幾種鍋爐補給水處理系統原水加熱器運行方案的分析比較

童曉凡，潘燈

（浙江省電力設計院，杭州310012）

幾種鍋爐補給水處理系統原水加熱器運行方案的分析比較

童曉凡，潘燈

（浙江省電力設計院，杭州310012）

針對目前鍋爐補給水處理系統因原水溫度低，而利用高品質蒸汽加熱耗費能源的現象，提出利用發電廠循環冷卻水的余熱，加熱鍋爐補給水處理系統的原水。分析了4種原水加熱器系統運行方案，目的在于回收部分廢棄的熱量。通過技術和經濟性比較，給出采用熱水加熱器和蒸汽加熱器配合使用方案，達到節能減排，同時滿足各種運行工況需求，綜合經濟性能指標較高。

原水加熱器；循環冷卻水；余熱；吸收式熱泵

0 引言

目前發電廠鍋爐補給水處理系統大多采用“超濾+反滲透”的膜法處理工藝。反滲透裝置的產水量與原水溫度有關，因水溫低，其產水量下降，同時增加反滲透裝置的電耗，因此需要對進入鍋爐補給水處理系統的原水進行加熱。通常方法是設置蒸汽加熱器，利用從汽輪機引出的輔助蒸汽直接加熱，但這樣耗費了可以用來發電的高品質能源。而火力發電廠有約55%的熱量由凝汽器的循環冷卻水帶走，通過冷卻塔散發到大氣中[1]，造成循環冷卻水余熱浪費。

本文以西北某2×660 MW間接空冷機組為例，討論回收利用一部分廢棄的循環冷卻水余熱，來滿足鍋爐補給水處理系統原水加熱的要求，既能達到節能減排，又能獲得較好經濟性的技術方案。

1 鍋爐補給水處理系統的加熱方式

1.1 鍋爐補給水處理系統對進水水溫的要求

西北某2×660 MW間接空冷機組的鍋爐補給水處理系統采用了“超濾+反滲透+EDI”的全膜法工藝，反滲透膜對原水水溫要求較高，原水水溫主要影響反滲透膜的水通量、給水壓力和脫鹽率。在進水壓力不變的情況下，原水水溫每下降1℃，其產水量減少約2%～3%，原水水溫低于5℃時，系統將無法運行。在膜通量一定的前提下，水溫低將導致產水量較少，或需要更高的反滲透給水壓力維持低溫下的產水量，這樣容易導致反滲透膜被壓實。同樣，為了達到產水量，設計水溫越低，需要的膜數量就越多，鍋爐補給水處理系統的投資就越高。

但原水水溫也不宜超過40℃，因為膜脫鹽率隨著溫度升高而降低，水溫過高會達不到設計脫鹽率。此外，反滲透膜也會隨溫度升高而發生變形及性能改變。反滲透膜合適的運行水溫為20～25℃。

原水水溫對EDI裝置的運行壓力和產水電阻有影響。當溫度超過35℃時，EDI內的離子交換膜對離子的吸收率降低，導致離子泄漏，產水水水質變差。原水溫度降低時，水中離子的布朗運動減弱，系統壓力上升，同時離子透過膜的擴散能力和與樹脂的交換能力也均下降，最終導致產水水質達不到標準要求。為了達到產水量和水質的要求，在進水溫度低時需要提高EDI裝置的進水壓力和電解能力，以提高離子的遷移動力，這就增加了給水泵和EDI裝置的耗電量。EDI裝置的進水溫度可控制在10～35℃，最佳運行溫度為20～25℃。

1.2 原水換熱器的運行工況

發電廠位于西北寒冷地區，冬季原水溫度較低，需要加熱的時間較長，全膜法處理系統對溫度要求較高，設計考慮原水溫度控制在15～20℃。從運行安全角度考慮，選擇了2臺表面式加熱器。鍋爐補給水處理系統產水量為2×70 m3/h，經計算加熱器需要加熱的水量為2×125 m3/h。2臺加熱器的運行工況是1運1備，發電機組啟動等特殊工況時，要求2臺設備同時運行。

2 加熱方案的選擇

間接空冷發電廠可以利用的余熱有輔機循環冷卻水和間接循環冷卻水。

輔機循環冷卻水系統為2臺機組公用，布置在化水區域，循環水回水冬季溫度約10℃，此溫度較低，如果僅采用換熱器的形式，不使用熱泵，則只能把5℃的原水溫度加熱到8℃，不能達到鍋爐補給水處理系統的運行溫度，導致系統出力下降。

輔機循環冷卻水補水為水庫地表水和部分回收水，水庫地表水水質如表1所示。

從表1可以看出：水庫地表水硬度較高，再加上輔機循環冷卻水還要采用回收水，考慮到輔機循環冷卻水的濃縮倍率，預測輔機循環冷卻水回水的碳酸鹽硬度（CaCO3）約為300 mg/L，含鹽量約1 500 mg/L，水質較差，長期使用后，加熱器表面會發生結垢現象，影響加熱器的換熱效率和壽命。因此，輔機循環冷卻水的余熱不適合用于原水加熱器。

表1 水庫地表水水質

間接循環冷卻水系統為每臺機組1套，循環水管分別布置在2臺機組的兩側，間接循環冷卻水回水冬季溫度約15℃，水質為除鹽水。溫度較高且水質較好，設計考慮回收此部分余熱。其中1臺機組的回水管離化學車間很近，另外1臺機組的回水管距離化學車間約650 m。下面分析比較幾種可行的解決方案。

2.1 直接利用間接循環冷卻水加熱原水（方案一）

間接循環冷卻水可以把冬季鍋爐補給水的原水溫度從5℃加熱到12℃，與采用蒸汽加熱器相比，需要增加加熱器的換熱面積。溫度變化見圖1所示。

圖1 利用間接循環冷卻水加熱溫度變化

本方案設置了2臺換熱器，由于有2套間接循環冷卻水系統，而鍋爐補給水處理系統是2臺發電機組的公用系統，為了防止1臺機組停運，影響鍋爐補給水處理系統的運行，2臺加熱器熱源需要分別從2臺機組的間接循環冷卻水系統接取，并且分別回水，這樣將增加除鹽水管約1 300 m，其投資安裝費用約為350萬元。

當原水溫度加熱到12℃時，鍋爐補給水處理系統出力下降，為了保證每套系統出力達到70 t/h，系統將增加投資約130萬元，同時鍋爐補給水處理系統的廠用電率也增加。系統增加投資共計約480萬元。

機組初期啟動時，鍋爐補給水處理系統需先投運。如果發電機組在冬季初次啟動，可能會發生因間接循環冷卻水未投運導致加熱器不能運行的現象，影響鍋爐補給水處理系統運行。因此第一臺機組如果在冬季啟動，需要臨時的加熱熱源，如果機組在啟動時已有采暖，可臨時利用采暖用氣在加熱器中與原水換熱，但此汽源不具有保證性；若車間未實現采暖，也可利用來自啟動鍋爐的蒸汽作為加熱器熱源，即2臺加熱器中，其中1臺可以用蒸汽加熱以滿足機組啟動要求。

2.2 直接利用蒸汽加熱器加熱原水（方案二）

設置蒸汽加熱器加熱原水，是目前鍋爐補給水處理系統最常用的原水加熱方案。該方案耗費蒸汽，可以通過加熱器出水溫度控制蒸汽用量，經計算，將1套125 t/h的原水加熱到20℃，需要消耗約4.5 t/h的蒸汽。冬季時間越長，原水需要加熱的時間也越長，因此能量的消耗也就越大。如果機組在冬季初啟動，可以利用啟動鍋爐的蒸汽與加熱器換熱。

2.3 利用熱泵和蒸汽加熱器換熱原水（方案三）

2.3.1 吸收式熱泵

熱泵是一種以消耗部分高位能源作為補償條件，把低溫熱源中的低位熱能轉化成高位熱能的節能裝置[2]。吸收式熱泵通過蒸汽驅動，將循環冷卻水（10～40℃）中的余熱搬運到溫度更高的熱源水中，再利用加熱器換熱。循環冷卻水經過機組釋放熱量至熱泵，熱泵將水質提高至供暖水品質，從而提高了能源的品質和利用效率。

吸收式熱泵遵循熱力學第一定律（能量守恒定律）、熱力學第二定律（熱量由低溫搬運到高溫不會自發進行，必須消耗其他能量），在工作狀態下需要輸入一定量的蒸汽。

以蒸汽型熱泵為例，吸收式熱泵原理即在化水車間設置蒸汽型雙效吸收式熱泵。以蒸汽熱量為驅動能源Q1，產生制冷效應，回收循環水余熱Q2，加熱熱網回水，得到的有用熱量（熱網供熱量）為消耗的蒸汽產生的熱量與回收的循環水余熱量之和Q1+Q2。如圖2所示。

圖2 吸收式熱泵回收余熱示意

2.3.2 吸收式熱泵工作原理

溴化鋰吸收式熱泵包括蒸發器、吸收器、冷凝器、發生器、熱交換器、屏蔽泵（冷劑泵、溶液泵）和其他附件等。它以蒸汽為驅動熱源，在發生器內釋放熱量Qg，加熱溴化鋰稀溶液并產生冷劑蒸汽。冷劑蒸汽進入冷凝器，釋放冷凝熱Qc加熱流經冷凝器傳熱管內的熱水，自身冷凝成液體后節流進入蒸發器。冷劑水經冷劑泵噴淋到蒸發器傳熱管表面，吸收流經傳熱管內低溫熱源水的熱量Qe，使熱源水溫度降低后流出機組，冷劑水吸收熱量后汽化成冷劑蒸汽，進入吸收器。被發生器濃縮后的溴化鋰溶液返回吸收器后噴淋，吸收從蒸發器過來的冷劑蒸汽，并放出吸收熱Qa，加熱流經吸收器傳熱管的熱水。熱水流經吸收器、冷凝器達到所需要的溫度，流出熱泵機組，至后續的反滲透系統。其原理如圖3所示。

圖3 吸收式熱泵工作原理

屏蔽泵的做功與以上幾種熱量相比，基本上可以忽略，因此可以列出以下平衡式：

吸收式熱泵的輸出熱量為Qa+Qc，將式（1）代入其性能系數COP得：

由式（1）、式（2）可知：吸收式熱泵的供熱量等于從低溫余熱吸收的熱量和驅動熱源的補償熱量之和，即供熱量始終大于消耗的高品位熱源的熱量（COP＞1），屬于增熱型熱泵，根據不同的工況條件，COP一般在1.6～2.4。

驅動熱源可以是燃燒天然氣，也可以是0.2～0.8 MPa的蒸汽、煙氣、熱水等。熱水的溫升幅度和加熱蒸汽的壓力有關，熱水出口溫度可高達100℃，低溫余熱的溫度不低于10℃即可利用，一般情況下，余熱熱水出口的溫度越高，熱泵機組能夠提供的熱水溫度也越高[3]。

2.3.3 系統選擇

本方案設置1臺吸收式熱泵和1臺蒸汽換熱器，回收間接循環冷卻水的余熱，經計算，熱泵機組效率COP為2.4，把125 t/h鍋爐補給水的原水溫度加熱到20℃，僅需要消耗約33.5萬千焦的熱量，其中約710萬千焦熱量來自循環冷卻水的余熱。機組正常運行時熱泵運行，發電機組啟動時，2臺設備同時運行，熱泵維修時，蒸汽換熱器運行。利用熱泵提高了間接循環冷卻水的熱量品位，回收其廢熱。

吸收式熱泵需要從汽機房引1路0.8 MPa的飽和蒸汽作為驅動熱源，蒸汽量約0.98 t/h，將原水溫度從5℃加熱到20℃，熱泵機組的耗電量約37 kW，加熱器與熱泵的系統連接如圖4所示。

圖4 熱泵和蒸汽加熱器系統

2.4 利用熱水和蒸汽換熱器加熱原水（方案四）

本方案設置了1臺熱水加熱器和1臺蒸汽加熱器。利用熱水加熱器回收間接循環冷卻水的余熱，再設置蒸汽加熱器作為備用，機組正常運行時，使用熱水加熱器，熱水加熱器故障或機組啟動時，還可采用蒸汽加熱器。這樣可以避免發電機組在冬季初次啟動時，加熱器沒有熱源而無法投運的情況發生。其系統如圖5所示。與方案三相比，該系統具有流程相對簡單、維護工作量小的優點。

圖5 熱水加熱器和蒸汽加熱器系統

3 投資及運行費用分析

3.1 能量對比

方案一增加了鍋爐補給水處理系統的耗電量，以及熱源水返回循環冷卻水系統的提升泵耗電量；方案二消耗蒸汽；方案三的能耗是蒸汽和熱泵耗電量；方案四主要在2種工況下消耗能量：2臺換熱器同時使用和熱水換熱器無法將原水加熱到鍋爐補給水處理系統所需運行溫度，這2個工況需使用蒸汽換熱器，消耗熱能，當原水溫度低于8℃時，需要啟用蒸汽換熱器。

鍋爐補給水處理系統換熱器年運行約2 800 h，2臺換熱器同時運行的時間約120 h，原水溫度低于8℃約700 h。在此前提下，計算4種方案消耗的能量見表2所示。

表2 4種方案的能耗

3.2 投資和運行費用對比

4種方案增加投資費用和運行費用見表3。

從表2、表3可以看出，方案一消耗的能量最少，但投資費用最高，運行成本也最高，經濟性較差；方案二投資最少，但能量消耗最高；方案三、四消耗的能量居中，投資費用比方案二分別多120萬元和85萬元，但運行成本相對較低，經濟性能較好。因此，方案三、四綜合性評價相對較優，方案三節約的能量高于方案四，方案四的運行成本最低，系統設備簡單，運行維護量也較少。

表 34種方案的投資和運行費用

4 結論

經分析研究，認為方案四較為可行，即正常運行時利用熱水加熱器，機組啟動等特殊情況時利用蒸汽加熱器加熱鍋爐補給水處理系統原水，回收間接循環冷卻水的余熱，從而減少機組抽汽，實現節能減排。采用方案四可有效降低原水加熱系統的運行成本，滿足鍋爐補給水處理系統的各種運行工況，與傳統直接利用蒸汽加熱方式即方案二相比，方案四雖然初投資增加，但每年可節約大量電能，其運行成本比方案二節省超過30萬元/a，約3年可收回投資成本。

[1]周振起，馬玉杰，王靜靜，等.吸收式熱泵回收電廠余熱預熱凝結水的可行性研究[J].流體力學，2010，38（12）∶73-76.

[2]馬最良，姚楊，姜益強.暖通空調熱泵技術[M].北京：中國建筑出版社，2008.

[3]張長江.溴化鋰吸收式熱泵機組在余熱供熱領域中的應用[D]//中國制冷學會2009年學術年會論文集，2009∶1267-1270.

（本文編輯：徐晗）

Comparative Analysis on Several Operation Schemes for Raw Water Heater of Boiler Feedwater Treatment System

TONG Xiaofan，PAN Deng
（Zhejiang Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012，China）

Due to low temperature of raw water in boiler feedwater treatment system，high-quality steam is used for heating that consumes too much energy.Therefore，the paper proposes to use waste heat from power plant circulating cooling water to heat raw water of boiler feedwater treatment system.The paper analyzes four operation schemes for raw water heater system，aiming to recycle part of the waste heat.Through technical and economic comparison，the paper presents a scheme of combing hot water heater with steam heater to save energy，reduce emissions as well as meet requirements of different operating conditions.The scheme is characterized by its higher integrated index of economical efficiency and performance.

raw water heater；circulating cooling water；waste heat；absorption heat pump

TK223.5

：B

：1007-1881（2016）02-0055-05

2015-08-18

童曉凡（1971），女，高級工程師，從事發電廠化學、環保工作。