拖動與采暖多用途動力供暖系統(tǒng)的綜合分析

徐則林，姜燕妮，殷培光，郝亞珍

（國電科學(xué)技術(shù)研究院，北京100081）

熱電聯(lián)產(chǎn)以高效、節(jié)能、環(huán)保、先進(jìn)的熱電機組替代落后、污染物排放量大、分散供熱的小鍋爐，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，是一種有效的能源梯級利用方法［1-5］.熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱是目前我國城市主要的供暖方式.當(dāng)前熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供熱汽源一般采用中壓缸排汽，壓力為0.3～0.5 MPa，溫度為235～265℃；由亞臨界以上參數(shù)的純凝機組改為供熱機組的汽源壓力一般為0.7～1.1 MPa，溫度達(dá)到340～360 ℃.而在實際供暖過程中，較溫暖地區(qū)所需的供水溫度一般低于80℃，寒冷地區(qū)所需的供水溫度為100 ℃左右，地暖方式（仍由城市管網(wǎng)供熱的地埋管形式，并非取于地下熱）所需供水溫度一般為40～60 ℃.無論是熱電聯(lián)產(chǎn)供熱機組還是純凝機組改造為供熱機組，供汽溫度都高于熱水溫度120～200K以上，地暖方式的溫差達(dá)到180～300K，這樣大的傳熱溫差會造成蒸汽可用能的巨大浪費［6-9］.平均1 kg蒸汽有500kJ以上可用能以熱能形式傳給熱網(wǎng)系統(tǒng)，雖然供熱系統(tǒng)熱效率很高，但 損失大、 效率低，由此可以看出傳統(tǒng)的供熱技術(shù)只是進(jìn)行初淺的熱能分級，只注重傳遞熱能數(shù)量的多少，不注重傳遞熱能的品質(zhì).因此，筆者基于熱力學(xué)第二定律原理，以 效率方法評價供熱系統(tǒng)的優(yōu)劣，提出拖動與采暖多用途動力供暖技術(shù)，在保證原有供熱質(zhì)量的前提下實現(xiàn)蒸汽可用能最大限度地轉(zhuǎn)換為動力能，提高供熱系統(tǒng)的 效率.

1 拖動與采暖多用途抽汽背壓式小汽輪機供熱技術(shù)

目前，國內(nèi)高參數(shù)、大容量純凝發(fā)電機組布點多，裝機容量相對過剩，機組負(fù)荷率低，由于地方供熱需求逐年遞增，因此純凝發(fā)電機組通過改造實現(xiàn)供熱是節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的客觀要求.但大機組供熱改造存在機組容量和參數(shù)與供熱需求總量不匹配的問題.為解決這一問題，筆者提出一種拖動與采暖多用途動力供暖系統(tǒng).該系統(tǒng)適用于機組容量大、供熱量相對較小的地區(qū)，利用該系統(tǒng)與輔機汽動和回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，不但在供暖期能為風(fēng)機和水泵等提供驅(qū)動動力，完成供熱任務(wù)，而且在非供暖期能夠利用小汽輪機排汽余熱加熱機組凝結(jié)水以提高整個系統(tǒng)的回?zé)嵝Ч?

圖1 為拖動與采暖多用途動力供暖系統(tǒng)示意圖.抽汽背壓式小汽輪機驅(qū)動動力設(shè)備7，小汽輪機設(shè)有一個抽汽口3和一個排汽口2.入口蒸汽1來自主汽輪機的中壓缸排汽，在小汽輪機中把蒸汽可用能轉(zhuǎn)換為動力能后經(jīng)2排出，再進(jìn)入低溫?zé)嵩醇訜崞?加熱熱網(wǎng)循環(huán)水.小汽輪機抽汽3連接高溫?zé)嵩醇訜崞?，再次提高熱網(wǎng)循環(huán)水溫度.低溫?zé)嵩醇訜崞髦蛔鳛榛镜臒峋W(wǎng)加熱設(shè)備，用來回收小汽輪機的余熱，不具有調(diào)節(jié)熱網(wǎng)負(fù)荷的作用；高溫?zé)嵩醇訜崞髟谛∑啓C滿足功率調(diào)節(jié)的條件下只進(jìn)行微量的熱網(wǎng)水溫度調(diào)節(jié).整個熱網(wǎng)的供水溫度由其他熱源8進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器完成調(diào)節(jié)加熱作用.

圖1 拖動與采暖多用途動力供暖系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the heating system with dragging and heating cogeneration

2 中壓缸排汽供暖系統(tǒng)的熱力學(xué)分析

2.1 供暖期系統(tǒng)的熱力學(xué)分析

圖2為傳統(tǒng)純凝機組改造為供熱機組的熱網(wǎng)系統(tǒng)示意圖，熱網(wǎng)加熱器汽源來自中壓缸排汽1，換熱后疏水從2流出，3為熱網(wǎng)循環(huán)水回水，4為熱網(wǎng)循環(huán)水供水.其中，TH1為熱源流體進(jìn)口溫度，TH2為熱源流體疏水溫度，TC3為冷源流體進(jìn)口溫度（即熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度），TC4為冷源流體出口溫度（即熱網(wǎng)循環(huán)水供水溫度）.

圖2 純凝機組改造為供熱機組示意圖Fig.2 Schematic diagram of the heating unit retrofitted from condensing unit

對于穩(wěn)流系統(tǒng)，若不計動能與位能的變化，并且取系統(tǒng)與環(huán)境組成孤立系統(tǒng)，則蒸汽在熱網(wǎng)加熱器中的單位質(zhì)量付出 為

冷流體在加熱過程中的單位質(zhì)量獲得 為

式中：h1、h2分別為蒸汽進(jìn)、出口的焓；s1、s2分別為蒸汽進(jìn)、出口的熵；h3、h4分別為冷流體進(jìn)、出口的焓；s3、s4分別為冷流體進(jìn)、出口的熵；T0為環(huán)境溫度（根據(jù)汽輪機膨脹極限背壓為3kPa時的飽和溫度確定），取24 ℃.

單位質(zhì)量蒸汽在加熱過程中，與之相對應(yīng)的冷源流體獲得的平均收益 為

式中：qm，水為循環(huán)水的質(zhì)量流量；qm，汽為供熱蒸汽的質(zhì)量流量.

熱交換器的平均 效率η為

式中：TH、TC分別為熱流體和冷流體的定性溫度.

可根據(jù)上式計算平均換熱溫差.

表1給出了傳統(tǒng)純凝超臨界機組改造為供熱機組時可選擇的參數(shù).供熱汽源來自主汽輪機的中壓缸排汽，壓力為1.028 MPa，溫度為359.8 ℃，熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度TC3為41.55 ℃，冷源平均吸熱溫度為47.37 ℃，傳熱溫差達(dá)到212.47K.在此條件下，1kg蒸汽在熱網(wǎng)加熱器中的付出 很大，達(dá)到888.66kJ／kg，熱網(wǎng)加熱器的平均 效率很低，為20.27%.因此，在實際工程應(yīng)用中，在不降低供熱質(zhì)量的前提下應(yīng)盡量減小傳熱溫差，這對減少 損失尤其重要.

圖3為應(yīng)用新技術(shù)改造后的拖動與采暖多用途動力供暖系統(tǒng)熱網(wǎng)示意圖.在供熱初、末期所需的供水溫度較低，關(guān)閉閥門1，只需小汽輪機排汽2 加熱，供出熱水.在供熱高峰期，僅用小汽輪機排汽2提供的熱量不能達(dá)到供熱要求，還需要小汽輪機的抽汽3作為高溫?zé)嵩矗?jīng)過高溫?zé)嵩醇訜崞鲹Q熱后供出熱水（作微量調(diào)節(jié)），以達(dá)到供熱所需的水溫.

表2為采用拖動與采暖多用途動力供暖技術(shù)的機組在100%負(fù)荷下的參數(shù).熱網(wǎng)回水先經(jīng)過低溫?zé)嵩醇訜崞黝A(yù)熱到52.74 ℃，再經(jīng)過串聯(lián)的高溫?zé)嵩醇訜崞鲗⑺疁靥岣叩?8.25 ℃后供出，達(dá)到居民的供暖標(biāo)準(zhǔn).熱網(wǎng)的熱負(fù)荷由其他熱源調(diào)節(jié).經(jīng)計算，蒸汽在拖動與采暖多用途動力供暖系統(tǒng)的高溫?zé)嵩醇訜崞髦械膯挝毁|(zhì)量付出 Δe′H為444.99 kJ／kg，高溫?zé)嵩醇訜崞鞯钠骄?效率η′為52.31%.蒸汽在低溫?zé)嵩醇訜崞髦械膯挝毁|(zhì)量付出 Δe″H為218.88kJ／kg，低溫?zé)嵩醇訜崞鞯钠骄?效率η″為71.89%.而汽輪機中壓缸排汽為供熱系統(tǒng)的熱源，加熱過程中熱源的 為888.66kJ／kg，平均 效率只有20.27%.目前普遍采用的地暖系統(tǒng)所需的單位面積供熱量與傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)相當(dāng)，但所需供熱介質(zhì)（熱水）的溫度較低，所以整個供暖期90%以上的時間完全由低溫?zé)嵩醇訜崞骷訜幔筛邷責(zé)嵩醇訜崞骷訜岬臅r間占10%左右.從上述計算分析可知，拖動與采暖多用途動力供暖系統(tǒng)在供暖期供熱汽源的平均壓力降到0.019 MPa，比汽輪機中壓缸排汽供熱汽源壓力降低了1.009 MPa；供暖期供熱汽源的平均溫度下降到54.42 ℃，比汽輪機中壓缸排汽供熱汽源溫度降低了205.42K，供熱汽源溫度與被加熱的熱網(wǎng)循環(huán)水的傳熱溫差為4.62K，汽輪機的排、抽汽供熱汽源的蒸汽溫度與被加熱的熱網(wǎng)循環(huán)水的傳熱溫差為212.47K.在2種供熱技術(shù)下完成同樣的供熱任務(wù)并達(dá)到同樣的供熱質(zhì)量時，拖動與采暖多用途動力供暖系統(tǒng)中供熱汽源的單位質(zhì)量付出 比傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)減少了661.69kJ／kg，平均 效率大幅度提高，節(jié)能效果顯著.

表1 純凝機組改造為供熱機組時的可選參數(shù)Tab.1 Selectable parameters for retrofit from condensing unit into heating system

圖3 改造后的拖動與采暖多用途動力供暖系統(tǒng)熱網(wǎng)示意圖Fig.3 Heating network of the system with dragging and heating cogeneration

表2 采用拖動與采暖多用途動力供暖技術(shù)的機組在100%負(fù)荷下的熱網(wǎng)參數(shù)Tab.2 Heating network parameters of the system with dragging and heating cogeneration at 100%unit load

2.2 非供暖期系統(tǒng)的熱力學(xué)分析

圖4為非供暖期汽動引風(fēng)機示意圖.圖4（a）為傳統(tǒng)的汽動引風(fēng)機改造示意圖，汽動引風(fēng)機采用凝汽式小汽輪機，小汽輪機凝結(jié)水經(jīng)凝結(jié)水泵打入主凝汽器.此改造一般沒有節(jié)能意義，但可以增加發(fā)電機組的上網(wǎng)電量.

圖4 非供暖期的熱力系統(tǒng)圖Fig.4 Schematic diagram of the system in non-heating period

表3給出了引風(fēng)機電動與汽動（純凝方式）時的參數(shù).由表3可知，如果引風(fēng)機汽動方式為純凝式小汽輪機，由于小汽輪機缸效率比主汽輪機低壓缸效率低，即使整個能量轉(zhuǎn)換過程中減少了發(fā)電機損失和電動機損失，汽動方式下系統(tǒng)最終的平均 效率還是比電動方式下降低了2%以上，所以純凝的引風(fēng)機汽動方式并不節(jié)能，只是減少了廠用電量，增加了上網(wǎng)電量，在煤價低的情況下對發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有微量的提高.

表3 引風(fēng)機電動和汽動（純凝方式）時的參數(shù)Tab.3 Parameters of induced draft fan respectively under power-driven and steam-driven mode %

圖4（b）為引風(fēng)機拖動與采暖多用途動力供暖系統(tǒng)示意圖.引風(fēng)機采用抽汽背壓式小汽輪機驅(qū)動，該系統(tǒng)將引風(fēng)機汽動與機組的回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)一步結(jié)合，在冬季供暖期，小汽輪機在拖動引風(fēng)機的同時，其抽汽、排汽分別作為供暖系統(tǒng)的高、低溫?zé)嵩?此處主要敘述在非供暖期，小汽輪機排汽回?zé)徇M(jìn)入凝結(jié)水系統(tǒng)的節(jié)能機理.以目前我國主要投入運行的600 MW 超臨界純凝機組為例，根據(jù)主汽輪機的凝結(jié)水溫度和小汽輪機排汽質(zhì)量流量，可優(yōu)化小汽輪機背壓為14～20kPa.此時雖然小汽輪機的缸效率比主汽輪機低壓缸效率低，但小汽輪機排汽背壓遠(yuǎn)低于主汽輪機最末一段抽汽（第8段抽汽）的壓力，即小汽輪機排汽焓比第8段抽汽的排汽焓低，比主汽輪機的排汽焓高，小汽輪機背壓介于第8段抽汽壓力和主汽輪機背壓之間，所以小汽輪機的排汽余熱可以回收到凝結(jié)水中，相當(dāng)于增加了一級回?zé)幔o主汽輪機凝結(jié)水預(yù)熱，使低壓加熱器的入口凝結(jié)水溫度升高，相應(yīng)第8段抽汽質(zhì)量流量減少，對應(yīng)的低壓加熱器傳熱熱流密度減小，端差降低（理論計算和實驗都已證明），由于蒸汽回?zé)岬膮?shù)更低，使得低壓回?zé)嵴羝目偭吭黾?%左右，提高了整個系統(tǒng)的回?zé)嵝Ч箼C組相對熱耗下降.

3 工程應(yīng)用及分析

2012年底采用該技術(shù)對國電滎陽電廠1 號機組完成了引風(fēng)機汽動回?zé)幔岣脑旃こ蹋捎猛蟿优c采暖多用途抽汽背壓式小汽輪機來拖動引風(fēng)機，實現(xiàn)了小汽輪機的排汽余熱冬季用于供熱、夏季加熱凝結(jié)水的目標(biāo)，達(dá)到蒸汽熱能深度梯級利用、純凝機組低壓回?zé)嵴羝偭吭黾蛹跋鄬岷南陆档哪康?表4為600 MW 額定負(fù)荷下，純凝機組在非供暖期引風(fēng)機汽動回?zé)嵯到y(tǒng)下機組的性能指標(biāo).

由表4可以看出，引風(fēng)機汽動回?zé)嵯到y(tǒng)下機組的綜合供電煤耗下降1.05g／（kW·h），低壓回?zé)嵴羝偭吭黾?.86t，小汽輪機余熱蒸汽 比第8段抽汽 低69.05kJ／kg，機組相對熱耗下降16.82 kJ／（kW·h），小汽輪機由于背壓較高、排汽干度大，在科學(xué)的容量選型條件下，運行效率達(dá)到86%，比一般的汽動純凝機組改造前的效率高4%～5%，本次改造的運行結(jié)果表明，在非供暖期應(yīng)用汽動回?zé)峒夹g(shù)比電動變頻技術(shù)節(jié)能.

在供暖期，與主汽輪機中壓缸排汽供熱相比，采用拖動與采暖多用途動力供暖技術(shù)時供熱汽源單位質(zhì)量付出 減小了661.69kJ／kg，可供出余熱蒸汽量58.45t，在完成供暖的同時多轉(zhuǎn)換有用功9 231 kW，相當(dāng)于供電煤耗下降4.54g／（kW·h），供暖期節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤5 446t，非供暖期節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2 325 t，年減少CO2排放量2.02×104t以上.

表4 引風(fēng)機汽動回?zé)嵯到y(tǒng)下機組的性能指標(biāo)Tab.4 Performance parameters of the induced draft fan after retrofit

此技術(shù)特別適用于我國中部地區(qū)（如山東、河南、陜西、河北南部等）純凝發(fā)電機組的供熱改造.因為這些地域中，有的地區(qū)冬季供暖溫度不高，供熱規(guī)模相對不大，有的地區(qū)通常不供暖，這些地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模較大、發(fā)電廠較多，但熱電廠相對較少，城鎮(zhèn)的純凝發(fā)電機組較多.此外，這些地區(qū)的發(fā)電機組裝機容量相對過剩，如果增加熱電聯(lián)產(chǎn)機組，一方面會增加環(huán)保壓力，另一方面會影響在役機組發(fā)揮作用，所以應(yīng)盡量利用地處城鎮(zhèn)的純凝發(fā)電機組，將其改造為供熱機組來滿足人民生活和生產(chǎn)需求.本改造工程解決了機組容量大而供熱規(guī)模小、可選供熱參數(shù)高及 損失大的問題，為深度節(jié)能找到了科學(xué)的技術(shù)方法.

4 結(jié) 論

拖動與采暖多用途動力供暖系統(tǒng)在采暖期為風(fēng)機和水泵等提供驅(qū)動動力，完成供熱任務(wù)，在非供暖期利用排汽余熱加熱機組凝結(jié)水以提高整個系統(tǒng)的回?zé)嵝Ч鉀Q了以前小汽輪機改造只能應(yīng)用于持續(xù)的工業(yè)供熱而不能應(yīng)用于居民供暖的問題.此系統(tǒng)與傳統(tǒng)供熱方式相比，在供暖期供熱汽源的溫度大幅下降，熱源加熱器的換熱溫差減小，損失降低，平均 效率大幅提高.在非供暖期，機組的低壓回?zé)嵴羝偭吭黾樱瑱C組相對熱耗下降，供電煤耗下降，廠用電率大幅下降，節(jié)能減排效果顯著.

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