純凝汽式機組大旁路供熱技術改造

呂 太，張力夫，劉振華，姚貫升

（東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012）

0 引言

隨著城市化的發展，建筑面積逐年增加，北方地區采暖面積增長迅速，現有的供熱條件下供熱熱源嚴重不足，這就需要污染嚴重的小鍋爐供熱或居民燃煤取暖，造成資源浪費和環境污染，并且大部分北方地區裝機負荷遠遠大于用電負荷，造成很多大型機組沒有發電負荷而停機備用，現有資源沒有得到有效的利用。結合大唐供熱公司長春市熱負荷調研報告，2015～2020年該供熱公司新增采暖熱面積約2 346萬m2，需要建設新的供熱機組才能滿足供熱需求，但是又存在大型發電機組低負荷運行甚至停機的現實情況。

以滿足供熱需求為前提，目前效率最高的供熱方式為熱電聯產［1-2］，該方式使能量得到了階梯利用，效率最高，但該類型機組在供熱的同時必須發電，并且建設該類型新機組不但緩解不了機組停機與供熱不足之間的矛盾，而且會使之加劇。燃煤鍋爐［3-4］集中供熱也是目前的主流供熱方式，鍋爐設備容量在10 t／h以上，供熱能力可達到要求，投資費用低，但鍋爐燃燒效率低，煙氣中的粉塵、硫化物和氮化物得不到有效處理，污染十分嚴重，帶來很大的環境壓力。長春市2016年全年PM2.5在100 μg／m3以上的污染天數為119天，其中PM2.5超過250 μg／m3的嚴重污染天數為49天，98%是在供暖期內，由此可見由于冬季供暖所引發的環境問題十分嚴重。燃氣鍋爐［5-6］也是一種較理想的供熱熱源，可以實現只供熱不發電，由于天然氣為清潔能源，燃燒產物大部分為二氧化碳，不會帶來環境污染問題，同時天然氣的燃燒效率比較高，可以達到85%以上，缺點是天然氣價格比較高，燃氣鍋爐建設和運行費用比較高。綜上所述，目前急需一種可滿足供熱需求，同時可減輕大型機組停機壓力、對環境污染小的供熱方式。

針對供熱不足與大型機組閑置之間的矛盾，提出對現有的閑置純凝汽式機組的大旁路進行改造，在采暖期，蒸汽由大旁路經過降壓處理引入到熱網加熱器直接進行供熱；在非供暖期，維持原來凝汽式機組正常發電。利用等效電法比較該技術與其他供熱技術能量轉換效率的高低，從經濟效益和環境效益對比研究其合理性與可行性。

1 改造旁路供熱技術

以長春某電廠的200 MW純凝汽式機組為例進行改造，該機組型號為 HG－670／140－YM14，鍋爐蒸發量為670 t／h，主蒸汽溫度為540℃，壓力為13.73 MPa。考慮到大旁路的富裕量，供熱改造對發電機組原來的系統幾乎沒有影響，如圖1所示，不需要改動大旁路，只需要在旁路尾端加裝減溫減壓裝置、熱網加熱器等就可以滿足供熱。采暖期內，抽取670 t／h的蒸汽進入旁路，其中20 t／h的蒸汽用以滿足電廠自身用汽要求，650 t／h的蒸汽進入減溫減壓器后，最終在熱網加熱器中進行換熱，機組運行所需用電由其他機組提供；供暖期結束后，調整閥門使蒸汽進入汽輪機正常發電，由純供熱機組恢復純凝汽式發電機組。

機組改造后供熱基本參數和供熱能力如表1所示。

表1 200 MW機組改造后數據

圖1 改造旁路供熱系統

2 不同供熱方式比較

以長春市大唐某供熱公司的供熱區域作為研究對象，新增供熱面積為2 346×104m2，隨著城市的發展供熱面積還會增加，而長春位于北方地區，采暖期長達167天，合計小時數為4 008 h。室外采暖計算溫度-21.1℃，采暖室外平均溫度-7.6℃，室內采暖平均溫度18℃，綜合采暖熱指標取55 W／m2，最大采暖熱負荷為1 290.3 MW，該電廠的最大供熱能力無法滿足熱用戶需求，只能由小鍋爐進行供熱，污染比較嚴重。

以目前的供熱形式來看，為了滿足該地區供熱需求，可以采取電加熱爐供熱、建設燃氣鍋爐、建設燃煤鍋爐和改造純凝汽式機組旁路直接供熱等幾種方式，以下從能量轉換效率、初始投資、運行費用和環境效益等方面對比評價，找出最合理的供熱方式。

2.1 能量轉換效率

能量是有品質的，所以對比能耗的高低不能僅僅對比能量的多少，必須有統一的參考，等效電法就是以其他形式能量轉化為電能為標準，對比不同形式能量的品質高低。原則上來講，不同形式的化學能都可以轉換為電能，但是由于轉換方式和設備的原因，存在一定的效率，即折電系數。利用式（1）就可以計算出不同形式能源轉換為電能時的折電系數

式中溫度采用絕對溫度。各種形式的能源在理論上是可以完全轉化為熱能的，但是由于實際工程技術的限制，不可能完全轉化為電力，在轉化過程中都是在一定的溫度限度內進行的，因此結合實際情況，按照當前技術下最高做功溫度作為計算該形式能源轉換系數的工作溫度。天然氣的做功溫度在1 500℃以下，因此計算時取1 500℃。利用燃煤發電時，是利用蒸汽推動汽輪機做功，所以溫度不取燃燒溫度，而是取蒸汽溫度，目前技術下蒸汽溫度在700℃以下，因此取計算溫度為700℃。計算出能源形式的折電系數如表2所示。

表2 等效電法下折電系數

在表2中可以看出，在轉換為高品質的電能時，品質由低到高依次是熱水、煤炭、天然氣和電能，并且能質差別越大，之間轉換率越低，比如煤炭中的能量品質低于天然氣，折電系數僅為48.29%，低于天然氣的折電系數64.36%，熱水的折電系數最低，僅為23.2%。反過來，作為供熱熱源時，不同形式的能源轉換為低品質的熱能時，轉換效率有所不同。以提供相同的熱量1500 kWh為基準，并結合表2中各種能量轉換電能的效率，分別比較電加熱爐、燃氣鍋爐、燃煤鍋爐和旁路改造供熱這幾種方式的能量轉換效率，計算結果如表3所示。

表3 等效電法下不同采暖方式的能量轉換效率

表3中計算的各種能量形式作為熱源時的轉換效率，是在考慮能量品質的前提下計算出來的，可以看出能量品質越高，轉換為低品質的熱能時轉換效率越低。以電能為例，能量品質最高，可以完全轉換為熱能，但是在考慮能量品質的前提下，作為供熱熱源時的效率僅為23.2%，是由于品質的喪失使其轉換效率下降；而同樣作為低品質的煤炭能源，在直接轉換為熱能時效率高于天然氣和電能，這主要是因為該能源與熱能的品質接近，避免了由于能量品質降低帶來的能量損失；同樣以煤炭為主的供熱熱源，燃煤鍋爐的供熱效率為36.7%，低于旁路改造機組的41.1%，這是由于兩種鍋爐的效率不同導致的，燃煤鍋爐房鍋爐的本身結構和燃燒方式使鍋爐效率低，而旁路改造鍋爐可以維持純凝汽式機組時的高效率燃燒。

2.2 初始投資和運行費用

2.2.1 初始投資

供熱的初始投資［7］主要由以下幾個方面組成：鍋爐主機費、供熱所需的配套輔機費、土地征用費、鍋爐土建投資費以及其他費用等。與其他供熱方式相比，改造旁路供熱技術對原來的機組改動很小，就是在大旁路尾端加裝減溫減壓裝置，以及按照供熱面積加裝相應的熱交換器。結合長春某電廠實際改造，改造費用為1 000萬元，1臺200 MW純凝汽式機組大旁路擴容改造之后，在100%容量下，供熱能力為1891.99 GJ／h，綜合采暖熱指標為 55 W／m2時，可供熱面積為95.56萬m2，單位采暖面積建設費用為10.5元／m2。而電加熱爐、燃氣鍋爐和燃煤鍋爐的建設是從無到有，必須考慮到鍋爐主機費、輔機費用、土建投資和土地征用等費用，導致燃煤鍋爐單位面積初始投資為59.11元／m2，燃氣鍋爐58.27元／m2，都高于改造旁路供熱方式初始投資。

2.2.2 運行費用

運行費用包括燃料費、水電費和折舊費等，為了方便比較，將主要比較幾種方式的燃料費用，并折算成單位采暖面積所需費用。首先計算單位面積燃料消耗量，與供熱指標、供熱時間、燃料熱值、管網效率和鍋爐效率有關：

式中：M為單位面積燃料消耗量；D為采暖天數，167 d／a（吉林地區取暖時間）；q為綜合采暖熱指標，W／m2；hj為燃料熱值，kWh／kg 或 kWh／m3；η1管網效率，%；η2鍋爐熱效率，%。

結合式（2）和不同的供熱形式間燃料熱值、效率等因素，計算幾種供熱方式的運行費用如表4所示。

表4 不同供熱方式燃料消耗量及運行費用

表4計算比較了電加熱爐、燃氣鍋爐、燃煤鍋爐和旁路改造供熱這4種供熱方式的運行費用。結果表明電加熱爐的運行費用最高，高達到119.41元／m2；燃氣鍋爐的燃燒效率比較高，但是由于天然氣價格高，所以運行費用接近燃煤鍋爐的2倍；燃煤鍋爐和改造鍋爐都是燃用煤炭，但是兩種方式的鍋爐效率不一樣，鍋爐的燃燒效率為70%左右，而旁路改造技術的鍋爐效率可以達到89%，運行成本僅為25.36 元 ／m2。

2.3 環境效益

結合表4中單位面積年燃料消耗量，在供熱面積為2 346×104m2時，供暖期燃料消耗量分別為：燃煤鍋爐 9.454×105t；燃氣鍋爐為 5.529×108m3；改造鍋爐為 7.436×105t。

燃煤鍋爐的SO2排放量

式中：GSO2為 SO2排放量，t；0.8 為煤炭中的硫分，包括可燃硫與不可燃硫，其中可燃硫占80%；S為收到基全硫質量分數，取值0.3%；B為煤耗量，t；ηS為脫硫效率，%。

燃煤中的N與空氣中的O2進行反應，產生NOx，其中90%為NO，其余主要為NO2，NOx排放量為

式中：GNOx為 NOx排放量，t；B 為煤耗量，t；N 為收到基氮含量，取值0.73%；b為燃料中N的轉換率，取值為50%；ηN為脫硝率，鍋爐沒有脫硝設備，改造鍋爐取90%。

燃煤灰塵排放量為

式中：Gy為灰塵排放量，t；B 為煤耗量，t；Aar為煤的收到基灰分，取值17.05%；αfh為飛灰中純灰量占燃料總灰量的份額，取25%；Rfh為飛灰中可燃物的質量分數，取30%；ηc為除塵器效率，鍋爐除塵效率取97%，改造鍋爐取99.88%。

針對燃氣鍋爐，NOx排放量為 22.2 mg／m2，SO2排放量為 2.8 g／m2，煙塵排放量為 4.63 g／m2。并結合式（3）～（5），將3種供熱方式的污染物排放量整理如圖2所示。

圖2 不同供熱方式的污染物排放

通過計算比較可以看出，燃煤鍋爐由于燃燒效率低，煙氣處理設備不夠完善，污染物的排放量最大；天然氣為清潔能源，所以NOx和SO2的生成量就比較小，污染物的排放量比較低；旁路改造機組仍保留脫硫除塵等設備，污染物的排放也在國家環保范圍之內，所以污染物排放量與燃氣接近，甚至比燃氣鍋爐還要低。

3 結語

通過等效電法進行分析比較，不同品質能源間轉換時，品質差別越大效率越低；作為供熱熱源時，旁路改造供熱技術轉換效率最高，為41.1%。

通過4種供熱方式的對比得出，旁路改造供熱技術污染物排放量比較低，與燃氣鍋爐接近；初始投資最低，僅為10.5元／m2，遠遠低于其他供熱方式；運行費用最低，為25.36元／m2。

對純凝汽式機組旁路進行改造，對現有資源利用實現有效利用，并且在供暖期緩解北方供暖不足與裝機負荷過大而停機之間的矛盾，同時可以緩解北方冬季棄風現象的發生。