電廠循環(huán)水余熱供熱技術(shù)

王光林，張　濤，于澤庭，韓吉田（.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆瑵?jì)南　5003；.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，濟(jì)南　5006）

電廠循環(huán)水余熱供熱技術(shù)

王光林1，張濤1，于澤庭2，韓吉田2
（1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆瑵?jì)南250013；2.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，濟(jì)南250061）

論述電廠循環(huán)水余熱利用的重要意義，介紹幾種目前已經(jīng)應(yīng)用的和處于理論研究階段的循環(huán)水余熱利用技術(shù)，包括汽輪機(jī)低真空工況運(yùn)行方式和熱泵回收余熱技術(shù)，并對(duì)各種技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了分析。

電廠循環(huán)水；余熱利用；低真空工況運(yùn)行；熱泵

0　引言

在傳統(tǒng)電廠的生產(chǎn)過(guò)程中，高溫高壓的過(guò)熱蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹做功后變成乏汽，乏汽進(jìn)入凝汽器中被循環(huán)水冷卻，同時(shí)循環(huán)水吸收乏汽冷凝所釋放的大量潛熱，循環(huán)水進(jìn)入冷卻塔中進(jìn)行自然通風(fēng)冷卻，其攜帶的大量低品位的余熱通過(guò)對(duì)流傳熱進(jìn)入大氣中損失掉了。雖然這部分熱能品位較低，不具備做功能力，但是如果這部分能量能用于對(duì)居民供暖，將會(huì)節(jié)約大量能源，減少SO2、CO2及粉塵排放，同時(shí)還會(huì)降低循環(huán)水的蒸發(fā)量。

目前能源日趨緊張，節(jié)能減排在生產(chǎn)過(guò)程中意義重大，更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的循環(huán)水余熱利用技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為了電廠發(fā)展的新趨勢(shì)。然而電廠循環(huán)水的余熱并不能直接用于供暖，因?yàn)槠錅囟容^低，尚未達(dá)到能夠直接供熱的高品位，應(yīng)先對(duì)其升溫再加以利用。我國(guó)應(yīng)用的電廠循環(huán)水低品位熱能回收技術(shù)主要有汽輪機(jī)低真空工況運(yùn)行方式和熱泵吸收循環(huán)水低品位熱能技術(shù)。

低真空工況下運(yùn)行時(shí)，凝汽式機(jī)組的發(fā)電量受到用戶用熱量的制約，熱負(fù)荷增大時(shí)，為了保證供熱，發(fā)電量會(huì)適當(dāng)降低。熱負(fù)荷較大、供熱溫度較高時(shí)，為了保證安全運(yùn)行，汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)需要進(jìn)行調(diào)整校核，對(duì)于大型機(jī)組并不適用。

熱泵吸收循環(huán)水低品位熱能技術(shù)的原理是利用熱泵吸收循環(huán)水中的熱量將其輸送給居民區(qū)的熱網(wǎng)。熱泵回收循環(huán)水低品位熱能技術(shù)不僅僅局限于中小型汽輪機(jī)組，大型汽輪機(jī)組同樣適用。

1　汽輪機(jī)低真空工況運(yùn)行方式

汽輪機(jī)低真空工況運(yùn)行方式是通過(guò)降低凝汽器的真空度來(lái)提高汽輪機(jī)乏汽溫度，使循環(huán)冷卻水溫度升高，以凝汽器的循環(huán)冷卻水代替原熱網(wǎng)循環(huán)水向用戶供熱。汽輪機(jī)低真空工況運(yùn)行供熱系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

其中尖峰加熱器的作用是在低真空工況運(yùn)行時(shí)供熱面積過(guò)大、熱量不足時(shí)作為熱網(wǎng)的調(diào)峰熱源，或在汽輪機(jī)組停運(yùn)時(shí)作為替代熱源對(duì)熱用戶供熱。通過(guò)布置尖峰加熱器，循環(huán)水供熱系統(tǒng)的供熱能力可以根據(jù)供熱面積的大小和環(huán)境溫度的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1　汽輪機(jī)低真空工況運(yùn)行供熱流程

由熱力學(xué)定律可知，在熱功能轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的冷源損失是不可避免的，傳統(tǒng)的凝汽式汽輪機(jī)組乏汽中的余熱被循環(huán)水帶走。將汽輪機(jī)組改造成低真空工況運(yùn)行后，凝汽器作為基本加熱器對(duì)循環(huán)冷卻水加熱，冷卻水作為供熱過(guò)程的媒介在封閉的熱網(wǎng)中循環(huán)，乏汽冷凝所放出的汽化潛熱就可以傳輸?shù)綗峋W(wǎng)中進(jìn)行供熱，不僅有效利用了這部分冷源損失的熱量、節(jié)約大量能源，而且還降低了冷卻水的蒸發(fā)量減少循環(huán)冷卻水的大量補(bǔ)給。

汽輪機(jī)改造前后兩種工況的溫熵如圖2所示。

圖2　兩種不同工況的溫熵

由圖2可以看出，汽輪機(jī)在純凝汽運(yùn)行時(shí)，新蒸汽從熱源吸收的熱量為面積7-3-5-6-1-9-7，乏汽在凝汽器中向循環(huán)冷卻水放出的熱量為面積7-3-2-9-7。低真空工況運(yùn)行時(shí)，新蒸汽從熱源吸收的熱量為面積8-3a-5-6-1-9-8，乏汽在凝汽器中向循環(huán)冷卻水放出的熱量為面積8-3a-2a-9-8。純凝汽工況下，蒸汽在汽輪機(jī)中所做的功為面積3-5-6-1-2-3；低真空工況運(yùn)行時(shí)，蒸汽所做的功為面積3a-5-6-1-2-3a。

雖然純凝汽工況下蒸汽在汽輪機(jī)中做功多于低真空工況運(yùn)行工況，但是顯然汽輪機(jī)在低真空工況運(yùn)行時(shí)，循環(huán)冷卻水所吸收的熱量較純凝汽工況運(yùn)行時(shí)多，而且這部分熱量在低真空工況運(yùn)行時(shí)被有效利用，因此其能源綜合利用效率高于純凝汽工況。

1.1傳統(tǒng)中小型汽輪機(jī)低真空工況供熱

在純凝汽工況下，汽輪機(jī)的排汽壓力為5 kPa左右，相應(yīng)的乏汽溫度為25～45℃，這樣不滿足供熱的要求，需要降低凝汽器的真空度，提高其工作壓力。出于機(jī)組運(yùn)行的安全性考慮，汽輪機(jī)低真空工況運(yùn)行時(shí)只能將凝汽器壓力提高至40～50 kPa，相應(yīng)的排汽溫度可以達(dá)到75～80℃，循環(huán)水則被加熱到65～75℃，該溫度范圍的循環(huán)水達(dá)到了直接供熱的要求，循環(huán)水回水溫度為55～60℃［1］。中小型汽輪機(jī)組改造為低真空工況運(yùn)行后，能源的綜合利用率可以由原來(lái)的40%提升至75%～85%［2］。

傳統(tǒng)的汽輪機(jī)低真空工況供熱方式的應(yīng)用受到以下兩點(diǎn)的制約。首先，進(jìn)入汽輪機(jī)組的新蒸汽量隨著熱負(fù)荷的改變而變動(dòng)，制約著發(fā)電功率。若汽輪機(jī)低真空工況運(yùn)行后仍要保持原發(fā)電功率，因汽輪機(jī)排汽壓力高，蒸汽的焓降較小，需要增大蒸汽量，這又會(huì)對(duì)供熱溫度有影響。由于發(fā)電功率和供熱溫度不能分開(kāi)單獨(dú)調(diào)節(jié)，因此汽輪機(jī)低真空工況運(yùn)行供熱只適用于熱負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)。其次，如果中小型凝汽式汽輪機(jī)組不進(jìn)行改造直接低真空工況運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)末級(jí)處蒸汽焓降劇烈下降，同時(shí)汽輪機(jī)的效率也會(huì)受到嚴(yán)重影響［3］。變工況運(yùn)行后會(huì)對(duì)汽輪機(jī)組造成一定的影響，為了保證機(jī)組安全運(yùn)行，需要對(duì)汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核和改動(dòng)，解決軸向推力增大、凝汽器承壓等問(wèn)題。出于安全運(yùn)行的考慮，對(duì)于大型汽輪機(jī)組，改動(dòng)結(jié)構(gòu)參數(shù)低真空工況運(yùn)行是不允許的。

1.2汽輪機(jī)低溫供熱方式

汽輪機(jī)低溫供熱方式是在保證汽輪機(jī)組安全的前提下，適度提高排汽壓力、降低凝汽器真空度，小幅度提高使循環(huán)冷卻水溫度，對(duì)用戶進(jìn)行小溫差供熱。大型汽輪機(jī)組要求凝汽器出口循環(huán)水溫度不能超過(guò)45℃，該溫度恰好在用戶采用的一些高效的末端散熱器的工作溫度區(qū)間內(nèi)，可以在排汽壓力不高于設(shè)計(jì)值、機(jī)組正常安全運(yùn)行的工況下，使用低溫循環(huán)水直接對(duì)用戶供熱。

中小型和大型汽輪機(jī)組都可以使用低真空工況運(yùn)行低溫供熱方式，但是該方式存在兩個(gè)缺點(diǎn)：首先，熱網(wǎng)供水循環(huán)水和回水循環(huán)水之間溫差太小，一般在10℃左右，嚴(yán)重制約了該方式的供熱半徑。其次，熱網(wǎng)供水循環(huán)水溫度太低，用戶只能采用如地?zé)峁┡到y(tǒng)等一些高效的散熱器，傳統(tǒng)的散熱末端在此供熱方式中并不適用。當(dāng)用戶熱負(fù)荷較小時(shí)，部分循環(huán)水的熱量需要通過(guò)冷卻系統(tǒng)排入大氣以便調(diào)節(jié)熱電負(fù)荷，這樣會(huì)大幅降低電廠能源的綜合利用效率，因此低真空工況低溫供熱方式的適用范圍大大縮小。

1.3新型專用供熱汽輪機(jī)組

何堅(jiān)忍等［4］提出了適用于300MW機(jī)組的“NCB”專用供熱模式，該新型機(jī)組綜合了背壓式和抽凝式汽輪機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)，并且克服了以上兩種機(jī)組的缺點(diǎn)，進(jìn)一步提高了能源綜合利用效率。如圖3所示。

圖3　“NCB”專用供熱汽輪機(jī)組

在非供熱期、供熱期、供熱高峰期，可以通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)5、6使汽輪機(jī)組分別呈純凝工況、抽汽工況和背壓工況運(yùn)行，根據(jù)外部熱負(fù)荷的變化調(diào)整保證供熱、供電效率［4］。其中在背壓工況下，汽輪機(jī)排汽熱量全部用于供熱，此時(shí)汽輪機(jī)組可以達(dá)到最大供熱量及最高熱效率。這種新型供熱模式優(yōu)點(diǎn)較明顯，但仍然處于理論階段。

2　熱泵回收循環(huán)水低品位熱能供熱技術(shù)

熱泵吸收循環(huán)水低品位熱能技術(shù)按供熱系統(tǒng)分為集中式和分布式布置供熱系統(tǒng)，熱泵按驅(qū)動(dòng)能源的種類可以分為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵和熱驅(qū)動(dòng)熱泵，吸收式熱泵屬于熱驅(qū)動(dòng)熱泵的一種。

從原理上講，熱泵和制冷系統(tǒng)的工作方式是相似的，熱泵以消耗部分機(jī)械能、熱能或電能為代價(jià)，將一部分熱量從低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)移給高溫?zé)嵩矗?］。

2.1利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵吸收低品位熱能供熱方式

1）集中式布置供熱方式。

集中式布置供熱方式是指將熱泵布置在電廠內(nèi)的供熱方式，小區(qū)內(nèi)熱力站無(wú)熱泵裝置。在電能的驅(qū)動(dòng)下，熱泵將熱量從作為低溫?zé)嵩吹难h(huán)水傳遞給作為高溫?zé)嵩吹囊淮尉W(wǎng)回水，一次網(wǎng)回水通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵后溫度從70℃左右升高到80～90℃［6］。在汽—水換熱器中，一次網(wǎng)熱水被抽汽加熱到130℃左右，然后送入熱網(wǎng)對(duì)熱用戶供熱。

一次網(wǎng)熱水直接供入原有的熱網(wǎng)，因此不需要額外的管路建設(shè)，節(jié)省了大量成本。但是該供熱方式存在供熱溫差小、一次網(wǎng)回水溫度太高等缺點(diǎn)，因此大量高品質(zhì)熱能未被有效利用，導(dǎo)致電廠供熱能效過(guò)低。

2）分布式布置供熱方式。

分布式布置供熱方式指的是將熱泵布置在小區(qū)供熱站，而電廠內(nèi)無(wú)熱泵裝置。凝汽器出口25℃左右的循環(huán)水被直接輸送到小區(qū)熱力站內(nèi)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵以循環(huán)水為低溫?zé)嵩矗远尉W(wǎng)熱水為高溫?zé)嵩催M(jìn)行熱量的轉(zhuǎn)移。循環(huán)水回水溫度為10℃左右，供熱溫差太小僅為15℃左右，因此電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)分布式布置供熱方式供熱半徑會(huì)非常有限，一般在3～5 km。另外還需要鋪設(shè)電廠到小區(qū)用戶站之間的循環(huán)水管路，將消耗大量成本和時(shí)間，因此該方式帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益不容樂(lè)觀。

2.2利用吸收式熱泵吸收低品位熱能供熱方式

當(dāng)前在電廠供熱中應(yīng)用的吸收式熱泵主要是第一類吸收式熱泵。第一類吸收式熱泵的原理是通過(guò)少部分高溫?zé)崮艿尿?qū)動(dòng)，將大量熱量從低溫?zé)嵩磦鬟f給中溫?zé)嵩础：碗妱?dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵使用電能作為驅(qū)動(dòng)方式相比，吸收式熱泵使用蒸汽作為驅(qū)動(dòng)熱源，蒸汽比電能便宜，因此使用吸收式熱泵比電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵更加經(jīng)濟(jì)劃算。

1）吸收式熱泵集中式布置供熱方式。

使用吸收式熱泵的集中式布置供熱方式與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)集中式布置供熱方式幾乎完全一樣，只是將驅(qū)動(dòng)方式由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)改為部分抽汽驅(qū)動(dòng)代替。因此，吸收式熱泵集中式布置供熱方式也會(huì)有相同的優(yōu)缺點(diǎn)，即無(wú)需改造供熱管路但供熱溫差小、一次網(wǎng)回水溫度過(guò)高、經(jīng)濟(jì)性差［7-8］。

2）新型大溫差吸收式熱泵供熱方式。

由于以上幾種熱泵供熱方式都存在供熱溫差小、能效低，不能有效利用循環(huán)水中的大量余熱，清華大學(xué)提出了一種新型的大溫差供熱方式［6］，如圖4所示。

圖4　新型大溫差吸收式熱泵供熱方式

其主要改進(jìn)是在小區(qū)熱力站增設(shè)了換熱能力極強(qiáng)的吸收式高效換熱機(jī)組［9］，確保充分利用一次網(wǎng)供水?dāng)y帶的熱能，如圖5所示。

圖5　吸收式高效換熱機(jī)組

吸收式高效換熱機(jī)組也是吸收式換熱器的一種，在吸收式高效換熱機(jī)組內(nèi)，一次網(wǎng)供水有3個(gè)放熱階段，既是高溫?zé)嵩从质堑蜏責(zé)嵩础Ｒ淮尉W(wǎng)供水進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)作為高溫驅(qū)動(dòng)熱源放熱，繼而在板式換熱器中對(duì)二次網(wǎng)回水放熱，之后進(jìn)入吸收式換熱器充當(dāng)?shù)蜏責(zé)嵩磳?duì)二次網(wǎng)回水供熱。一次網(wǎng)供水溫度為130℃左右，經(jīng)過(guò)吸收式高效換熱機(jī)組放熱后的一次網(wǎng)回水溫度為20℃左右，供熱溫差達(dá)到110℃。該方式的關(guān)鍵點(diǎn)有兩個(gè)：首先是在小區(qū)熱電站內(nèi)布置吸收式高效換熱機(jī)組，將供熱溫差由原來(lái)的60℃提升至110℃。其次是利用蒸汽作為驅(qū)動(dòng)熱源將循環(huán)水內(nèi)的余熱傳遞給一次網(wǎng)回水，一次網(wǎng)回水依次經(jīng)過(guò)串聯(lián)的幾個(gè)吸收式熱泵［10］，溫度由20℃逐級(jí)提升至130℃。

該技術(shù)主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先能使系統(tǒng)的供熱效率大幅提升；其次，大大增大了供熱半徑，使供熱輸送能力提高80%左右，減少了大量供熱管網(wǎng)改造的投資［6］。

3　結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)凝汽器冷卻機(jī)組的循環(huán)冷卻水中存在著大量低品位余熱，如果這部分熱量用來(lái)供熱，將會(huì)大幅提高電廠的能源利用效率，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)收益。

傳統(tǒng)的低真空工況運(yùn)行方式只適用于中小型汽輪機(jī)組，對(duì)大型機(jī)組并不適用。低真空循環(huán)低溫供熱方式的供熱溫度和供熱溫差較低，供熱能效過(guò)低。“NCB”新型專用供熱模式綜合了抽汽冷凝式和背壓式汽輪機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)，為汽輪機(jī)低真空工況運(yùn)行開(kāi)辟了新的模式，但仍處于理論研究階段。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵集中式、分布式以及吸收式熱泵集中式布置供熱方式都存在著供熱溫差過(guò)小等缺陷，供熱能效低，不能充分利用循環(huán)水的低品位熱能。

新型大溫差吸收式熱泵供熱方式能產(chǎn)生110℃的供熱溫差，供熱效率大幅提升，將會(huì)在大型機(jī)組集中供熱領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

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Heating Supp ly Technology of Circulating W ater W aste Heat for Power Plants

WANG Guanglin1，ZHANG Tao1，YU Zeting2，HAN Jitian2
（1.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan 250013，China，2.School of Energy and Power Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

The significance ofwaste heat utilization of circulating water in power plantswas introduced，and some applied and theoretical technologies ofwaste heat utilization were discussed，including steam turbine low vacuum running technology and heat pump waste heat recovery technology.Finally，their characteristicswere analyzed.

circulatingwater of power plants；waste heat utilization；running in low vacuum condition；heat pump

TK115

A

1007－9904（2016）04－0039－04

2016-02-03

王光林（1983），男，從事熱機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)工作；

張濤（1982），男，從事熱機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)工作；

于澤庭（1979），男，從事電廠低品位余熱利用研究工作；

韓吉田（1961），男，從事電廠節(jié)能及多相流研究工作。