of thermal transformation efficiency, and further improve the utilization of heat and exhaust condensing heat of thermal power units. Besides, this technology can make full use of chemical energy to transform all kinds of inherent heat loss existing in heat cycle process, and complete two-way optimization of reducing heat consumption and improving power generation efficiency. The test results show that the power generation power of the lifting unit can be nearly 1% without affecting the thermal efficiency of the original electric field cycle.

Karina cycle; thermal power unit; consumption reduction and efficiency improvement; steam turbine; pipeline waste heat; condensation heat power generation

2017- 09- 07

黄蒙(1983-)，男，硕士，工程师。研究方向：大容量、高参数火电机组系统优化。

TP273；TM930

A

1007-7820(2018)01-083-04