纯凝汽式机组大旁路供热技术改造

2018-08-01张力夫刘振华姚贯升

山东电力技术 2018年7期

吕太，张力夫，刘振华，姚贯升

（东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林 132012）

0 引言

随着城市化的发展，建筑面积逐年增加，北方地区采暖面积增长迅速，现有的供热条件下供热热源严重不足，这就需要污染严重的小锅炉供热或居民燃煤取暖，造成资源浪费和环境污染，并且大部分北方地区装机负荷远远大于用电负荷，造成很多大型机组没有发电负荷而停机备用，现有资源没有得到有效的利用。结合大唐供热公司长春市热负荷调研报告，2015～2020年该供热公司新增采暖热面积约2 346万m2，需要建设新的供热机组才能满足供热需求，但是又存在大型发电机组低负荷运行甚至停机的现实情况。

以满足供热需求为前提，目前效率最高的供热方式为热电联产［1-2］，该方式使能量得到了阶梯利用，效率最高，但该类型机组在供热的同时必须发电，并且建设该类型新机组不但缓解不了机组停机与供热不足之间的矛盾，而且会使之加剧。燃煤锅炉［3-4］集中供热也是目前的主流供热方式，锅炉设备容量在10 t／h以上，供热能力可达到要求，投资费用低，但锅炉燃烧效率低，烟气中的粉尘、硫化物和氮化物得不到有效处理，污染十分严重，带来很大的环境压力。长春市2016年全年PM2.5在100 μg／m3以上的污染天数为119天，其中PM2.5超过250 μg／m3的严重污染天数为49天，98%是在供暖期内，由此可见由于冬季供暖所引发的环境问题十分严重。燃气锅炉［5-6］也是一种较理想的供热热源，可以实现只供热不发电，由于天然气为清洁能源，燃烧产物大部分为二氧化碳，不会带来环境污染问题，同时天然气的燃烧效率比较高，可以达到85%以上，缺点是天然气价格比较高，燃气锅炉建设和运行费用比较高。综上所述，目前急需一种可满足供热需求，同时可减轻大型机组停机压力、对环境污染小的供热方式。

针对供热不足与大型机组闲置之间的矛盾，提出对现有的闲置纯凝汽式机组的大旁路进行改造，在采暖期，蒸汽由大旁路经过降压处理引入到热网加热器直接进行供热；在非供暖期，维持原来凝汽式机组正常发电。利用等效电法比较该技术与其他供热技术能量转换效率的高低，从经济效益和环境效益对比研究其合理性与可行性。

1 改造旁路供热技术

以长春某电厂的200 MW纯凝汽式机组为例进行改造，该机组型号为 HG－670／140－YM14，锅炉蒸发量为670 t／h，主蒸汽温度为540℃，压力为13.73 MPa。考虑到大旁路的富裕量，供热改造对发电机组原来的系统几乎没有影响，如图1所示，不需要改动大旁路，只需要在旁路尾端加装减温减压装置、热网加热器等就可以满足供热。采暖期内，抽取670 t／h的蒸汽进入旁路，其中20 t／h的蒸汽用以满足电厂自身用汽要求，650 t／h的蒸汽进入减温减压器后，最终在热网加热器中进行换热，机组运行所需用电由其他机组提供；供暖期结束后，调整阀门使蒸汽进入汽轮机正常发电，由纯供热机组恢复纯凝汽式发电机组。

机组改造后供热基本参数和供热能力如表1所示。

表1 200 MW机组改造后数据

图1 改造旁路供热系统

2 不同供热方式比较

以长春市大唐某供热公司的供热区域作为研究对象，新增供热面积为2 346×104m2，随着城市的发展供热面积还会增加，而长春位于北方地区，采暖期长达167天，合计小时数为4 008 h。室外采暖计算温度-21.1℃，采暖室外平均温度-7.6℃，室内采暖平均温度18℃，综合采暖热指标取55 W／m2，最大采暖热负荷为1 290.3 MW，该电厂的最大供热能力无法满足热用户需求，只能由小锅炉进行供热，污染比较严重。

以目前的供热形式来看，为了满足该地区供热需求，可以采取电加热炉供热、建设燃气锅炉、建设燃煤锅炉和改造纯凝汽式机组旁路直接供热等几种方式，以下从能量转换效率、初始投资、运行费用和环境效益等方面对比评价，找出最合理的供热方式。

2.1 能量转换效率

能量是有品质的，所以对比能耗的高低不能仅仅对比能量的多少，必须有统一的参考，等效电法就是以其他形式能量转化为电能为标准，对比不同形式能量的品质高低。原则上来讲，不同形式的化学能都可以转换为电能，但是由于转换方式和设备的原因，存在一定的效率，即折电系数。利用式（1）就可以计算出不同形式能源转换为电能时的折电系数

式中温度采用绝对温度。各种形式的能源在理论上是可以完全转化为热能的，但是由于实际工程技术的限制，不可能完全转化为电力，在转化过程中都是在一定的温度限度内进行的，因此结合实际情况，按照当前技术下最高做功温度作为计算该形式能源转换系数的工作温度。天然气的做功温度在1 500℃以下，因此计算时取1 500℃。利用燃煤发电时，是利用蒸汽推动汽轮机做功，所以温度不取燃烧温度，而是取蒸汽温度，目前技术下蒸汽温度在700℃以下，因此取计算温度为700℃。计算出能源形式的折电系数如表2所示。

表2 等效电法下折电系数

在表2中可以看出，在转换为高品质的电能时，品质由低到高依次是热水、煤炭、天然气和电能，并且能质差别越大，之间转换率越低，比如煤炭中的能量品质低于天然气，折电系数仅为48.29%，低于天然气的折电系数64.36%，热水的折电系数最低，仅为23.2%。反过来，作为供热热源时，不同形式的能源转换为低品质的热能时，转换效率有所不同。以提供相同的热量1500 kWh为基准，并结合表2中各种能量转换电能的效率，分别比较电加热炉、燃气锅炉、燃煤锅炉和旁路改造供热这几种方式的能量转换效率，计算结果如表3所示。

表3 等效电法下不同采暖方式的能量转换效率

表3中计算的各种能量形式作为热源时的转换效率，是在考虑能量品质的前提下计算出来的，可以看出能量品质越高，转换为低品质的热能时转换效率越低。以电能为例，能量品质最高，可以完全转换为热能，但是在考虑能量品质的前提下，作为供热热源时的效率仅为23.2%，是由于品质的丧失使其转换效率下降；而同样作为低品质的煤炭能源，在直接转换为热能时效率高于天然气和电能，这主要是因为该能源与热能的品质接近，避免了由于能量品质降低带来的能量损失；同样以煤炭为主的供热热源，燃煤锅炉的供热效率为36.7%，低于旁路改造机组的41.1%，这是由于两种锅炉的效率不同导致的，燃煤锅炉房锅炉的本身结构和燃烧方式使锅炉效率低，而旁路改造锅炉可以维持纯凝汽式机组时的高效率燃烧。

2.2 初始投资和运行费用

2.2.1 初始投资

供热的初始投资［7］主要由以下几个方面组成：锅炉主机费、供热所需的配套辅机费、土地征用费、锅炉土建投资费以及其他费用等。与其他供热方式相比，改造旁路供热技术对原来的机组改动很小，就是在大旁路尾端加装减温减压装置，以及按照供热面积加装相应的热交换器。结合长春某电厂实际改造，改造费用为1 000万元，1台200 MW纯凝汽式机组大旁路扩容改造之后，在100%容量下，供热能力为1891.99 GJ／h，综合采暖热指标为 55 W／m2时，可供热面积为95.56万m2，单位采暖面积建设费用为10.5元／m2。而电加热炉、燃气锅炉和燃煤锅炉的建设是从无到有，必须考虑到锅炉主机费、辅机费用、土建投资和土地征用等费用，导致燃煤锅炉单位面积初始投资为59.11元／m2，燃气锅炉58.27元／m2，都高于改造旁路供热方式初始投资。

2.2.2 运行费用

运行费用包括燃料费、水电费和折旧费等，为了方便比较，将主要比较几种方式的燃料费用，并折算成单位采暖面积所需费用。首先计算单位面积燃料消耗量，与供热指标、供热时间、燃料热值、管网效率和锅炉效率有关：

式中：M为单位面积燃料消耗量；D为采暖天数，167 d／a（吉林地区取暖时间）；q为综合采暖热指标，W／m2；hj为燃料热值，kWh／kg 或 kWh／m3；η1管网效率，%；η2锅炉热效率，%。

结合式（2）和不同的供热形式间燃料热值、效率等因素，计算几种供热方式的运行费用如表4所示。

表4 不同供热方式燃料消耗量及运行费用

表4计算比较了电加热炉、燃气锅炉、燃煤锅炉和旁路改造供热这4种供热方式的运行费用。结果表明电加热炉的运行费用最高，高达到119.41元／m2；燃气锅炉的燃烧效率比较高，但是由于天然气价格高，所以运行费用接近燃煤锅炉的2倍；燃煤锅炉和改造锅炉都是燃用煤炭，但是两种方式的锅炉效率不一样，锅炉的燃烧效率为70%左右，而旁路改造技术的锅炉效率可以达到89%，运行成本仅为25.36 元／m2。