基于吸收式換熱機組的熱電廠乏汽余熱利用供熱系統研究

王小龍

(神東煤炭集團，陜西 神木 719315)

0 引言

神東煤炭集團公司現有煤炭生產礦井13個，分布在蒙、陜、晉3省區。由于地處煤炭能源富集區，公司在發展過程中充分依托國家能源投資集團產、運、銷一體化運營模式，并結合自身特點進行大膽技術和管理創新，經過不懈努力，公司現已建成了新型集約化安全高效千萬噸礦井群。神東煤炭集團地處北方，冬季極寒溫度可達-28 ℃。室外氣溫低易造成井口結冰，從而影響車輛、行人安全，因此需設置井口熱風加熱機組，保障井口周圍溫度不低于2 ℃；為提供良好的辦公、居住條件，冬季辦公場所、公寓需提供冬季供熱服務；為滿足員工洗浴需求，全年還需提供熱水供應。為滿足井口防凍、冬季采暖、全年浴水供應，公司在中心礦區分別配套建成了上灣熱電廠、大柳塔熱電廠，在分散礦區建成了熱負荷不等的燃煤鍋爐房。總體而言各礦井現有熱負荷分為常年性熱負荷和季節性熱負荷2類，其中常年性熱負荷指浴水熱負荷；季節性熱負荷指建筑冬季采暖熱負荷、井口熱風熱負荷。

神東煤炭集團公司中心礦區位于陜蒙交界處，中心礦區以烏蘭木倫河為界，陜西區域熱源由大柳塔熱電廠提供，主要負責工業區井口防凍、采暖、浴水用熱需求。大柳塔熱電廠輸送的蒸汽至工業區換熱站分汽缸，部分蒸汽直供各工業廠房及井口冬季采暖需求，部分蒸汽通過汽水換熱器換熱后供應采暖用水及浴水。內蒙區域熱源由上灣熱電廠提供，主要負責居民區、工業區采暖、浴水用熱。上灣熱電廠輸送的蒸汽部分直供井口冬季采暖需求，部分通過汽水換熱器換熱后供應浴水，部分通過汽水換熱器換熱后輸送高溫水至下一級換熱器換熱用以滿足采暖需求。內蒙區域熱用戶組成較為復雜且用熱需求量大，具體用熱分布如圖1所示。

圖1 內蒙區域用熱分布Fig.1 Distribution of regional heat consumption in Inner Mongolia

1 存在問題及改造方案

1.1 存在問題

隨著大型火力發電廠、煤化工、煤制油等產業的發展，煤炭市場隨之快速發展，神東煤炭集團所處的中心礦區辦公樓、宿舍樓、文體活動中心逐步擴建、新建，使得供熱面積及采暖熱負荷逐年遞增，如圖2所示。

圖2 供熱面積及熱負荷逐年變化Fig.2 Annual change of heating area and heat load

大柳塔熱電廠負責工業區井口防凍、采暖、浴水，隨著公司產業的發展，熱負荷略有增加但熱電廠仍可滿足用熱需求。上灣熱電廠負責居民區、工業區采暖、浴水用熱，隨著中心礦區配套設施的完善，建筑采暖用熱需求迅速遞增，導致冬季極寒天氣時間段無法滿足用熱需求。

中國經濟快速發展的同時，也面臨著水污染、空氣污染、土壤污染等環境生態問題帶來的壓力和挑戰，對此各級政府堅定不移推進生態文明建設。環境質量已成為社會利益沖突的重要觸發點，中國急需在經濟增長、環境保護、生活質量之間尋找恰當平衡點，為此中國扎實推動節能環保事業的切實發展[1]。此外由于經濟快速發展，我國已成為世界上最大的溫室氣體排放國之一，“節能減排”已是我國社會經濟發展的一個重要核心。火力發電廠的冷端損失即乏汽凝結放熱損失是電廠熱力系統的最大損失[2]，以上灣熱電廠為例，在冬季額定供熱工況下，汽輪機排汽損失可占燃料總發熱量的39%以上。汽輪機排出的乏汽對于火力發電廠來說是廢熱排放，但對于建筑物冬季采暖而言則是巨大的能源浪費[3]。就目前中心礦區上灣區域熱負荷不足的情況而言，同時結合環境保護、節能減排兩方面考慮，如何在不新建小容量熱電廠的前提下，有效利用電廠乏汽熱量用于建筑采暖成為了研究重點。

1.2 改造方案

上灣熱電廠汽輪機乏汽雖總體熱量多但溫度低，無法直接進行吸收利用，必須提高溫度才可進行有效利用。

1.2.1 方案比選

汽輪機凝汽余熱品位低，無法滿足直接供熱的要求，必須適當提高其溫度。目前汽輪機凝汽余熱利用有2個較為成熟的方案：一是降低排汽缸真空度，提高排汽溫度，即通常所說的汽輪機組低真空運行；二是在電廠設置吸收式換熱機組吸取汽輪機凝汽余熱實現供熱[4]。2種方案相比較，方案一雖然利用了冷源損失，總體熱效率有很大程度提升，但是汽輪機低真空運行發電量及汽輪機相對內效率降低，同時還存在以下問題：①熱電廠發電量受到熱負荷制約，發電量與熱負荷不能獨立調節，不適用于熱負荷波動較大的熱電廠；②汽輪機生產制造是根據熱電廠運行參數所定制，設備使用溫度、壓力范圍都有固定要求。凝汽壓力過高會使汽輪機末級出口蒸汽溫度升高，溫度、壓力超出使用范圍易引起機組強烈振動，危及設備運行安全；③汽輪機背壓提高會導致機組發電效率降低[5]。相比汽輪機低真空運行，方案二吸收式換熱機組存在以下優勢：①無需改動汽輪機組的結構、運行參數、運行方式，對熱電廠整體運行無影響；②通過使用吸收式換熱機組可大幅降低一次熱網回水溫度，在無需提高汽輪機抽汽參數或排汽背壓的情況下有助于汽輪機乏汽余熱的吸收，即在不影響發電量的前提下可獲得較佳制熱效果；③一網供回水溫差提高后，不需改造管道、循環泵即可提高供熱能力；④改造難度小，占地面積少，工程量少，設備投資較小，改造周期短[6]。

根據熱電廠乏汽余熱無法利用造成冷端損失大、礦區建筑物采暖負荷不足的特點及日趨成熟的吸收式換熱技術，通過比選本次改造使用工藝技術、建設條件、經濟評價均可行的吸收式換熱機組進行熱電廠乏汽余熱回收利用，以實現節能效益、環保效益、社會效益。

1.2.2 方案制定

上灣熱電廠所使用的鍋爐為東方鍋爐(集團)股份有限公司生產的520 t/h自然循環單汽包循環流化床鍋爐，固態排渣，緊身封閉。汽輪機為東方汽輪機有限責任公司生產的超高壓中間再熱、單軸、反動式、雙缸雙排汽、直接空冷抽汽凝汽式汽輪機，汽輪機主要熱力參數見表1。為保障中心區生產、生活用熱，熱電廠最大抽汽工況下折合供熱能力為190 MW。

表1 上灣熱電廠汽輪機主要熱力參數Table 1 Main thermal parameters of steam turbine in Shangwan thermal power plant

熱網首站采暖抽汽采用母管制，從2臺汽輪機引出的五段抽汽在主廠房匯總進入母管后送至上灣供熱首站、上灣一次換熱站、上灣小區換熱站。蒸汽通過汽水換熱器換熱凝結放熱后，凝結水由凝結水泵送至電廠除氧器。系統改造前，上灣熱電廠高溫高壓蒸汽經過汽輪機做功后成為乏汽并在冷凝器內放熱凝結，熱量通過空冷島排入周圍環境中。改造前供熱系統運行原理示意圖，如圖3所示。

圖3 改造前供熱系統運行原理示意Fig.3 Operation principle of heating system before reconstruction

改造過程中為吸收汽輪機乏汽余熱，需在電廠東北角空地安裝吸收式換熱機組，該機組以汽輪機五段采暖抽汽為驅動能源，回收汽輪機乏汽余熱，用于逐級加熱一次網回水。吸收式換熱器吸收的總熱量為抽汽熱量與回收凝汽余熱量之和。若供熱溫度不滿足使用需求，則經過吸收式換熱機組加熱后的采暖供水通過現有汽水換熱器，以汽輪機五段采暖抽汽為熱源進行二次加熱。與此同時在部分二級換熱站安裝吸收式換熱機組，吸收式換熱機組與常規換熱器并列運行。常規換熱器換熱后的一網回水與吸收式換熱機組換熱后的一網回水混合后可有效降低一網回水溫度，較低溫度的回水溫度更有利于吸收乏汽余熱。改造后供熱系統運行原理示意圖，如圖4所示。

圖4 改造后供熱系統運行原理示意Fig.4 Operation principle of heating system after reconstruction

2 吸收換熱機組運行原理

吸收式換熱機組主要由發生器、吸收器、蒸發器、冷凝器4大設備組成，為提高吸收式換熱機組熱力系數還設有濃溶液、稀溶液熱交換器，為使工質在4大設備中進行循環運行，因而還裝有溶液泵、冷劑泵以及相應的連接管道、閥門等[6]。

發生器、蒸發器通過吸熱過程將外部循環工質(高溫驅動熱源、低溫余熱)溫度降低，冷凝器和吸收器通過放熱過程將外部循環工質(吸熱介質)溫度升高。吸收式換熱機組循環流程如圖5所示。

圖5 吸收式換熱機組運行原理Fig.5 Operation principle of absorption heat exchange unit

此次改造吸收式換熱機組使用溴化鋰作為吸收劑，水作為制冷劑。發生器是作為稀溶液吸收熱量被加熱成為濃溶液及水蒸氣的反應容器。溴化鋰稀溶液在發生器內被熱源(高溫驅動熱源)加熱濃縮，產生的水蒸汽進入冷凝器，溴化鋰濃溶液則經過換熱后進入吸收器。冷凝器是來自發生器的水蒸氣冷凝成冷劑水的容器。由發生器產生的水蒸氣進入冷凝器放熱給外部循環工質(吸熱介質)，循環工質溫度升高，冷凝后的冷劑水則通過冷劑泵送至蒸發器。蒸發器是來自冷凝器冷劑水蒸發吸熱的容器。冷劑水進入蒸發器后吸收外部循環工質(低溫余熱)熱量成為水蒸汽并進入吸收器。吸收器是濃溶液吸收水蒸汽并放熱的容器。溴化鋰濃溶液在吸收器中吸收水蒸汽稀釋為溴化鋰稀溶液，并放出熱量加熱外部循環工質(吸熱介質)，產生的稀溶液通過溶液泵進入發生器，從而進行下一循環。此外，吸收式換熱機組內部還設有濃溶液與稀溶液交換熱量的熱交換器，通過換熱一方面提高濃溶液的吸濕性，另一方面減少加熱稀溶液需要的熱量，以提高機組的整體熱效率[7]。

由于吸收式換熱機組中發生器、蒸發器具有吸熱降溫作用，冷凝器、吸收器具有放熱升溫作用，因此在電廠內的吸收式換熱機組利用蒸汽及乏汽在發生器、蒸發器內吸熱降低乏汽熱量，使一次回水依次通過吸收器、冷凝器逐漸吸熱升溫。與此同時在換熱站內新增吸收式換熱機組，使一次供水依次通過發生器和蒸發器進行降溫，二次回水依次通過吸收器和冷凝器進行升溫[8]。通過電廠、換熱站吸收式換熱機組共同作用，以有效利用乏汽熱量用于冬季供熱。

3 吸收式換熱系統構建及系統運行情況

3.1 吸收式換熱系統構建

此次電廠乏汽余熱利用過程不改造熱網系統原有設備，只在電廠及部分換熱站內增加吸收式換熱機組，并對部分管網進行改造。

電廠內安裝吸收式換熱機組：在電廠內部新建吸收式換熱機房，將汽輪機五段抽汽、汽輪機內做功后產生的乏汽、一網回水引至機房內部，其中高溫蒸汽用于系統啟動熱源，乏汽作為主要加熱熱源，一網回水作為熱量吸收主體。抽汽、乏汽冷凝后的冷凝水引至電廠除氧器。

換熱站內安裝吸收式換熱機組：在部分熱負荷較大、周圍場地充足的地方安裝吸收式換熱機組，該機組與換熱站內換熱器并列運行，其主要作用是降低一網回水溫度，便于更好吸收乏汽熱量。最終選取上灣煤礦換熱站、北二區換熱站、李家畔2#換熱站、中心換熱站共計安裝8臺吸收式換熱機組。

管網改造：本次改造后系統循環流量并未增加，因此主管網及循環泵不需改造，僅需對熱源端及二次換熱站管網走向進行重新布置。改造后，一網回水需依次通過吸收式換熱機組、汽水換熱器進行二級加熱，因此需對熱源端管網進行改造同時安裝閥門用于系統切換，管網改造示意如圖6所示。

圖6 熱源端管網改造示意Fig.6 Transformation of heat source pipe network

正常運行期間：關閉閥門1，開啟閥門2、閥門3，使一網回水首先進入位于電廠內部的吸收式換熱機組，吸收乏汽及汽輪機抽汽熱量后完成一級加熱，供水溫度不滿足需求時通過汽水換熱器進行二級加熱。當吸收式機組故障維修期間，開啟閥門1，關閉閥門2、閥門3，使一網回水直接進入汽水換熱器加熱后送入各熱用戶。

非采暖期運行：采暖期乏汽熱量通過吸收式換熱機組傳遞至供熱系統，當非采暖期時通過位于冷凝器與吸收式換熱機組管網中的閥門切換，將乏汽熱量通過空冷島排入周圍環境，具體示意為圖4所示。

3.2 系統運行情況

本項目采用基于吸收式換熱的熱電聯產集中供熱技術，回收神華集團上灣熱電廠2×150 MW直接空冷抽凝式汽輪機乏汽余熱。電廠乏汽余熱利用系統經過調試后投入運行已有2個采暖期，截止目前運行情況良好。電廠內部吸收式換熱機組將一網回水由50 ℃加熱至80 ℃，汽水換熱器使用汽輪機抽汽將一網回水由80 ℃換熱至110 ℃。一網供水經二級換熱站內水-水換熱器及吸收式換熱機組換熱降溫至50 ℃后返回，經電廠吸收式換熱機組及汽水換熱器換熱至110 ℃供出，如此往復循環。

3.2.1 一網供回水溫度變化

由圖7可知，2014—2017年隨著供熱熱負荷增加，換熱站不斷提高供熱系統供水溫度，以滿足供熱需求。2018年吸收式供熱系統投入運行后一網回水溫度明顯降低，供回水溫差由改造前30 ℃增加至60 ℃，供回水溫差的增加表明管網熱輸送能力更強。

圖7 一網供回水溫度逐年變化Fig.7 Annual variation of supply and return water temperature of primary network

3.2.2 循環流量變化

由圖8可知，2014—2017年，由于供熱面積增加，一網循環流量隨之逐年增加，以提高供熱能力。2018年吸收式供熱系統投運后循環流量反而降低，這主要是由于一網供回水溫差增加所導致。

圖8 一網循環流量逐年變化Fig.8 Annual variation of primary network circulation flow

3.2.3 汽輪機抽汽耗熱量變化

由圖9可知，2014—2017年蒸汽消耗量隨供熱面積的增加而增加，2018年吸收式供熱系統投運后由于系統吸收部分乏汽熱量，使得汽輪機抽汽耗熱量明顯降低。

圖9 汽輪機抽汽耗熱量逐年變化Fig.9 Annual variation of extraction heat consumption of steam turbine

3.2.4 經濟型分析

在電廠內安裝吸收式換熱機組，以汽輪機的采暖蒸汽驅動回收汽輪機排汽余熱，用于梯級加熱一次網回水。在換熱站內安裝吸收式換熱機組，與常規水-水換熱器并列運行，在不改變二次網供回水溫度前提下，降低一次網回水溫度至50 ℃左右，一網供回水溫度由原來的110/80 ℃變為110/50 ℃，溫差增加大幅度降低了熱網運行費用。由于熱網低溫回水實現了與汽輪機排汽能級匹配，使得機組處于極佳制熱溫度，從而使熱電聯產集中供熱系統能耗大幅度降低。本項目通過回收汽輪機乏汽余熱，減少汽輪機五段采暖抽汽99 t/h，每個采暖期回收余熱100.3萬GJ。與改造前相比，可增加發電功率13 MW，發電標準煤耗降低24 g/kW·h。每個采暖期全廠可增加發電5 479萬kW·h。增加的發電相當于每個采暖期減少了燃燒標準煤1.73萬t，減少了CO2排放量4.54萬t，減少了SO2排放量147.4 t，減少了NOx排放量128.3 t，減少了固體灰渣量4 248.6 t。

4 系統運行存在問題及解決措施

改造后系統已運行2個采暖期，在運行過程中節能減排及增加的供熱效果明顯，但也逐漸暴露出不足之處，根據存在問題文中提出了解決措施，為吸收式換熱系統吸收熱電廠乏汽余熱的進一步發展奠定了基礎。

4.1 系統運行存在問題

一網回水溫度偏高：由于熱網回水溫度相對偏高，使得電廠內部的吸收式換熱機組制熱性能較差，為達到回收余熱的目的，需要更高汽輪機抽汽參數，從而影響汽輪機組發電效率。

吸收式換熱機組維修不到位：管束清洗不及時、溴化鋰溶液添加不及時，真空泵、冷劑泵保養不到位，使得設備運行效率降低。

運行人員培訓不足：運行人員對設備運行原理認識不清楚，發現故障不及時，影響系統正常運行。

4.2 系統運行解決措施

針對上述存在問題，為便于系統的推廣應用，制定以下解決措施。

增加數量或調整流量：適當增加二次換熱站吸收式換熱機組數量或調整二次換熱站內水-水換熱器及吸收式換熱機組流量，增加吸收式換熱機組流通流量，以降低一網回水溫度。

制定檢修計劃：制定吸收式換熱機組夏季檢修內容及計劃并嚴格執行。

加強人員培訓：加強人員理論培訓及實操演練，使員工能夠排除簡單故障并分析產生原因。

5 結語

此次改造基于吸收式換熱的熱電聯產集中供熱技術，回收上灣熱電廠2×150 MW直接空冷抽凝式汽輪機乏汽余熱，將現有供熱系統與吸收式換熱機組有效結合，配合換熱站改造工程，經過改造后提高了熱源供熱能力，增加了管網輸送能力及電廠發電量，大幅提高電廠熱效率，該方案具有極強的可操作性和可推廣性，可有效緩解北方城市熱電聯產集中供熱面臨的問題，是我國熱電聯產集中供熱方式的未來發展方向。