热网循环泵不同驱动方式下热经济性比较

杜 威,孙建磊,杨海生

(国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021)

0 引言

我国正在全面推进节能环保的热电联产集中供热方式[1],依托大容量、低能耗热电联产机组,替代能耗高、效率低、污染大的中小供热锅炉,是我国落实“碳达峰、碳中和”重大决策部署的一个方面。随着工业化、城镇化进程加快,供热负荷需求也呈快速增长趋势。近10年来,北方集中供热面积年均增长率达13%[2]。部分机组的供热系统需要增容改造。

供热系统增容包括对热网循环水泵、热网加热器、管网等进行改造。其中热网循环泵主要有工业汽轮机驱动或电动机驱动2种方式[3],用来向热电企业用户提供供热介质,是供热电厂供暖期间主要的耗能设备。因此,为确保热电机组的经济运行,供热系统增容改造时需要合理选择热网循环泵的驱动方式[4]。

本文以面临供热系统增容改造的某300 MW亚临界供热机组为例,以等效热降理论对2种驱动方式的热经济性进行计算与分析。

1 不同驱动方式的系统流程

热网循环泵的电泵方案,即由电机驱动2台50%容量泵。此方案下机组供热系统如图1所示。热网回水通过热网循环泵升压后进入热网加热器水侧,来自机组五抽的供热抽汽进入热网加热器汽侧,在热网加热器内两者进行热交换。热网水升温后向外网供热。供热抽汽冷却为疏水,由疏水泵升压后返回热力系统,汇入5号低压加热器出口凝结水管道。

图1 电泵方案系统示意

图2 为汽泵方案。由2台50%容量的单级背压式小汽机为热网循环泵提供驱动力。小汽机汽源取自机组冷段再热蒸汽。拥有一定过热度的小汽机排汽与供热抽汽一起进入热网加热器,加热热网水后返回热力系统。

图2 汽泵方案系统示意

2 热经济性模型的建立

等效热降法是发电机组热力系统分析的一种有效工具,具有简捷、方便的特点[56]。经过验证,等效热降法与常规热平衡方法之间具有一致性[7],可以较为准确的计算热经济性的变化[89]。因此,本文以等效热降法为基础建立数学模型,对汽泵方案和电泵方案进行热经济性计算与分析。

为保证结果的客观准确,本文中进行的热经济性比较应遵循以下原则。

(1)2个方案的比较应是在相同的供热工况下,具体包括:主蒸汽流量相同,供热量相同,除供热外的厂用电量相同。这样就排除了驱动方式之外的因素对热经济性的影响。

(2)认为与电泵方案相比,汽泵方案中冷段再热抽汽不影响主汽轮机膨胀线。依照等效热降理论,主蒸汽流量不变时,冷段再热额外抽汽可视为不影响全局的小扰动,即主机各段蒸汽参数不变,只影响各段抽汽量。这样的假设是合理的。

(3)2个方案中的热网循环水泵性能相同,仅驱动方式有所区别。

遵循以上原则,建模具体过程如下。

2.1 电驱动方式功耗

当热网循环泵能满足热网系统流量Qp与扬程Hp的需求时,则输入泵的有效功率为

当泵使用电机驱动方式时,消耗的电功率为

式中:g为当地重力加速度;ηp、ηi、ηe分别为循环泵效率,联轴器机械传动效率和电机效率。

2.2 小汽机驱动方式功耗

当小汽机驱动泵时,则其消耗的冷段再热蒸汽量为

式中:hlz和hc分别为冷段再热焓和小汽机排汽焓值,kJ/kg;ηj为汽泵减速器机械效率。

汽动驱动方式下,耗费的冷段再热蒸汽使得主机作功能力降低,其值为alz流量的蒸汽直达凝汽器所作的功为

同时,相应有alz流量的热网疏水返回热力系统,汇入主凝结水管道,产生回收功。计算式为

所以发电机出力变化量应为二者的代数和

小汽机排汽直接汇入热网加热器。与电泵驱动时相比,同样供热量下五抽相应减少agr供热抽汽,由热网加热器返回的疏水也减少agr。与冷段再热抽汽同理,其对主机做功能力的影响为

式中:h5为五段抽汽焓值,kJ/kg。

2.3 供电煤耗率变化的数学模型

与电机驱动方式相比,在同样的供热量与主蒸汽流量下,小汽机驱动除了降低主机出力,减少了厂用电率外,也改变了再热流量,使再热吸热量减少。因此,评价两种驱动方式的热经济性时,应综合考虑这三方面的影响,宜采用供电煤耗率较为合理。即

式中:ΔP=Pgr-Plz,k W;hzr为机组再热蒸汽焓值,kJ/kg;b为标煤发热量,kJ;Pcy为机组厂用电量,k W;ηgl与ηgd分别为锅炉效率和管道效率;Q为主机总吸热量,kJ/h;Pfd为发电机出线端功率,k W。

3 实例计算与分析

以面临供热改造的某300 MW机组为例。该机组为增加供热能力,拟将原有的3台较小容量的电动热网循环泵更换为2台大流量泵。通过上文建立的数学模型,计算机组额定供热和最大供热工况下汽泵方案与电泵方案的热经济性,供热系统主要设备参数见表1。

额定供热工况与最大供热工况下机组蒸汽参数见表2。根据表1、2中的参数及上文的计算依据,得出电泵和汽泵方案的主要热经济性数据的对比,如表3所示。

通过分析比较在机组额定供热工况和最大供热工况下热网循环泵2种驱动方式的计算结果,可知。

(1)从供电煤耗率方面考虑,虽然采用汽泵方案使得机组净出力较电动方案降低,但同时机组吸热量即煤耗量也相应减少。由表3的计算结果可得出汽泵方案下机组的供电煤耗率与电泵方案相差不大,两者在热经济性方面差距不明显。

(2)从机组出力方面来看,汽泵方案与电泵方案相比,其发电机出线端功率有所降低,虽然其厂用电功率也有所减少,但机组净出力仍低于电泵方案。由于2个方案的机组煤耗率差别很小,因此在煤价合理、机组能够盈利的前提下,电泵方案更高的净出力意味着更高的利润。

(3)从厂用电方面考虑,由表3数据可知,采用汽泵方案后由于减少了厂用电的消耗,使厂用电率相对电泵方案下降约1.5%。需要进行热网

4 结论

对于该300 M W供热机组,新增的大流量热网循环泵采用汽泵方案或电泵方案在热经济性方面的差别并不明显。而在机组收益方面,2个方案各有优点。此外,汽泵方案在运行调整方面相对更有优势;电泵方案系统相对简单、维护便利。在选择驱动方式时除了运行经济性外,还应综合考虑改造成本、系统可靠性、易维护性、调节便利性、投资回收期等方面。系统增容改造的老机组普遍存在高压厂用变压器容量较小的情况,难以容纳新增的驱动热网循环泵的大功率电动机。而选择汽泵方案,可以避免额外的高压厂用变压器增容工程,节省了相关费用。