企業熱電廠余熱的綜合利用

何武勝，李國瑞，樊 亮

（河北盛華化工有限公司，河北 張家口 075000）

企業熱電廠余熱的綜合利用

何武勝，李國瑞，樊 亮

（河北盛華化工有限公司，河北 張家口 075000）

闡述了熱電廠低真空供熱及乏汽回收裝置的運行原理。通過吸收并利用熱電廠的乏汽及余熱，可實現年節約標煤28645t，節水26080t，同時減少了大氣污染，收到了良好的經濟效益和社會效益。

熱電聯產；節能減排；低真空供熱；乏汽回收；環境保護

1 余熱綜合利用的意義

河北盛華化工有限公司熱電分廠一熱電有3臺35 t/h循環流化床鍋爐及配套3 000 kW背壓機組和7 500 kW抽凝機組各1臺；二熱電有3臺130 t/h循環流化床鍋爐和2臺24 MW抽凝機組，抽汽除供公司生產外，冬季還負責張家口高新區城市集中供熱。

熱電廠內的綜合熱效率僅為35%～45%，在損失的熱量中，最多的是凝汽器的冷源損失，約占總損失的60%。降低冷源損失，提高全廠熱效率、達到節能挖潛的目的，是目前急待解決的問題。利用凝汽式供熱機組排出的汽化潛熱加熱冷卻循環水可直接進行供熱,既能在現有設備的基礎上增加熱電廠的供熱能力,又能減少汽輪機組的冷源損失,是一項節約能源、改善環境、深化熱電聯產的有力措施。這一綠色節能的供暖方式有效地實現了二氧化硫的減排和水資源利用的最大化。

在熱電生產中，為達到工藝指標，把一部分乏汽排入大氣，如電站鍋爐在運行過程中排空的具有低位熱能的蒸汽含有大量的熱，一方面浪費了能源，另一方面對環境造成了熱污染。公司通過在一熱電鍋爐連定排疏水擴容器、一熱電除氧器、二熱電鍋爐連定排疏水擴容器乏汽、二熱電除氧器安裝4套乏汽吸收裝置，利用低溫軟化水吸收疏水擴容器乏汽、除氧器乏汽，在乏汽吸收器內能達到常壓甚至微負壓，有利于乏汽的排出，同時形成的高溫水用于鍋爐給水循環利用，有效地回收利用了這部分乏汽，大大降低了軟水的用量，并可提高軟水的溫度，節約了大量燃料。

2 汽輪機低真空運行循環水供熱技術的應用

2.1 低真空集中供熱的優越性

低真空供熱是利用汽輪機凝汽器中的尾氣余熱作為供暖系統熱源，一次蒸汽換熱為輔熱源，利用凝汽器的冷卻水作為供暖系統的循環水，不僅減少了冷卻循環水在冷卻塔中的蒸發損失，也大大減少了一次蒸汽的用量，節約熱能，降低成本。此項目完成后，可替代一百多臺小鍋爐，大大減少了城市的環境污染，改善了城市的空氣質量。汽輪機低真空運行循環水供熱技術的基本原理是對凝汽發電機組實施低真空運行，即適當提高汽輪機的排汽壓力，降低凝汽器的真空度，提高排汽溫度，提高循環水的供回水溫度，用循環水直接供熱。這種供熱方式可以使做功發電的蒸汽熱能得到充分利用，減少汽輪機凝汽器中的冷源損失，節約大量的能源，帶來一定的經濟效益。

汽輪機冷凝器低真空運行循環水供熱屬汽輪機的一種變工況運行，經過改造機組和循環水系統進行汽輪機低真空運行。改變運行方式后，將凝汽器作為一級加熱器，相當于總換熱站的熱交換器，熱網中的熱用戶相當于冷卻塔，利用汽輪機排汽的汽化潛熱加熱熱網循環水進行供暖，循環水在凝汽器中吸收熱量送到熱用戶散熱后，再到凝汽器吸收循環，從而將汽輪機排汽的汽化潛熱加以利用，消除了冷源損失，使熱電廠的熱效率大大提高。

該公司循環水供暖采用2#、3#機低真空運行作為熱源，在首站設有尖峰加熱器及熱網循環水泵。由熱網循環水系統與凝汽器循環冷卻水系統組成的兩級泵系統方案可以實現這2個系統的獨立運行，熱網循環水系統與原凝汽器循環冷卻換熱系統通過1個均壓管直接連接，構成了兩級泵運行方案系統。該方案中凝汽器循環水系統的運行不受供熱系統運行參數變化的影響，可以繼續由熱電廠生產指揮系統根據熱電廠生產需要自行控制和管理，而由裝配在各熱力站的分布變頻泵組成的輸配供熱系統也可以根據供熱的平衡調節需求獨立工作，不會影響凝汽器循環水系統的正常運行，2套獨立系統在均壓管內完成換熱過程。

如果出現危及汽輪機正常工作的特殊情況，可以通過關斷“凝汽器循環冷卻換熱系統”與“均壓管”的連接，恢復原配套的開式晾水冷卻循環系統運行，而熱網的供水系統可不受影響地獨立循環運行，也不會出現安全問題。全廠循環冷卻水供、回水均與供暖熱網系統通過電動閥門相連，2種不同運行工況可實現不停車切換運行。熱網換熱器凝結水經首站凝結泵送往除氧器。

汽輪機改為低真空運行循環水供熱后，熱用戶實際上成為熱電廠的冷卻裝置，汽輪機排放的余熱得到了有效利用，既避免了冷源損失，又提高了熱電廠的能源綜合利用效率和經濟效益，實現了能源的階梯利用。

2.2 工藝技術方案的比較

2.2.1 原供暖方案

目前，國內通常的供熱方法是采用蒸汽鍋爐，蒸汽鍋爐一般配套汽輪發電機，汽輪機采用抽汽式機組。該方案是由高品位主蒸汽發電后，利用汽機抽汽為熱源，抽取部分壓力為0.98 MPa，溫度為300℃的蒸汽，在首站加熱供熱介質水達到130℃時，經過一級管網至小區換熱站，再由換熱站送90℃熱水經二級管網至用戶，為熱用戶供熱。在汽輪機中還有50%以上的熱量通過汽機排汽在凝汽器中被循環冷卻水帶走，通過冷卻塔冷卻排入大氣，造成巨大的冷源損失。

供熱系統流程圖見圖1。

2.2.2 汽輪機低真空供熱方案

該方案是在汽輪機運行時將其排汽壓力從4～6 kPa提高到49 kPa，排汽溫度提高到70～80℃，把汽輪機凝汽器作為熱網回水加熱器，將熱網循環水加熱到65～75℃，采用低溫差大流量的運行方式，達到用熱網系統的循環水給熱用戶供暖的目的。汽輪機低真空供熱循環系統流程圖見圖2。

2.2.3 汽輪機低真空運行熱力系統需要進行的改造

低真空運行排汽溫度的升高和循環水壓力的變化必將對凝汽器的安全產生一定的影響，因此，對機組進行改造時，針對汽輪機低真空運行中可能遇到的情況，分別對低真空運行熱力系統進行了相應的改造。

（1）由圖2可知，機組的原有循環水系統不做大的改動，只是在凝汽器入口母管及出口母管上接入循環水供熱系統。循環水供熱系統包括凝汽器、熱網循環水泵、尖峰加熱器、采暖供水管道、熱用戶、采暖回水管道、除污器、補水管道和加藥系統。

（2）在采暖初寒期及末寒期，為避免改造后排汽溫度過高、排汽缸溫度不易控制以至影響機組安全運行和電負荷的弊端，在冷卻塔循環水進出口母管閥門增加了電動調節閥旁路，用來調節冷卻塔循環水進出水量。因現有循環水泵功率為450 kW，調節進出水量易造成憋壓，影響管道安全，需對水泵進行變頻改造。凝汽器排汽口加裝3組除鹽水自動噴水降溫裝置，以降低排汽溫度，確保機組安全性和電負荷不受影響，排汽缸溫度控制在75℃以下，避免機組振動。

（3）為防止循環水在凝汽器內沉積結垢影響傳熱效率，在循環水系統加裝加藥裝置，通過計量泵將除垢劑加入補充水管道中，使采暖循環水的pH值控制在8.0～9.0，可達到非常良好的防垢效果。

（4）由于采用低真空供熱，熱力系統循環水的溫度高，需改用工業水冷卻冷油器、空冷器和給水泵的軸承。同時，為了保證在循環水供熱時安全運行，使凝汽器內保持穩定的冷卻水壓，加裝管網補水泵，使用工業水作為補充水，而公司的工業水泵功率小，不能滿足需求，需要增加1臺變頻調速的工業水泵，采用變頻補水裝置，既節約電力消耗，又使補水壓力恒定，減少對熱網沖擊，確保整個系統安全經濟運行。

（5）因汽輪機排汽溫度高，凝結水水溫高，汽輪機汽封加熱器、射水池補水也需加一部分脫鹽水進行冷卻，需從脫鹽水母管各引一路冷卻水管道做為冷卻補充水。

（6）為防止冷凝器超壓，凝汽式汽輪機低真空運行后，凝汽器由原來的冷卻裝置變成了加熱裝置，熱媒體溫度和冷媒體溫度都有了一定程度的提高，同時，由于回水壓力提高，需對凝汽器管板進行強度校核。強度校核后，如不能滿足需要，需對管板進行加固處理。熱網循環水泵安裝在凝汽器出口管路側，使凝汽器不承受較高的壓力，凝汽器所承受的是0.2 MPa左右的采暖回水壓力，它和機組按額定工況運行時，凝汽器所承受的循環水泵出口壓力基本相同。在熱網回水母管上裝設安全閥，當回水壓力超過0.25 MPa時，安全閥打開，同時取自回水母管上的壓力信號自動啟動原循環水系統，熱網循環水系統自動關閉。

（7）2臺熱網循環水泵互為備用、相互連鎖，確保熱網正常循環。

（8）建立計算機監控系統，提高熱網經濟性和安全性。

a.根據熱網運行需要，監控系統必須實時監視熱源、熱力站運行參數和設備狀態，對熱網各關鍵點加以監控，保證整個熱網的平衡供熱。同時，還必須與熱源廠保持調度通訊，以便及時調整熱網的供熱參數。

b.本工程監控系統為集散型二級網絡系統，是一個以工業級計算機和通訊為基礎分散控制、集中管理的SCADA系統。在調度中心設監控中心SCC，監控整個熱網的參數，并由SCC服務器負責與熱源廠的通訊。在熱網中選擇重要熱力站關鍵點作為本地監控站LCM。通過通訊網絡將LCM聯入監控系統。監控系統由監控中心SCC、本地站LCM、遠程操作員站、通訊網絡和與監控控制有關的儀表等部分組成。

c.SCC與LCM雙向互動，通過共用信息交換平臺通信，使用中國移動的GPRS或中國聯通的CDMA無線數據傳輸業務。SCC與每個LCM間設一個GPRS或CDMA無線數據傳輸終端，這種通訊系統的安全性和可維護性很高，便于系統擴展。

2.2.4 熱負荷調節及運行參數的確定

熱負荷調節機組低真空循環水供熱運行時，熱負荷調節方式分為質調節、量調節和質量并調，調節方式的選擇應根據機組的運行情況、熱負荷的要求等具體情況確定。改造時，根據該機組的進汽量、抽汽量、電負荷以及采暖負荷較穩定的實際情況，在保證機組安全運行和供熱質量的前提下，采用了質調方式。一般情況下，熱網循環水通過冷凝器加熱后直接送入熱網循環；當需要較高的供熱水溫時，在保證機組安全的情況下，通過提高汽輪機電負荷來提高汽輪機排氣溫度，從而提高循環水溫度，若還不能達到供熱要求，則投入尖峰加熱器對循環水進行二次加熱，通過調節進入尖峰加熱器的蒸汽量來調節供水溫度，以滿足供熱負荷的要求；需要降溫時，通過調節排汽溫度的方式調節供水溫度。當熱網循環水達到一定溫度要求而保持不變時，排汽真空也保持不變，即通過冷卻塔循環水進出口旁路的自動調節閥來調節冷卻塔循環水的水量，實現對熱負荷的調節。此調節方式不但提高了機組熱化發電率，節省了燃料，確保機組安全運行，而且還因其流量保持不變，熱網水力工況穩定,實現了供熱調節自動化。

汽輪機低真空運行時，一方面減少了冷源損失，另一方面由于提高背壓運行，改變了汽輪機熱力工況，使汽輪機長期在變工況下運行，對汽輪機的功率、效率、推力等都產生影響。隨著真空的降低、功率下降、軸向推力增大、排汽溫度升高等，汽輪機輔機運行工況也會發生變化。

（1）低真空運行參數的選擇

從熱網運行的經濟性來看，供熱水溫越高越好，但是，如果汽輪機排汽溫度過高，不但使機組的發電出力降低，還可能導致凝汽器銅管膨脹過大而產生泄漏，以及排汽缸的后軸承溫度升高而引起機組振動等問題。因此，從機組安全性和熱網經濟性的角度考慮，排汽溫度應保持在一定的范圍內。綜合考慮低真空運行對機組的長期安全運行、發電功率的影響等因素，排汽溫度確定為70～75℃，對應的排汽壓力為 0.025～0.039 MPa。由于凝汽器傳熱性差，實際運行中冷凝器循環水的出口溫度為65℃左右，采用低溫大流量供暖方式可以滿足高新區供熱要求。

（2）低真空運行對汽缸膨脹的影響

低真空運行時，由于背壓提高，排汽溫度升高，汽缸膨脹量增大，從而改變了通流部分的動靜間隙。靜子以后缸中心為零點向前膨脹，轉子以推力軸承為零點向后伸長，但是由于溫度變化不大，動靜間隙的變化不會產生摩擦和振動。就現機組低真空運行情況來看，對汽缸膨脹影響不大。

（3）低真空運行對軸向推力的影響

當汽輪機的初參數不變，背壓升高后，機組的末幾級焓降變小，級的反動度要增加，機組軸向推力相應增大。但是，從目前機組運行情況看，軸向推力的增加仍然在機組推力軸承安全運行的范圍內，能保證安全運行。

2.2.5 汽輪機低真空供熱應用工程改造效果

汽車機低真空供熱工程改造前后的指標比較情況見表1。

3 熱電廠乏汽的綜合回收利用

該公司熱電分廠有大量的低壓、低溫乏汽，主要來自熱力除氧器的排放，定排、連排的疏水排放和疏水擴容器的排汽。

3.1 熱電分廠乏汽的形成

（1）鍋爐為保證爐水的蒸汽品質，用連續排污的方法排掉汽包蒸發面以下100～200 mm含鹽較多的爐水。用定排的方法排掉下集箱底的渣質及不合格的爐水，在爐內壓力很高的情況下排到爐外，常壓會產生大量的閃蒸汽，形成乏汽。

表1 汽輪機真空供熱工程改造前后指標比較

（2）為保證各種蒸汽管道不被水擊，需排掉一部分水和蒸汽，汽輪機為了能正常運行也排掉一部分蒸汽。另外，還有一部分疏水閥在長期開關情況下出現漏汽，這部分汽水混合物全部進入疏水擴容器，水進入疏水箱再被送回除氧器再利用，大量蒸汽則被排入大氣，形成乏汽。

（3）為了使進入鍋爐的水含氧量達到標準，不使鍋爐、蒸汽管道、汽輪機等設備被氧腐蝕，進入鍋爐前的給水必須進行除氧。如用熱力除氧器，為了排出水中氧分，把大量水蒸汽也排入大氣，產生了大量乏汽。

這些蒸汽含有大量的熱能和水，如果不進行回收利用，既浪費了能源，對環境也造成熱污染。在冬季，排汽凝結的水在地面結冰影響了操作人員的安全行走，存在安全隱患。有效地回收利用這部分乏汽，可以大大降低水處理軟水的用量，并可提高軟水溫度，節約大量燃料。

3.2 乏汽回收原理

由于乏汽的排放壓力太低，常規的噴霧和汽提方式效果不理想。該廠乏汽回收采用動態兩相流原理、文丘里管原理和微過冷度原理，通過用水處理來的低溫軟化水吸收鍋爐連定排疏水乏汽、疏水擴容器乏汽和除氧器乏汽，在乏汽吸收器內能達到常壓甚至微負壓，有利于乏汽的排出。同時形成的高溫水通過系統的汽蝕消除措施解決水泵輸送高溫低壓時的汽蝕問題。乏汽回收器包括吸收段和輸送段，吸收段由起膜室、乏汽吸收器、定壓快排裝置和安全閥等組成；輸送段由導流裝置、穩壓裝置、汽蝕消除裝置、除污裝置、集水容器和高壓水輸送泵等組成。通過上述特殊結構，使低溫水與乏汽充分接觸，低溫水吸收乏汽的汽化潛熱，使乏汽凝結成水進入集水容器，由高溫水泵自動送出。

在乏汽回收器內，乏汽與冷卻水相互快速而充分地混合，乏汽迅速將自身的熱量傳給冷卻水，乏汽的體積在瞬間縮小幾百倍，使回收器混合室內出現微負壓，這種狀況更有利于乏汽的產生和排放，因此也就不會產生“憋壓”的危險，保證了生產安全。

3.3 乏汽回收設備的優點

（1）乏汽迅速被吸收，乏汽回收器內能達到常壓，有利于乏汽的排出，不影響產生乏汽的生產工藝。

（2）特殊的內部結構保障乏汽吸收器不發生振動或哨叫。

（3）水泵輸送高溫水不發生汽蝕。

（4）乏汽產生的水和熱量被全部回收利用，并有安全措施，保證生產工藝萬無一失。

（5）消除熱污染，突出清潔文明生產。

3.4 乏汽回收工藝流程

系統回收工藝流程見圖3、圖4和圖5。

4 項目投資

（1）汽輪機低真空供暖項目投資

冷凝器加固：17萬元；凝汽器自動減溫裝置：20萬元；輔機冷卻水改造：30萬元；供熱管道：23萬元；計算機控制系統：40萬元；設備安裝費：20萬元；綜合取費：60萬元；總計投資：210萬元。

（2）乏汽回收投資

設備投資：34萬元；管道附件：13萬元；保溫材料：1萬元；安裝費用：2萬元；總計投資：50萬元。

總投資 210＋50＝260（萬元）

5 經濟效益和社會效益

汽輪機低真空供暖項目節約標煤24 337 tce，節水 23.58 萬t， 乏汽回收項目節約標煤 4 308.58 tce，節水 2.5 萬t；2 項共計節標煤 28 645.58 tce； 節水26.08 萬t。

標煤按當地煤價折合700元/t，水2元/t計，節煤效益 2 005.190 6萬元/a， 節水效益 52.16萬元/a，年可實現經濟效益1 797.35萬元。

本項目停用小鍋爐100多臺，減排二氧化碳1 200余噸，粉塵1 000余噸，氮氧化物800余噸，社會效益顯著。

6 結論

熱電廠汽輪機低真空運行循環水供熱充分利用了汽輪機的排汽余熱，實現了能源階梯利用；熱電廠乏汽的綜合回收利用，在不增加鍋爐的情況下，增加了熱電廠的供熱能力，降低了能源的消耗。

Comprehensive utilization of waste heat in thermoelectricity plant

HE Wu-sheng,LI Guo-rui,FAN Liang
(Hebei Shenghua Chemical Co.,Ltd.,Zhangjiakou 075000,China)

The operation principles of low vaccum heat supply and recycle equipment of waste steam in thermoelectricity plant were discussed.28 645 tons of standard coal and 26 080 tons of water were saved every year with the absorption and utilization of waste heat and steam.And the economic profits and social benefit were better.

cogeneration;energy saving and emission reduction;low vaccum heat supply;waste steam redycle;environment protection

TK11+5

B

1009－1785(2010)01－0033-05

2009－09－10