1號機組低真空供熱改造分析

徐在亮，丁瑞平，姜世春

(青島后海熱電有限公司膠南市供熱辦公室，山東青島266400)

0 引言

青島后海熱電有限公司現有3臺130 t/h次高壓蒸汽鍋爐、1臺170 t/h次高壓蒸汽鍋爐，1臺24 MW抽凝發電機組和1臺12 MW背壓發電機組。投產以來已替代小鍋爐42臺(鍋爐容量413.6 t/h)，主要承擔李滄城區供熱任務。供熱區域規劃總供暖面積達1 700萬m2。對鳳凰印染廠、青島橡膠六廠、青島啤酒集團四啤有限公司等15家單位實行了集中供蒸汽。生產蒸汽負荷80 t/h左右。對李村和滄口地區近600萬m2的建筑物實行了集中供暖。

凝汽式電廠的熱效率只能達到30%～40%，其它熱量白白損失掉了，而其中最大的損失就是凝汽器的冷源損失，約占總損失的60%。為提高能源利用率，降低小型汽輪機組的冷源損失，冬季供暖期可以將汽輪機組的冷源損失加以利用，即循環水所攜帶的熱量不是被排入大氣，而是被作為傳熱工質將其攜帶的熱量輸送到千家萬戶，供采暖用戶取暖之用。這樣運行對電廠而言，既節能、又經濟，還環保。我國從20世紀80年代起就開始利用該技術改造中低壓機組，已有數百臺凝汽(抽凝)式機組進行了改造。

面對我國日益嚴峻的能源和環境問題，如何提高我國量大面廣的中小熱電企業的能源利用效率和降低環境污染，已成為當前熱電行業亟待解決的關鍵問題之一。汽輪機低真空循環水供熱其基本原理是降低凝汽器的真空，提高汽輪機的排汽溫度，將凝汽器的循環水直接為熱用戶供熱。提高熱電企業的運行熱效率，是實現節能減排戰略目標的重要舉措。

1 項目改造內容及工藝

項目主要采用1號機組低真空運行循環水供熱的供暖方式，改變原僅采用0.98 MPa的蒸汽經過換熱器換熱的供暖方式，利用凝汽器的乏汽對采暖用戶供熱。主要改造內容如下：

1.1 供熱首站建設

在電廠內建設1號機組低真空運行循環水供熱首站。通過改造將1號機組凝汽器直接作為加熱采暖回水的設備，并建設與之配套的換熱器。其中2臺供熱循環泵采用汽輪機拖動。

1.2 管網建設

建設循環水高溫水供熱管網(一次網)。根據循環水高溫混水供熱方式，改造現有的蒸汽管網和熱水管網，并敷設新增的熱水管網，管網采用閉式雙管制支狀管網，主干線最大管徑為DN1000。

1.3 換熱子站建設

建設循環水高溫混水供熱混水子站，子站內低溫網(二次網)循環泵電機采用交流變頻調速技術。

1.4 供熱監控系統

建設機組低真空運行循環水高溫混水供熱控制系統。

1.5 主要工藝

項目實施改造后，在供暖期內汽輪機的抽汽分為兩部分，一部分用于工業用戶和循環水供熱首站用汽。在非供暖期，汽輪發電機組的運行方式和未改造前相同。

項目實施前1號抽凝式機組做完功后產生的乏汽在凝汽器內與循環水進行熱交換后，循環水吸收的熱量通過冷卻塔散失在空氣中，大量乏汽余熱被浪費，存在較大的冷源損失。

項目首先將45℃～50℃采暖熱網回水經過1號汽輪機凝汽器使其加熱到60℃～65℃左右，然后利用熱網泵加壓，經過換熱器溫度升高到70℃～120℃(根據室外溫度進行調整)，通過高溫供熱管網輸送到各熱力站。在熱力站內設置了混水泵，用混水泵抽二次網的部分回水，與高溫循環水混合成采暖所需的溫度后輸送到用戶，另外一部分回水回到凝汽器內加熱，形成一個循環。

因為二次網換熱站采用混水工藝，高溫水網(一次網)的回水溫度與低溫水網(二次網)的回水溫度相同，確保了機組凝汽器安全經濟運行。

2 項目改造方案

汽輪機低真空循環水供熱是在節能和環保要求而發展起來的一項節能技術。其基本原理是在發電過程中，凝汽器真空度降低，相應的排汽壓力和排汽溫度隨之升高，可將凝汽器循環水溫度提高到50℃～65℃左右。將循環水直接作為采暖用水為熱用戶供熱，從而實現汽輪機低真空循環水供暖的目的。圖1為汽輪機低真空循環水供暖的簡單的系統圖。圖2為凝汽運行和低真空運行時的溫熵圖。其效益可從圖中看得更為清楚。

圖1 汽車機低真空循環水供暖系統示意圖

由圖1可以看出，汽輪機改為低真空供熱后，熱用戶實際上就成為熱電廠的“冷卻塔”，汽輪機的排汽余熱可以得到有效利用，避免了冷源損失，大大提高了熱電廠能源的綜合利用率。

圖2 凝汽運行和低真空運行時的溫熵圖

如圖2所示，汽輪機在純凝汽式發電時，面積1-2-3-5-6-1為蒸汽在汽輪機中做功的焓，面積2-7-9-3-2-為排出廢汽的焓;改造為低真空循環水供熱后，面積1-2b-3b-5-6-1為蒸汽做功的焓，面積2b-7-8-3b-2b為用于供暖的熱量。顯然，汽輪機低真空循環水供暖的經濟效益比純凝汽發電時要高。該系統的優點是由于泛汽的余熱全部被利用，消除了凝汽器中損失的占總熱量損失的60%-70%的冷源損失，因此熱效率高。由于排汽壓力升高，初參數不變，則機組的焓降減小，致使汽輪機發電功率下降，一般功率下降為額定功率的10%～20%。但低真空運行供暖機組的排汽壓力僅為 0.03 MPa～0.04 MPa，處于真空狀態。比其他形式的抽汽供熱機組影響發電功率要少。從熱化發電來衡量，低真空運行循環水供熱發電量最大。

2.1 循環水供熱方案的確定

1號機組低真空運行循環水供熱方案采用循環水供熱高溫循環水混水供熱方案。高溫循環水混水供熱系統的原理同低溫循環水供熱系統類似。首先將40℃～50℃熱網回水經過抽汽凝汽機組的凝汽器(低真空運行)，使其加熱到55℃-65℃左右，然后用熱網泵加壓，經過汽水加熱器，溫度可升至80℃～120℃，然后輸送到各熱力站。在熱力站內設置了混水泵，用混水泵抽熱網的部分回水(40℃～50℃)，與高溫循環水混合成采暖所需要的溫度后輸送到用戶，另一部分回水回到凝汽器內加熱，形成一個循環。

該系統除保留了低溫循環水供熱系統的優點外，還增加了供回水溫差，最大可達75℃，增加了供回水溫差，最大可達75℃，增加了管網供熱能力達5倍左右，使得管網投資效益最大化。使供水溫度從常規的循環水供熱出口溫度65℃提高到最高可達到120℃。

在電廠內建設機組低真空運行循環水供熱網總站。建設與之配套的換熱器。其中2臺供熱循環泵采用汽力拖動。

由于凝汽器循環流量需保持在一定流量范圍(4 500～5 500 t/h)、低真空循環水供熱的供熱量要將凝汽器凝汽熱量帶走方可正常運行?，F青島后海熱電有限公司供暖面積為600萬m2，完全可滿足凝汽器循環水供熱系統冷卻凝汽熱量的需求。嚴寒期可通過換熱器加熱，提高供水溫度來滿足供暖需要。

2.2 熱力系統

低真空運行循環水供熱系統如下圖所示。

從上圖可知，機組的原有循環水系統不用做大的改動(非采暖工況運行)，只是在凝汽器入口管及出口管上接入循環水供熱系統。

循環水供暖系統包括熱網循環水泵、換熱器、供水管道、熱用戶、采暖回水管道、除污器、凝汽器，以及補水管道和軟化水系統。

供熱時將機組凝汽器原冷卻系統切斷，開啟供熱循環泵。在采暖用戶放熱冷卻后循環水(40℃～50℃)進入冷凝器，吸收汽輪機乏汽熱量，經換熱器加熱后送至采暖用戶。

熱網循環水泵出入口之間裝設了再循環管，作為啟動時再循環用。熱網循環水泵出入口之間裝設了止回閥聯通管路，以防止發生事故時產生水錘。

熱網循環水泵裝在凝汽器出口管側，使凝汽器不承受較高的壓力，凝汽器所承受的是0.5 MPa左右的回水壓力，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為0.2 MPa左右，對凝汽器進行了加固，使得能夠承受0.6兆帕的壓力。

為了進一步保證系統安全，防止凝汽器超壓，在循環水泵入口母管上裝設了安全閥，當回水壓力達到0.55 MPa時(可根據具體運行情況進行調整)安全閥排放，同時取自回水母管上的壓力信號自動開啟通往水塔的電動閥門，向水塔放泄。

系統采用補水定壓，定壓點為凝汽器入口循環水回水管道，系統補水量按供水量的2%考慮。

為了防止熱用戶暖氣片和凝汽器鋼管結垢，影響傳熱效果。補水采用換熱器凝結水和反滲透產水。

2.3 1號機組低真空運行循環水供熱網總站主要設備

(1)1號汽輪機凝汽器

C24-4.9/0.981型汽輪機凝汽器 (汽輪機組相關設計參數詳見表1)進行技改后，冬季供暖期間投入循環水供居民采暖，采暖期間，機組主要技術參數見表2。

表1 汽輪機組相關設計參數

表2 汽輪機組循環水供暖運行時主要技術參數

(2)尖峰加熱器

尖峰加熱器考慮凝汽器故障和嚴寒期供熱需求，換熱器換熱總供熱能力為250 MW。由于循環水溫度較低，汽水換熱器凝結水溫度較低，采用一級換熱，換熱器共設置三臺波節管換熱器，可根據供熱負荷發展情況分期設置。其中兩臺為汽-水換熱波節管換熱器，利用汽輪機抽汽進行換熱;另一臺汽-水換熱波節管換熱器利用拖動循環水泵的汽輪機尾汽進行換熱。

(3)水泵及動力設備

考慮凝汽器運行工況，系統設計循環流量為5 000 m3/h，根據水泵參數，并聯設置三臺循環水泵，兩運一備。互相聯鎖，保證熱網正常運行。

①循環水泵選型

根據循環水泵要求達到的流量、揚程。項目單級雙吸中開蝸殼式水泵三臺，流量2 400t/h，揚程140 m，轉速 3 000轉/分鐘，額定軸功率1 400 kW。其中兩臺水泵采用汽輪機拖動，一臺采用電機拖動。循環水供熱時可根據供熱負荷采用一臺電泵、一臺汽泵運行，一臺汽泵備用，或兩臺汽泵運行，一臺電泵備用，汽泵排汽引入換熱器換熱。

②汽輪機選型

本項目選用了兩臺1 600 kW工業汽輪機直接拖動兩臺循環水泵作為循環動力。汽輪機采用單層布置，占地小，安裝使用方便。汽輪機的排汽(背壓蒸汽)經管道引向換熱器加熱熱網回水，使得余熱得到充分利用。該機組的調速系統由汽輪機廠家配套，通過調節汽輪機汽閥連桿改變調節汽閥開度以達到調速目的，適合較寬的調速范圍。

設計參數：

進口蒸汽壓力0.98 MPa，溫度270℃，出口壓力 0.15 MPa。

額定轉速 v=3 000 r/min，額定功率 P=1 600 kW。

額定參數下耗汽量≈30 t/h。

③補水定壓泵

機組地面標高約為5 m，根據后海熱電供熱管網設計，供熱范圍內地勢最高的樓座地面標高約為55 m。

由于本項目中循環水網直接供采暖用戶，循環水量較大。因此本項目補水泵采用三臺泵并聯運行，流量為150 t/h，變頻控制。

④除污器

為便于連續排污，除污器根據管徑大小選擇DN1000過濾排污器，根據除污器前后壓差，排污。除污器公稱壓力1.6 MPa，能除去大于或等于3.0 mm的微粒。濾網材質為不銹鋼帶有龍骨加強。除污器前后裝有檢查堵塞情況的壓力表，裝有沖泄閥。

3 建設循環水高溫混水供熱管網

3.1 管網形式

根據《城市熱力網設計規范》CJJ34-2002，確定循環水高溫混水供熱管網采用閉式雙管制支狀管網。

3.2 管網及敷設方式

主管道(DN1000)，穿越鐵路至四流中路，循環水高溫混水供熱管網原則上對直管段采用無補償冷安裝直埋敷設，以提高施工方便程度，減少管網投資，加快施工進度;對彎頭、三通等薄弱部件采用局部的有補償方法，以避免破壞產生。當直管段達不到無補償冷安裝直埋敷設條件時，設置自然補償或采用直埋軸向內壓型波紋補償器作為熱補償。

3.3 井室設置

管道在分支處設分支井;每隔1 000-1 500 m設分段閥門井;在最高點設放氣井;在最低點設泄水井。

3.4 管材

管網工作壓力PN＜1.6 MPa，其管網設備及附件除指明外均采用耐壓1.6 MPa的產品，耐溫130℃。管道公稱直徑DN≥250管道采用螺旋縫電焊鋼管《GB30902-82》，材質為Q235-A鋼;管道公稱直徑DN≤200管道采用無縫鋼管《GB8163-87》，材質為20號鋼。

3.5 管道附件

分支閥、分段閥均采用多偏心金屬硬密封蝶閥，采用蝸輪傳動方式。管網上的泄水閥、放氣閥均采用截止閥。管道的彎頭(PN=1.6 MPa)、三通(PN=1.6 MPa)、變徑管采用均采用標準成品件，彎頭彎曲半徑一般為1.5DN，補償彎頭采用3.0DN，三通采用加強焊制三通。

4 建設循環水高溫混水供熱混水子站

混水泵站就是將來自熱網供水管的高溫水，在熱力站與混合水泵抽引的供暖系統回水相混合，降低溫度后，再進入供暖系統。原二次網及戶內采暖系統不須進行改造。換熱站改為混水站。一次網的回水溫度與二次網的回水溫度相同，保證機組凝汽器的進水溫度較低。

4.1 高溫混水供熱混水子站三種供熱方式

①二次網回水管上裝水泵的直接連接

當熱網供水壓力高于二次網設計壓力時，應將二次網循環泵放在二次網回水管;減壓閥、溫度控制閥放在一次網供水管，一次網循環泵放在一次網回水管。

②二次網供水管上裝水泵的直接連接

當熱網供水壓力低于二次網設計壓力時，應將二次網循環泵放在二次網供水管;減壓閥、溫度控制閥放在一次網回水管。

③跨越管上裝水泵的直接連接

當熱網供水壓力略大于二次網設計壓力時，應將二次網循環泵放在二次網供水管;差壓平衡閥、溫度控制閥放在一次網供水管。

混水具體型式根據一次網的壓力區域以及熱力站與主管道分支開口處的相對地勢高差來選擇。

4.2 循環水高溫混水子站二次網循環泵電機采用交流變頻調速技術

交流變頻調速已成為一種發展較為成熟的技術，作為電機系統節能的主要組成部分。交流變頻調速傳動具有以下特點：可以使普通異步電動機實現無級調速;啟動電流小，減少電源設備容量;啟動平滑，消除機械的沖擊力，保護機械設備;對電機具有保護功能，降低電機的維修費用，具有顯著的節電效果。

5 建設循環水高溫混水供熱監控系統

建設循環水高溫混水供熱監控系統，按室外溫度的變化自動調整二次網的供水溫度?？刂聘邷鼗焖W供水溫度和流量，實現供熱系統經濟運行和無人值守?？蓪崿F優化運行參數降低能源消耗、提高企業能源利用水平。

6 節約資源量

6.1 節能量

2011～2012 年供暖期凝汽器低真空運行循環水供熱量為737 591吉焦，折標煤25 167 t。

6.2 節水量

項目投運后，在供暖期1號汽輪機組的循環冷卻水系統停止運行，每小時節約冷卻塔蒸發、風吹、排污用水約90 m3/h，2011～2012年供暖期共節約水量約30萬m3。

7 結束語

低真空循環水高溫水網混水供暖系統，不僅利用汽輪機乏汽余熱供暖，同時有效的提高了供熱管網的供熱能力。該系統除保留了低溫循環水供熱系統的優點外，還使機組運行平穩，使得循環水供暖系統對系統發電供熱均無影響。增加了供回水溫差，最大可達75℃，使得常規低溫網的投資被有效利用，降低了運行費用。該項目實現機組低真空運行，循環水高溫網大流量、大溫差的運行方式，管網投資被有效利用，與低真空循環水低溫網供暖系統比較增加了管網供熱能力達5倍左右，使得管網投資效益最大化。

項目有效的將汽輪機乏汽余熱用于對外供暖，使得機組循環水所攜帶的熱量在供暖期不再白白排放到大氣中浪費掉，而是被作為傳熱工質將其攜帶的熱量輸送到千家萬戶，有效提高了能源的綜合利用效率，節約了不可再生的煤炭資源，符合我國節約能源政策的要求。

［1］ 康松.汽輪機原理，中國電力出版社.

［2］ 賀平，孫剛.供熱工程，中國建筑工業出版社.

［3］ 時杉杉，姜雪松，傅靈玲，等.地源熱泵空調控制系統的變頻改造［J］.森林工程，2008，24(6)：25-28.

［4］ 火力發電廠設計技術規程，DL5000-2000.

［5］ 企業節能量計算方法，(GB/T 13234—91).

［6］ 城市熱力網設計規范，(CJJ34—2002).