循環(huán)水采暖技術(shù)高效利用前景及展望

李強(qiáng)

（山東鋼鐵集團(tuán)萊蕪分公司能源動(dòng)力廠，山東萊蕪271126）

熱電

循環(huán)水采暖技術(shù)高效利用前景及展望

李強(qiáng)

（山東鋼鐵集團(tuán)萊蕪分公司能源動(dòng)力廠，山東萊蕪271126）

通過(guò)對(duì)循環(huán)水采暖系統(tǒng)的理論分析，結(jié)合對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的適應(yīng)性改造，滿足能源優(yōu)質(zhì)優(yōu)用及冬季供暖的需要，并分析了循環(huán)水供熱系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了改造措施建議。

循環(huán)水;采暖;凝汽器;能源利用

1 前言

萊鋼生活供暖小區(qū)目前主要是采用蒸汽換熱采暖的方式，部分相對(duì)偏遠(yuǎn)的小區(qū)仍然采用熱水鍋爐采暖。隨著近幾年采暖面積的增加及人們生活水平的不斷提高，能源供應(yīng)日趨緊張，目前的采暖方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足冬季采暖不斷增長(zhǎng)的需要。從能源充分利用的角度，應(yīng)從進(jìn)一步提高現(xiàn)有能源的利用效率著手，提高供暖質(zhì)量及滿足當(dāng)前供暖面積不斷增加的需要。采用汽輪機(jī)循環(huán)水采暖是解決這一問(wèn)題的理想選擇。

2 汽輪機(jī)循環(huán)水采暖的工作原理及意義

2.1 工作原理

將汽輪發(fā)電機(jī)組的凝汽器及循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)改造，提高機(jī)組的排汽壓力，即降低真空度運(yùn)行。使凝汽器汽側(cè)絕對(duì)壓力至0.038 MPa左右,排汽溫度達(dá)76℃，經(jīng)過(guò)換熱后使凝汽器的循環(huán)冷卻水出水溫度可升高至70℃，經(jīng)供熱管網(wǎng)循環(huán)水泵供熱用戶采暖，回水經(jīng)過(guò)過(guò)濾器再進(jìn)入凝汽器，進(jìn)行汽輪發(fā)電機(jī)組的循環(huán)冷卻。抽汽機(jī)組與循環(huán)水供熱系統(tǒng)的比較見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 裝有一級(jí)調(diào)節(jié)抽汽的機(jī)組

圖2 汽輪發(fā)電機(jī)循環(huán)水余熱采暖示意圖

2.2 意義

2.2.1 充分利用汽輪機(jī)乏汽中的熱量，來(lái)滿足冬季生活采暖的需要，同時(shí)提高了機(jī)組的循環(huán)熱效率。循環(huán)冷卻水吸收了乏汽的熱量，不通過(guò)冷水塔散向大氣而全部供熱用戶，避免了巨大的冷源損失，大幅度提高了機(jī)組的絕對(duì)熱效率。

2.2.2 實(shí)現(xiàn)了用較低品味的熱能，來(lái)滿足低品位的采暖需求，符合能源梯級(jí)利用的要求，提高了能源利用效率。循環(huán)水采暖替代了原來(lái)大量較高品位的0.8 MPa、270℃的工業(yè)抽汽，減少了因抽汽供熱用戶后凝結(jié)水無(wú)法回收的工質(zhì)損耗，節(jié)省的抽汽可用于增加發(fā)電負(fù)荷，提高了能源的充分利用。

2.2.3 在不增加熱源的條件下，可以大幅增加采暖面積，同時(shí)可以替代現(xiàn)有的采暖鍋爐，減少燃煤造成的環(huán)境污染，有較好的環(huán)保效益及社會(huì)效益。

2.2.4 提高了熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2.5 投資少，見(jiàn)效快。不需要大規(guī)模投資，只要對(duì)汽輪機(jī)循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行局部的改造，滿足安全運(yùn)行的需要，即可實(shí)現(xiàn)發(fā)電、供熱兩不誤的需要。

3 實(shí)施方案

3.1 提高汽輪機(jī)排氣壓力至0.038～0.045 MPa，使排氣溫度達(dá)到76～80℃，滿足加熱循環(huán)水的需要。

3.2 對(duì)汽輪機(jī)循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性改造，滿足汽輪機(jī)運(yùn)行工況改變后的安全運(yùn)行要求。

4 改造后帶來(lái)的主要問(wèn)題分析

4.1 由于真空度的降低，蒸汽在汽輪機(jī)葉片上的焓降減少，做功能力降低，使機(jī)組的發(fā)電能力減小，同時(shí)汽耗率增大。

4.2 由于機(jī)組偏離了設(shè)計(jì)工況，盡管調(diào)速汽門全開，仍將無(wú)法實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行。

4.3 由于后汽缸溫度升高，后汽封漏汽量將增大；軸向推力增大，動(dòng)靜間相對(duì)膨脹增大，機(jī)組振動(dòng)增大。

4.4 機(jī)組的末級(jí)葉片鼓風(fēng)損失將增大，機(jī)組相對(duì)內(nèi)效率降低。

4.5 凝汽器承受的壓力增大。

4.6 凝汽器外殼與銅管（或不銹鋼管）的相對(duì)膨脹差增大，可能會(huì)造成銅管端部脹口松動(dòng)，產(chǎn)生泄漏。

4.7 冷油器、空冷器的冷卻效果變差，出口油溫、風(fēng)溫會(huì)迅速升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成軸瓦燒毀，或發(fā)電機(jī)超溫?fù)p壞事故。

4.8 發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行受供熱系統(tǒng)的直接影響。電負(fù)荷的調(diào)整會(huì)對(duì)供熱溫度造成影響，同時(shí)供熱負(fù)荷的改變對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)反作用。

5 節(jié)能原理及分析

5.1 純凝機(jī)組系統(tǒng)與循環(huán)水余熱采暖系統(tǒng)的比較

圖3、圖4是某電廠熱電聯(lián)產(chǎn)與純凝發(fā)電系統(tǒng)的能流圖的比較。

圖3 純凝發(fā)電系統(tǒng)能流圖

圖4 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能流圖

由圖3、圖4兩種系統(tǒng)的能流圖可以看出，輸出相同的電能（均為35個(gè)單位），在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，總的損失僅為15個(gè)單位，需要輸入的燃料為100個(gè)單位，這樣總的能源利用效率為85%。在純凝發(fā)電系統(tǒng)中，輸出同樣多即35個(gè)單位的電能，由于存在著巨大的冷源損失，達(dá)65%之多，加上輸電電網(wǎng)損失，總損失量高達(dá)86個(gè)單位，因此需要輸入燃料121個(gè)單位，這樣能源利用效率僅為28.9%。因此熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能源利用效率遠(yuǎn)大于純凝機(jī)組的能源利用效率。

5.2 熱電聯(lián)產(chǎn)的特點(diǎn)

分析情況見(jiàn)圖5。

圖5 熱電聯(lián)產(chǎn)能量轉(zhuǎn)換特點(diǎn)

熱電聯(lián)產(chǎn)的特點(diǎn)，不僅表現(xiàn)為調(diào)整了熱能、電能之間的關(guān)系，使能量的質(zhì)量得以合理利用，還體現(xiàn)在由于熱能供應(yīng)方式的改變帶來(lái)能量數(shù)量利用方面的好處，做到了：按質(zhì)用能，綜合用能，合理用能，能盡其用。

5.3 循環(huán)水余熱采暖節(jié)能分析

在純凝式發(fā)電機(jī)組中，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，由于系統(tǒng)中不可避免地存在著大量的冷源損失，這部分熱能品位低，數(shù)量大，造成了純凝機(jī)組的熱效率較低。而在生活采暖中，恰恰需要大量低品位的熱能，若通過(guò)鍋爐燃燒，直接把燃料高品位的能量大幅貶值為低品位的能量使用，會(huì)造成能源的巨大浪費(fèi)，利用效率大幅降低。

熱電聯(lián)產(chǎn)過(guò)程中，蒸汽先在汽輪機(jī)中做完功，然后供熱，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為高參數(shù)、高品位的熱能用以發(fā)電，這與燃料在鍋爐中燃燒直接轉(zhuǎn)換為低參數(shù)、低品位的熱能相比，鍋爐中的換熱溫差ΔTb及相應(yīng)的火用損ΔEb減小，大大減小了能量轉(zhuǎn)換和利用過(guò)程中的不可逆性，降低了做功能力損失，燃料的化學(xué)能總量利用率提高。同時(shí)利用做功后的低品位的熱能對(duì)外供熱，避免了工質(zhì)的冷源損失，極大地提高了燃料的利用率，大大節(jié)約了能源，達(dá)到了“熱盡其用”的目的。熱電聯(lián)產(chǎn)的節(jié)約能源情況用圖6進(jìn)行說(shuō)明。

圖6 熱電聯(lián)產(chǎn)供熱循環(huán)系統(tǒng)的T-S圖

聯(lián)產(chǎn)汽流供熱循環(huán)的吸熱量、做功量和供熱量有如下關(guān)系：

吸熱量：q0=h0-hh’,

實(shí)際供熱循環(huán)做功量：

理想供熱循環(huán)對(duì)外供熱量：

實(shí)際供熱循環(huán)對(duì)外供熱量：

因此有：實(shí)際供熱循環(huán)的熱效率

即：供熱循環(huán)的理想供熱循環(huán)的熱效率ηth和實(shí)際供熱循環(huán)的熱效率ηih均為1，聯(lián)產(chǎn)汽流供熱循環(huán)理想放熱量qha和蒸汽做功的不可逆熱損失Δqh均用來(lái)對(duì)外供熱，完全沒(méi)有冷源損失，使系統(tǒng)熱耗率大幅降低，提高了熱電廠的經(jīng)濟(jì)性。

5.4 循環(huán)水采暖節(jié)煤條件

按照熱電聯(lián)產(chǎn)及分產(chǎn)的能量供應(yīng)相等的原則，可計(jì)算熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)煤量，即為分產(chǎn)總標(biāo)準(zhǔn)煤耗量Bds與聯(lián)產(chǎn)總標(biāo)準(zhǔn)煤耗量Btps之差。通過(guò)理論推導(dǎo)可知，熱電聯(lián)產(chǎn)節(jié)煤條件為供熱機(jī)組的熱化發(fā)電比X大于臨界熱化發(fā)電比[X],才能實(shí)現(xiàn)節(jié)煤，即實(shí)際的熱負(fù)荷越大，熱電廠發(fā)電節(jié)煤越多。

通過(guò)以上分析可知，循環(huán)水采暖實(shí)現(xiàn)了熱力系統(tǒng)的冷源損失全部進(jìn)行供熱，當(dāng)熱負(fù)荷高于臨界熱負(fù)荷時(shí)，才能保證熱電聯(lián)產(chǎn)（循環(huán)水供熱）系統(tǒng)有較高的熱效率。實(shí)際工作中，當(dāng)熱負(fù)荷較低時(shí)，只能通過(guò)使部分循環(huán)水進(jìn)入涼水塔系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，才能保證發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，這樣反而使高溫的循環(huán)水白白的對(duì)外放熱，增加了系統(tǒng)的熱量損失，造成系統(tǒng)運(yùn)行的效率下降。

6 循環(huán)水采暖的主要缺點(diǎn)

通過(guò)以上分析可知，利用循環(huán)水作為熱源進(jìn)行采暖，除了有節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)之外，還存在以下缺點(diǎn)。

6.1 當(dāng)熱負(fù)荷較低時(shí)，循環(huán)水采暖系統(tǒng)運(yùn)行的總熱效率是降低的，是不經(jīng)濟(jì)的；只有熱負(fù)荷高于臨界熱

負(fù)荷時(shí)，才能使整個(gè)循環(huán)有較高的熱效率。

6.2 發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行將受到供熱系統(tǒng)運(yùn)行情況的直接影響。冬季供暖工作中，為了保證供熱質(zhì)量，需采取“以熱定電“的運(yùn)行模式，這將對(duì)發(fā)電量的提升造成一定影響。

6.3 循環(huán)水采暖改造后，如果采用一次水直接供到熱用戶，由于供熱管網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜、龐大，傳熱介質(zhì)的泄漏率將比改造前大大增加，系統(tǒng)補(bǔ)水率將大幅增加。

6.4 采用一次水直接供到熱用戶，同時(shí)由于管網(wǎng)系統(tǒng)長(zhǎng)、污物、雜質(zhì)較多，容易造成凝汽器銅管堵塞，對(duì)

發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行造成影響。

7 循環(huán)水采暖改造的建議性措施

7.1 為了保證循環(huán)水系統(tǒng)有足夠的冷卻流量，需要在供熱管網(wǎng)中加裝定壓補(bǔ)水裝置，確保汽輪機(jī)凝汽器的正常冷卻。

7.2 為了保證冷油器、空冷器的正常運(yùn)行，需要對(duì)冷油器及空冷器的循環(huán)水系統(tǒng)單獨(dú)裝設(shè)循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。

7.3 對(duì)凝汽器系統(tǒng)進(jìn)行加固，或更換為強(qiáng)度更高的承壓鋼板，以滿足排氣壓力升高、循環(huán)水壓力升高后的設(shè)備承壓強(qiáng)度要求。

7.4 凝汽器循環(huán)水入口管道要加裝除污器，確保進(jìn)入凝汽器的循環(huán)水清潔無(wú)雜質(zhì)，保持設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

7.5 凝汽器真空降低后，及時(shí)修改低真空熱力保護(hù)定值，確保設(shè)備的信號(hào)保護(hù)系統(tǒng)有效、可靠。

8 循環(huán)水采暖工程的實(shí)施及展望

目前整個(gè)萊鋼總的供暖面積接近400萬(wàn)m2，今年起將從西區(qū)換熱站開始逐步實(shí)施改造。在提高能源利用效率、不需要大量增加熱源的條件下，可以大幅增加供熱面積，改善供熱質(zhì)量。目前還有部分生活小區(qū)如運(yùn)輸部、永興園等仍然使用鍋爐直接供熱，下一步可以逐步進(jìn)行改造，甚至也可以給周邊的居民小區(qū)供熱，在增加熱負(fù)荷、提高循環(huán)水采暖效率的同時(shí)，可以通過(guò)征收采暖費(fèi)的方式，給公司增加豐厚的經(jīng)濟(jì)效益，在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益的同時(shí)，可以改善人們的生活質(zhì)量，具有較好的社會(huì)效益。在當(dāng)前循環(huán)水采暖技術(shù)更加成熟的條件下，發(fā)展循環(huán)水采暖，是當(dāng)前推進(jìn)節(jié)能減排、提高能源利用效率的重要手段，同時(shí)也為冬季采暖拓展了更為廣闊的新的發(fā)展空間。

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Prospect of High-efficiency Utilization of Circulating Water Heating Technology

Li Qiang
(The Power Plant of Laiwu Steel,Shandong Iron and Steel Group,Laiwu,Shandong 271126,China)

The circulating water heating system was theoretically analyzed.The steam turbine generating unit was modified to meet the demand of properly utilizing quality energy and the need of winter heating.Both the advantages and disadvantages of circulating water heating system were analyzed and proposals on transformation measures were put forward.

circulating water;heating;condenser;energy utilization

TK264.1

B

1006-6764（2015）03-0028-04

2014-11-13

李強(qiáng)（1978-），男，大學(xué)本科學(xué)歷，現(xiàn)從事汽輪機(jī)運(yùn)行、汽輪機(jī)檢修和車間技術(shù)管理工作。