300MW供熱機組排渣余熱的利用分析

馬利斌 任建興 李夢奇 張林建 朱鍇鍇

1上海電力學院能源與機械工程學院

2上海機電設計研究院

0 前言

目前社會各行業(yè)對70℃～110℃熱量的需求空間越來越廣泛，然而這部分熱量卻是由化石燃料提供，嚴重降低了化石燃料的利用率，直接導致了PM2.5、PM10等微小顆粒的排放，造成我國華北和東北地區(qū)冬季霧霾天氣頻發(fā)。基于環(huán)境和國家能源政策的壓力，發(fā)電企業(yè)對電廠余熱的利用進行了大量的探索[1]。在供熱機組中，已存在大量利用熱泵回收循環(huán)水余熱加熱回水[2-6]，但是由于熱泵壓縮機的限制，熱泵出水溫度低于60℃，不能滿足遠距離供熱。利用冷渣器適當彌補熱泵出水溫度的不足，其能夠回收800℃～900℃的鍋爐排渣余熱，相當于每天回收熱量2×109kJ/kg，節(jié)約標準煤168.46t[7]。有學者研究利用冷渣器與低壓加熱器串聯(lián)或并聯(lián)加熱冷凝水，提高機組的熱效率[8-10]。本文分析了熱泵-鍋爐排渣余熱應用于供暖對機組效率的影響，比較了抽氣式供熱和熱泵-鍋爐排渣余熱供熱的特點和能耗。

1 熱泵—排渣余熱系統(tǒng)

鍋爐運行期間，會產(chǎn)生大量的循環(huán)冷卻水和高溫爐渣。為了利用這部分余熱，可通過冷渣器和熱泵回收這部分熱能用來供熱。熱泵用于集中供熱，由于常溫熱泵壓縮機的限制，雖然供熱回水有一定的溫升，但不能滿足熱用戶的需求[11]。供熱水繼續(xù)在冷渣器中加熱，回收高溫爐渣的余熱。由于排渣量的限制不能將供熱水加熱到所需溫度，因此還需從汽輪機抽汽加熱供熱水，供熱系統(tǒng)如圖1所示。

2 新型供暖方式的能耗分析

通過上述對熱泵-冷渣器工作原理的介紹，對某廠300MW抽汽式供熱鍋爐進行余熱改造，供熱機組的運行參數(shù)如表1所示。余熱雖然不能完全彌補抽汽供熱，但能夠適當提高回水的溫度和減少抽汽。其工作原理如圖2所示，該裝置的主要特點是在加熱器前安裝冷渣器，利用鍋爐底渣的高溫加熱回水，從而實現(xiàn)能源的階梯利用，減少汽輪機抽汽。同時，循環(huán)水作為熱泵的冷源，工質(zhì)蒸發(fā)吸收循環(huán)水的余熱使其溫度降低后回到循環(huán)水池中降低循環(huán)水的溫度。循環(huán)水溫度越低，凝汽器的真空越大，汽輪機的排汽焓就越小，從而提高機組的效率，降低煤耗，提高機組發(fā)電效率。此供熱系統(tǒng)與抽汽式供熱相比，其能耗是由熱泵消耗的電能W，循環(huán)水溫度降低汽輪機增加的發(fā)電量P1和冷渣器為回水提供余熱排擠的蒸汽做功P2組成。

圖2 熱泵—渣器余熱供熱原理

表1 2x300MW供熱機組的運行參數(shù)[12]

2.1 水源熱泵的能耗W

Q=GwGpΔt

式中COP—熱泵的性能系數(shù)，取為5；Δt—冷凝側(cè)水溫升，取5℃；Gw—供熱回水量，取3 589t/h

2.2 循環(huán)水溫度降低而增加的機組發(fā)電量P1

式中Pe—汽輪機機組的額定發(fā)電量，300MW；η—機組的熱效率，取35%；Δ η—循環(huán)水溫度降低Δ t時機組提高的熱效率。

熱泵換熱器的設計端差Δ t0，所需循環(huán)水量m0

式中Cp—循環(huán)水的比熱容。循環(huán)水蓄水池的溫降Δ t′

式中m—凝汽器設計循環(huán)水量。研究[12]表明300MW機組循環(huán)水溫度每降低1℃，機組熱效率提高0.23%。

水源熱泵機組換熱器的端差為5℃，凝汽器的循環(huán)水量為m=37300t/h。

2.3 冷渣器回收余熱

某電廠2×300MW供熱機組使用風氧化煤、煤矸石、煤泥等混合煤作為燃料，鍋爐底渣參數(shù)具體如表2。機組滿負荷運行時，800℃～900℃的底渣排放量為49.2t/h，可知底渣熱損失是鍋爐熱損失中很重要的一部分。由于輸渣皮帶的承受溫度的限制，冷渣器排渣溫度低于100℃～150℃[13]。本項目將鍋爐排渣余熱用來加熱供熱回水，減少汽輪機抽汽，提高機組的發(fā)電量。

表2 300MW鍋爐底渣參數(shù)

根據(jù)熱力學第一定律，冷渣器供給供熱回水的熱量：

根據(jù)等效焓降法，供熱抽汽減少：

由等效焓降法，整個機組做功增加量：

新增蒸汽等效熱降的增量：

裝置效率相對提高為：

熱耗降低值：

Δ q=Δ ηq0

標準煤耗：

3 常規(guī)抽汽供熱做功損失分析

在抽汽供熱情況下，蒸汽在汽輪機中膨脹h-s曲線如圖3所示。在Pn處蒸汽壓力發(fā)生突變，這是由于蒸汽被抽出供熱造成一部分壓降所致的，這部分抽出的蒸汽也使機組發(fā)電量減少P3；供熱工況下汽輪機排汽焓要高于原運行工況下的排汽焓，這部分排汽也造成了一定的做功損失P4。根據(jù)等效焓降法，采暖抽汽損失的發(fā)電量為：

有采暖抽氣壓損造成的發(fā)電損失為：

式中，hn—采暖抽汽焓；hc—采暖抽汽工況下排汽焓；hc—原工況下排汽焓，2559.8kJ/kg；

Dc—采暖抽汽量；Dn——汽輪機排汽量

圖3 汽輪機中蒸汽膨脹焓熵曲線

從表3中可以得知，熱泵利用余熱供暖與抽汽供暖相比，其抽汽量減少了27.27t/h，做功增加3 493.32kW。熱泵-冷渣器聯(lián)合供熱每小時抽汽量比抽汽供熱減少了41.04t，是熱泵供暖減少抽汽量的1.5倍。在熱泵利用循環(huán)水余熱后，雖然循環(huán)水溫度只降低了0.36℃，但機組每天能增加功率1 8210.24kWh。假如我國北方供暖120天，且全天候工作。根據(jù)文獻[14]對煤粉燃燒污染物排放的研究顯示：每千克標準煤燃燒會產(chǎn)生0.44kg的CO2、0.075 kg的SO2、0.0375 kg的NOX、0.26 kg的粉塵。對于2x300MW的供熱機組回收鍋爐排渣余熱供暖，每年供暖期可以節(jié)約3 283.2t標準煤，減少1 444.608t的 CO2、246.24t的 SO2、123.12t的 NOX和853.632t的粉塵排放，具有很好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。熱泵回收余熱在一個供暖周期可以節(jié)約2 102.4t標準煤，相當于機組回收鍋爐排渣余熱供暖節(jié)約標準煤的64%，熱泵回收余熱是熱泵-鍋爐排渣余熱回收的0.4倍。

表3 供熱量相同時有無余熱利用的能耗比較

4 結(jié)論

（1）汽網(wǎng)供暖的能耗高于水網(wǎng)供暖的能耗，這是因為汽網(wǎng)供熱是直接抽取較高品質(zhì)的蒸汽，嚴重損害蒸汽的做功能力。

（2）相對于汽網(wǎng)供暖，利用余熱供暖不僅減少了粉塵等污染物的排放，而且還能減少循環(huán)冷卻水在冷卻塔中的損失。

（3）對于2×300MW的供熱機組回收鍋爐排渣余熱供暖，每年供暖期可以節(jié)約3 283.2t標準煤，是熱泵余熱供暖節(jié)約標準煤的1.6倍。

（4）由于熱泵壓縮機的限制，傳統(tǒng)的熱泵集中供熱的節(jié)能效果不是十分的明顯。