基于吸收式换热机组的热电厂乏汽余热利用供热系统研究

王小龙

(神东煤炭集团，陕西 神木 719315)

0 引言

神东煤炭集团公司现有煤炭生产矿井13个，分布在蒙、陕、晋3省区。由于地处煤炭能源富集区，公司在发展过程中充分依托国家能源投资集团产、运、销一体化运营模式，并结合自身特点进行大胆技术和管理创新，经过不懈努力，公司现已建成了新型集约化安全高效千万吨矿井群。神东煤炭集团地处北方，冬季极寒温度可达-28 ℃。室外气温低易造成井口结冰，从而影响车辆、行人安全，因此需设置井口热风加热机组，保障井口周围温度不低于2 ℃；为提供良好的办公、居住条件，冬季办公场所、公寓需提供冬季供热服务；为满足员工洗浴需求，全年还需提供热水供应。为满足井口防冻、冬季采暖、全年浴水供应，公司在中心矿区分别配套建成了上湾热电厂、大柳塔热电厂，在分散矿区建成了热负荷不等的燃煤锅炉房。总体而言各矿井现有热负荷分为常年性热负荷和季节性热负荷2类，其中常年性热负荷指浴水热负荷；季节性热负荷指建筑冬季采暖热负荷、井口热风热负荷。

神东煤炭集团公司中心矿区位于陕蒙交界处，中心矿区以乌兰木伦河为界，陕西区域热源由大柳塔热电厂提供，主要负责工业区井口防冻、采暖、浴水用热需求。大柳塔热电厂输送的蒸汽至工业区换热站分汽缸，部分蒸汽直供各工业厂房及井口冬季采暖需求，部分蒸汽通过汽水换热器换热后供应采暖用水及浴水。内蒙区域热源由上湾热电厂提供，主要负责居民区、工业区采暖、浴水用热。上湾热电厂输送的蒸汽部分直供井口冬季采暖需求，部分通过汽水换热器换热后供应浴水，部分通过汽水换热器换热后输送高温水至下一级换热器换热用以满足采暖需求。内蒙区域热用户组成较为复杂且用热需求量大，具体用热分布如图1所示。

图1 内蒙区域用热分布Fig.1 Distribution of regional heat consumption in Inner Mongolia

1 存在问题及改造方案

1.1 存在问题

随着大型火力发电厂、煤化工、煤制油等产业的发展，煤炭市场随之快速发展，神东煤炭集团所处的中心矿区办公楼、宿舍楼、文体活动中心逐步扩建、新建，使得供热面积及采暖热负荷逐年递增，如图2所示。

图2 供热面积及热负荷逐年变化Fig.2 Annual change of heating area and heat load

大柳塔热电厂负责工业区井口防冻、采暖、浴水，随着公司产业的发展，热负荷略有增加但热电厂仍可满足用热需求。上湾热电厂负责居民区、工业区采暖、浴水用热，随着中心矿区配套设施的完善，建筑采暖用热需求迅速递增，导致冬季极寒天气时间段无法满足用热需求。

中国经济快速发展的同时，也面临着水污染、空气污染、土壤污染等环境生态问题带来的压力和挑战，对此各级政府坚定不移推进生态文明建设。环境质量已成为社会利益冲突的重要触发点，中国急需在经济增长、环境保护、生活质量之间寻找恰当平衡点，为此中国扎实推动节能环保事业的切实发展[1]。此外由于经济快速发展，我国已成为世界上最大的温室气体排放国之一，“节能减排”已是我国社会经济发展的一个重要核心。火力发电厂的冷端损失即乏汽凝结放热损失是电厂热力系统的最大损失[2]，以上湾热电厂为例，在冬季额定供热工况下，汽轮机排汽损失可占燃料总发热量的39%以上。汽轮机排出的乏汽对于火力发电厂来说是废热排放，但对于建筑物冬季采暖而言则是巨大的能源浪费[3]。就目前中心矿区上湾区域热负荷不足的情况而言，同时结合环境保护、节能减排两方面考虑，如何在不新建小容量热电厂的前提下，有效利用电厂乏汽热量用于建筑采暖成为了研究重点。

1.2 改造方案

上湾热电厂汽轮机乏汽虽总体热量多但温度低，无法直接进行吸收利用，必须提高温度才可进行有效利用。

1.2.1 方案比选

汽轮机凝汽余热品位低，无法满足直接供热的要求，必须适当提高其温度。目前汽轮机凝汽余热利用有2个较为成熟的方案：一是降低排汽缸真空度，提高排汽温度，即通常所说的汽轮机组低真空运行；二是在电厂设置吸收式换热机组吸取汽轮机凝汽余热实现供热[4]。2种方案相比较，方案一虽然利用了冷源损失，总体热效率有很大程度提升，但是汽轮机低真空运行发电量及汽轮机相对内效率降低，同时还存在以下问题：①热电厂发电量受到热负荷制约，发电量与热负荷不能独立调节，不适用于热负荷波动较大的热电厂；②汽轮机生产制造是根据热电厂运行参数所定制，设备使用温度、压力范围都有固定要求。凝汽压力过高会使汽轮机末级出口蒸汽温度升高，温度、压力超出使用范围易引起机组强烈振动，危及设备运行安全；③汽轮机背压提高会导致机组发电效率降低[5]。相比汽轮机低真空运行，方案二吸收式换热机组存在以下优势：①无需改动汽轮机组的结构、运行参数、运行方式，对热电厂整体运行无影响；②通过使用吸收式换热机组可大幅降低一次热网回水温度，在无需提高汽轮机抽汽参数或排汽背压的情况下有助于汽轮机乏汽余热的吸收，即在不影响发电量的前提下可获得较佳制热效果；③一网供回水温差提高后，不需改造管道、循环泵即可提高供热能力；④改造难度小，占地面积少，工程量少，设备投资较小，改造周期短[6]。

根据热电厂乏汽余热无法利用造成冷端损失大、矿区建筑物采暖负荷不足的特点及日趋成熟的吸收式换热技术，通过比选本次改造使用工艺技术、建设条件、经济评价均可行的吸收式换热机组进行热电厂乏汽余热回收利用，以实现节能效益、环保效益、社会效益。

1.2.2 方案制定

上湾热电厂所使用的锅炉为东方锅炉(集团)股份有限公司生产的520 t/h自然循环单汽包循环流化床锅炉，固态排渣，紧身封闭。汽轮机为东方汽轮机有限责任公司生产的超高压中间再热、单轴、反动式、双缸双排汽、直接空冷抽汽凝汽式汽轮机，汽轮机主要热力参数见表1。为保障中心区生产、生活用热，热电厂最大抽汽工况下折合供热能力为190 MW。

表1 上湾热电厂汽轮机主要热力参数Table 1 Main thermal parameters of steam turbine in Shangwan thermal power plant

热网首站采暖抽汽采用母管制，从2台汽轮机引出的五段抽汽在主厂房汇总进入母管后送至上湾供热首站、上湾一次换热站、上湾小区换热站。蒸汽通过汽水换热器换热凝结放热后，凝结水由凝结水泵送至电厂除氧器。系统改造前，上湾热电厂高温高压蒸汽经过汽轮机做功后成为乏汽并在冷凝器内放热凝结，热量通过空冷岛排入周围环境中。改造前供热系统运行原理示意图，如图3所示。

图3 改造前供热系统运行原理示意Fig.3 Operation principle of heating system before reconstruction

改造过程中为吸收汽轮机乏汽余热，需在电厂东北角空地安装吸收式换热机组，该机组以汽轮机五段采暖抽汽为驱动能源，回收汽轮机乏汽余热，用于逐级加热一次网回水。吸收式换热器吸收的总热量为抽汽热量与回收凝汽余热量之和。若供热温度不满足使用需求，则经过吸收式换热机组加热后的采暖供水通过现有汽水换热器，以汽轮机五段采暖抽汽为热源进行二次加热。与此同时在部分二级换热站安装吸收式换热机组，吸收式换热机组与常规换热器并列运行。常规换热器换热后的一网回水与吸收式换热机组换热后的一网回水混合后可有效降低一网回水温度，较低温度的回水温度更有利于吸收乏汽余热。改造后供热系统运行原理示意图，如图4所示。

图4 改造后供热系统运行原理示意Fig.4 Operation principle of heating system after reconstruction

2 吸收换热机组运行原理

吸收式换热机组主要由发生器、吸收器、蒸发器、冷凝器4大设备组成，为提高吸收式换热机组热力系数还设有浓溶液、稀溶液热交换器，为使工质在4大设备中进行循环运行，因而还装有溶液泵、冷剂泵以及相应的连接管道、阀门等[6]。

发生器、蒸发器通过吸热过程将外部循环工质(高温驱动热源、低温余热)温度降低，冷凝器和吸收器通过放热过程将外部循环工质(吸热介质)温度升高。吸收式换热机组循环流程如图5所示。

图5 吸收式换热机组运行原理Fig.5 Operation principle of absorption heat exchange unit

此次改造吸收式换热机组使用溴化锂作为吸收剂，水作为制冷剂。发生器是作为稀溶液吸收热量被加热成为浓溶液及水蒸气的反应容器。溴化锂稀溶液在发生器内被热源(高温驱动热源)加热浓缩，产生的水蒸汽进入冷凝器，溴化锂浓溶液则经过换热后进入吸收器。冷凝器是来自发生器的水蒸气冷凝成冷剂水的容器。由发生器产生的水蒸气进入冷凝器放热给外部循环工质(吸热介质)，循环工质温度升高，冷凝后的冷剂水则通过冷剂泵送至蒸发器。蒸发器是来自冷凝器冷剂水蒸发吸热的容器。冷剂水进入蒸发器后吸收外部循环工质(低温余热)热量成为水蒸汽并进入吸收器。吸收器是浓溶液吸收水蒸汽并放热的容器。溴化锂浓溶液在吸收器中吸收水蒸汽稀释为溴化锂稀溶液，并放出热量加热外部循环工质(吸热介质)，产生的稀溶液通过溶液泵进入发生器，从而进行下一循环。此外，吸收式换热机组内部还设有浓溶液与稀溶液交换热量的热交换器，通过换热一方面提高浓溶液的吸湿性，另一方面减少加热稀溶液需要的热量，以提高机组的整体热效率[7]。

由于吸收式换热机组中发生器、蒸发器具有吸热降温作用，冷凝器、吸收器具有放热升温作用，因此在电厂内的吸收式换热机组利用蒸汽及乏汽在发生器、蒸发器内吸热降低乏汽热量，使一次回水依次通过吸收器、冷凝器逐渐吸热升温。与此同时在换热站内新增吸收式换热机组，使一次供水依次通过发生器和蒸发器进行降温，二次回水依次通过吸收器和冷凝器进行升温[8]。通过电厂、换热站吸收式换热机组共同作用，以有效利用乏汽热量用于冬季供热。

3 吸收式换热系统构建及系统运行情况

3.1 吸收式换热系统构建

此次电厂乏汽余热利用过程不改造热网系统原有设备，只在电厂及部分换热站内增加吸收式换热机组，并对部分管网进行改造。

电厂内安装吸收式换热机组：在电厂内部新建吸收式换热机房，将汽轮机五段抽汽、汽轮机内做功后产生的乏汽、一网回水引至机房内部，其中高温蒸汽用于系统启动热源，乏汽作为主要加热热源，一网回水作为热量吸收主体。抽汽、乏汽冷凝后的冷凝水引至电厂除氧器。

换热站内安装吸收式换热机组：在部分热负荷较大、周围场地充足的地方安装吸收式换热机组，该机组与换热站内换热器并列运行，其主要作用是降低一网回水温度，便于更好吸收乏汽热量。最终选取上湾煤矿换热站、北二区换热站、李家畔2#换热站、中心换热站共计安装8台吸收式换热机组。

管网改造：本次改造后系统循环流量并未增加，因此主管网及循环泵不需改造，仅需对热源端及二次换热站管网走向进行重新布置。改造后，一网回水需依次通过吸收式换热机组、汽水换热器进行二级加热，因此需对热源端管网进行改造同时安装阀门用于系统切换，管网改造示意如图6所示。

图6 热源端管网改造示意Fig.6 Transformation of heat source pipe network

正常运行期间：关闭阀门1，开启阀门2、阀门3，使一网回水首先进入位于电厂内部的吸收式换热机组，吸收乏汽及汽轮机抽汽热量后完成一级加热，供水温度不满足需求时通过汽水换热器进行二级加热。当吸收式机组故障维修期间，开启阀门1，关闭阀门2、阀门3，使一网回水直接进入汽水换热器加热后送入各热用户。

非采暖期运行：采暖期乏汽热量通过吸收式换热机组传递至供热系统，当非采暖期时通过位于冷凝器与吸收式换热机组管网中的阀门切换，将乏汽热量通过空冷岛排入周围环境，具体示意为图4所示。

3.2 系统运行情况

本项目采用基于吸收式换热的热电联产集中供热技术，回收神华集团上湾热电厂2×150 MW直接空冷抽凝式汽轮机乏汽余热。电厂乏汽余热利用系统经过调试后投入运行已有2个采暖期，截止目前运行情况良好。电厂内部吸收式换热机组将一网回水由50 ℃加热至80 ℃，汽水换热器使用汽轮机抽汽将一网回水由80 ℃换热至110 ℃。一网供水经二级换热站内水-水换热器及吸收式换热机组换热降温至50 ℃后返回，经电厂吸收式换热机组及汽水换热器换热至110 ℃供出，如此往复循环。

3.2.1 一网供回水温度变化

由图7可知，2014—2017年随着供热热负荷增加，换热站不断提高供热系统供水温度，以满足供热需求。2018年吸收式供热系统投入运行后一网回水温度明显降低，供回水温差由改造前30 ℃增加至60 ℃，供回水温差的增加表明管网热输送能力更强。

图7 一网供回水温度逐年变化Fig.7 Annual variation of supply and return water temperature of primary network

3.2.2 循环流量变化

由图8可知，2014—2017年，由于供热面积增加，一网循环流量随之逐年增加，以提高供热能力。2018年吸收式供热系统投运后循环流量反而降低，这主要是由于一网供回水温差增加所导致。

图8 一网循环流量逐年变化Fig.8 Annual variation of primary network circulation flow

3.2.3 汽轮机抽汽耗热量变化

由图9可知，2014—2017年蒸汽消耗量随供热面积的增加而增加，2018年吸收式供热系统投运后由于系统吸收部分乏汽热量，使得汽轮机抽汽耗热量明显降低。

图9 汽轮机抽汽耗热量逐年变化Fig.9 Annual variation of extraction heat consumption of steam turbine

3.2.4 经济型分析

在电厂内安装吸收式换热机组，以汽轮机的采暖蒸汽驱动回收汽轮机排汽余热，用于梯级加热一次网回水。在换热站内安装吸收式换热机组，与常规水-水换热器并列运行，在不改变二次网供回水温度前提下，降低一次网回水温度至50 ℃左右，一网供回水温度由原来的110/80 ℃变为110/50 ℃，温差增加大幅度降低了热网运行费用。由于热网低温回水实现了与汽轮机排汽能级匹配，使得机组处于极佳制热温度，从而使热电联产集中供热系统能耗大幅度降低。本项目通过回收汽轮机乏汽余热，减少汽轮机五段采暖抽汽99 t/h，每个采暖期回收余热100.3万GJ。与改造前相比，可增加发电功率13 MW，发电标准煤耗降低24 g/kW·h。每个采暖期全厂可增加发电5 479万kW·h。增加的发电相当于每个采暖期减少了燃烧标准煤1.73万t，减少了CO2排放量4.54万t，减少了SO2排放量147.4 t，减少了NOx排放量128.3 t，减少了固体灰渣量4 248.6 t。

4 系统运行存在问题及解决措施

改造后系统已运行2个采暖期，在运行过程中节能减排及增加的供热效果明显，但也逐渐暴露出不足之处，根据存在问题文中提出了解决措施，为吸收式换热系统吸收热电厂乏汽余热的进一步发展奠定了基础。

4.1 系统运行存在问题

一网回水温度偏高：由于热网回水温度相对偏高，使得电厂内部的吸收式换热机组制热性能较差，为达到回收余热的目的，需要更高汽轮机抽汽参数，从而影响汽轮机组发电效率。

吸收式换热机组维修不到位：管束清洗不及时、溴化锂溶液添加不及时，真空泵、冷剂泵保养不到位，使得设备运行效率降低。

运行人员培训不足：运行人员对设备运行原理认识不清楚，发现故障不及时，影响系统正常运行。

4.2 系统运行解决措施

针对上述存在问题，为便于系统的推广应用，制定以下解决措施。

增加数量或调整流量：适当增加二次换热站吸收式换热机组数量或调整二次换热站内水-水换热器及吸收式换热机组流量，增加吸收式换热机组流通流量，以降低一网回水温度。

制定检修计划：制定吸收式换热机组夏季检修内容及计划并严格执行。

加强人员培训：加强人员理论培训及实操演练，使员工能够排除简单故障并分析产生原因。

5 结语

此次改造基于吸收式换热的热电联产集中供热技术，回收上湾热电厂2×150 MW直接空冷抽凝式汽轮机乏汽余热，将现有供热系统与吸收式换热机组有效结合，配合换热站改造工程，经过改造后提高了热源供热能力，增加了管网输送能力及电厂发电量，大幅提高电厂热效率，该方案具有极强的可操作性和可推广性，可有效缓解北方城市热电联产集中供热面临的问题，是我国热电联产集中供热方式的未来发展方向。