330 MW機組供熱回水不同回收方案的經(jīng)濟性分析

鄭之民，王立剛，魏 建，陳 磊

（大唐魯北發(fā)電有限責任公司，山東 濱州 251909）

0 引言

節(jié)能減排是我國經(jīng)濟實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基本國策，對于發(fā)電行業(yè)來說，熱電聯(lián)產(chǎn)是實現(xiàn)國家節(jié)能減排的一項重要措施，利用大型亞臨界、超臨界或超超臨界燃煤凝汽式再熱機組的抽汽，替代周邊低參數(shù)、高能耗、高污染小型燃煤機組供熱或供暖，既能提高大型燃煤機組的熱能利用效率，又可有效降低污染排放、減少區(qū)域和全社會的煤炭用量，具有良好的社會效益、環(huán)境效益和較好的經(jīng)濟效益，符合國家節(jié)能減排的政策要求［1-3］。

某電廠坐落于工業(yè)園區(qū)內(nèi)，經(jīng)過供熱改造后已成為該區(qū)域供熱中心。機組運行時熱力系統(tǒng)必然存在一定流量的汽水損失，為保持機組的正常運行，必須及時向熱力系統(tǒng)補充水量。同時機組對外供汽換熱后產(chǎn)生一定量的供熱疏水，采用合理的回收方式回收具有一定溫度的疏水對機組整體熱力系統(tǒng)經(jīng)濟性具有很大影響，影響回水回收方式的因素有疏水回收位置、疏水回收溫度、回水率等［4］。文獻［5］利用等效熱降法對比分析了化學補充水由除氧器補入改為凝汽器補入的經(jīng)濟性，計算結(jié)果表明，雖然過冷度導致熱經(jīng)濟性下降，但補水部位改變后總體熱經(jīng)濟性是提高的；文獻［6］采用熱量法對供熱機組熱網(wǎng)加熱器回水回收到除氧器與低壓加熱器凝結(jié)水管道進行了經(jīng)濟性比較，發(fā)現(xiàn)在機組采暖供熱期間供熱疏水回到低壓加熱器的凝結(jié)水管道比設計情況下回到除氧器的經(jīng)濟性要好；文獻［7］主要以300 MW 級熱電聯(lián)產(chǎn)工程采暖蒸汽凝結(jié)水回收系統(tǒng)為研究對象，對采暖蒸汽凝結(jié)水回收系統(tǒng)進行了論述及對比了各種回收方案的投資及經(jīng)濟效益，提出供熱首站熱網(wǎng)蒸汽凝結(jié)水回水位置至6 號低壓加熱器出口。之前相關研究只考慮了在機組特定負荷下回水溫度或回收位置因素等條件下的對比分析，缺乏對供熱回收各因素系統(tǒng)性的對比分析。

1 供熱回水回收方案

1.1 供熱回水回收方案現(xiàn)場系統(tǒng)接入

4 種不同的供熱回水回收方案系統(tǒng)接入如圖1所示，汽輪機組共有七段抽汽，供熱回水自水泵增壓后供給，考慮用戶供熱回水溫度在50～100 ℃范圍內(nèi)，設計4 種不同的供熱回水回收方案系統(tǒng)接入。方案1 為供熱用戶回水至凝結(jié)水1 號低壓加熱器出口；方案2 為供熱用戶回水至2 號低壓加熱器出口；方案3 為回水至3 號低壓加熱器出口；方案4 為回水至除氧器。

圖1 4種不同的供熱回水回收方案系統(tǒng)接入

1.2 熱力系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)

為評價4 種供熱回水方案在不同負荷下的經(jīng)濟性，以機組100% 熱耗率驗收工況（Turbine Heat Acceptance，THA）、75%THA、50%THA 典型熱力工況數(shù)據(jù)為基礎，按照熱力系統(tǒng)簡捷計算整理數(shù)據(jù)如表1 所示，其中τj為凝結(jié)水在NOj加熱器焓升，kJ/kg；qj為抽汽在NOj加熱器放熱量，kJ/kg；γj為疏水在NOj加熱器放熱量，kJ/kg。

2 供熱回水方案的經(jīng)濟性評價

等效熱降法是20 世紀70 年代發(fā)展起來的熱工理論，是熱力系統(tǒng)分析、計算和節(jié)能研究的一種實用性方法。相關研究證明［8-10］，對于主熱力系統(tǒng)，等效熱降整體算法計算結(jié)果與常規(guī)熱平衡法一致。它既可用于熱力系統(tǒng)的整體計算，也可用于局部的分析和經(jīng)濟診斷，將等效熱降法理論與現(xiàn)場實際應用相結(jié)合，為火電廠熱力系統(tǒng)的經(jīng)濟性診斷、節(jié)能改造項目效益評估、運行指標分析等提供了一種計算方法。應用攜帶熱量的工質(zhì)進出熱系統(tǒng)的法則整理并推導出適合本研究機組的回水回收方式的等效熱降計算模型。

2.1 供熱回水方案的熱經(jīng)濟指標計算模型

1 kg 新蒸汽的實際做功，即新蒸汽的等效熱降［11］

式中：h0為新蒸汽比焓，kJ/kg；σ為1 kg 蒸汽在再熱器的吸熱量，kJ/kg；hn為汽輪機排汽比焓，kJ/kg；z為加熱器級數(shù)為NOj級加熱器抽汽效率；∑Π為加熱器散熱、軸封漏汽及利用、抽氣器耗汽和泵功耗能等輔助成分做功損失的總和。

份額為αm的供熱回水至1號低壓加熱器出口凝結(jié)水管道，一方面回水熱量引起2 號低壓加熱器抽汽變化，另一方面回水工質(zhì)的補充引起1 號低壓加熱器抽汽量變化，由于供熱回水回收引起的新蒸汽做功變化為兩者之和，即

表1 不同機組負荷下回熱加熱器的熱力特性參數(shù)單位：kJ/kg

式中：αm為回水流量份額為供熱回水比焓，kJ/kg；為1號低壓加熱器出口凝結(jié)水比焓，kJ/kg。

依次可得份額為αm供熱回水至2 號低壓加熱器、3號低壓加熱器出口出凝結(jié)水管道及除氧器時對應方案2、方案3、方案4的計算模型分別為：

供熱回水回收使機組效率相對變化為

標準煤耗率變化為

全年耗用標準煤量變化為

式中：N為機組1年的發(fā)電量，kWh。

2.2 不同供熱回水方案的經(jīng)濟性對比分析

為分析回水溫度、機組負荷、回水流量變化對供熱回水方案經(jīng)濟性的影響，通過以上建立的經(jīng)濟指標計算模型，通過單一變量原則對比計算分析各因素變化時，采用不同的回水方案對機組單位新蒸汽做功變化ΔH的影響。

2.2.1 不同回水溫度影響

為了研究回水溫度變化對供熱回水方案經(jīng)濟性的影響，保持其他條件不變（負荷75%THA，回水流量100 t/h），選取5個溫度工況進行對比，如圖2所示。

圖2 不同供熱回水溫度影響

從圖2 可以看出，隨著回水溫度的升高，4 種回水回收方案下機組經(jīng)濟性都提高，回水溫度升高回水比焓增大，回水攜帶熱量升高排擠抽汽增加，做功能力增強。另一方面回水在同一溫度下，不同回水方案對經(jīng)濟性的影響不同，甚至存在同一回水溫度回收到不同方案產(chǎn)生截然相反的效果。如當回水溫度60 ℃時，方案1、方案2提高了機組經(jīng)濟性，而方案3、方案4 反而降低了機組經(jīng)濟性。供熱回水工質(zhì)隨凝結(jié)水進入加熱器時隨溫度高低可能會吸收或排擠高品質(zhì)加熱器抽汽導致做功增加或減少，同時回水補入系統(tǒng)后排擠了下級低品質(zhì)加熱器系統(tǒng)的抽汽做功增大，當回水加熱導致高品質(zhì)蒸汽抽汽增大做功減少超過做功增加時，反而會降低機組經(jīng)濟性。隨著回水溫度變化，機組存在一個最為經(jīng)濟的回收方式，如圖2 所示在回水溫度60 ℃時候采取方案1 最經(jīng)濟，而采用方案4 反而做功減少，當回水溫度達到100 ℃時候則采用方案3 最經(jīng)濟。可以看出隨著回水溫度升高，供熱回水經(jīng)濟性最高值向更高加熱抽汽對應的回水方案移動。

2.2.2 不同機組負荷影響

為了研究機組負荷變化對供熱回水方案經(jīng)濟性的影響，保持其他條件不變（回水溫度70 ℃，回水流量100 t/h），選取3個負荷工況進行對比分析，如圖3所示。

圖3 不同機組負荷影響

從圖3 可以看出，隨著機組負荷升高，4 種回水回收方案下機組經(jīng)濟性都降低。隨著機組負荷升高機組回熱抽汽流量增大做功能力增強，而回水回收熱量一定，單位新蒸汽做功變化有限，其對機組影響占比降低。不同機組負荷下對應的回水最經(jīng)濟性回收方案不同，如圖3 所示在機組負荷165 MW 時最經(jīng)濟回水回收為方案2，而在負荷330 MW 時最經(jīng)濟回收方案變?yōu)榉桨?。隨著機組負荷升高各回熱抽汽流量增大換熱能力增強，進入機組加熱器的凝結(jié)水溫度隨之升高。當供熱回水溫度低于回收至該加熱器的凝結(jié)水溫度時，引起加熱器高品質(zhì)抽汽增大，機組做功能力降低經(jīng)濟性下降。可見在回水溫度一定時，隨著負荷升高，供熱回水經(jīng)濟性最高值向更低回熱抽汽對應的回水方案移動。

2.2.3 不同回水流量影響

為了研究供熱回水流量變化對供熱回水方案經(jīng)濟性的影響，保持其他條件不變（機組負荷250 MW，回水溫度70 ℃），選取5個流量工況進行對比分析。

圖4 不同回水流量影響

從圖4 可以看出，隨著供熱回水流量變化，4 種回水回收方案下機組經(jīng)濟性都成比例變化。當回水溫度一定時，回水帶入機組熱力系統(tǒng)的工質(zhì)熱量與回水流量成比例關系，由前面分析可得，供熱回水回收最經(jīng)濟方案隨著回水溫度、機組負荷而變化，回水流量的變化引起回水回收方案經(jīng)濟性成比例的變化。如圖4 所示，方案1、方案2、方案3 在該工況下機組經(jīng)濟變化為正值，而方案4 在該工況下機組經(jīng)濟變化為負值，回水流量的增大加大了經(jīng)濟變化的影響。可見根據(jù)機組負荷、回水溫度等條件合理選擇回水方案至關重要。

3 實際案例計算分析

由以上分析可得，在機組供熱回水溫度、機組負荷、回水流量一定時存在一個供熱回水回收最經(jīng)濟方案，某發(fā)電廠統(tǒng)計期內(nèi)供熱回水平均流量約80 t/h，供熱回水溫度與流量的加權平均值約86 ℃，平均負荷率約70%即231 MW，該負荷下各熱力特性參數(shù)根據(jù)文獻［11］提供的熱系統(tǒng)變工況方法計算可得，4種供熱回水回收方案下的經(jīng)濟指標計算結(jié)果如表2所示。

表2 等效熱降計算數(shù)據(jù)

由表2 可知，4 種回水回收方案均提高了機組整體經(jīng)濟性，其中方案2 節(jié)能量最大，機組供電煤耗降低0.68 g/kWh；方案4 最不經(jīng)濟，機組供電煤耗降低0.31 g/kWh；回水回收方案按照經(jīng)濟性排序為方案2>方案1>方案3>方案4。回水方案均為回收回水至機組熱力系統(tǒng)中，不同之處在于回水熱量利用的加熱器能級不同，從熱量平衡角度來說4 種方案均沒有明顯熱量損失，但從熱變功角度來講，方案2 較其他方案回收的能量能級利用更高，不可逆損失更小［12］，表現(xiàn)為在機組負荷、回水溫度、回水流量一定情況供電煤耗降幅最大。

選定方案2 為機組最經(jīng)濟供熱回水回收改造方案，按照機組年運行小時7 000 h、發(fā)電標煤單價650 元/t計算改造后經(jīng)濟效益，結(jié)果表明：方案2全年節(jié)約標煤量1 106.7 t，創(chuàng)造經(jīng)濟效益71.94萬元，較方案4增加經(jīng)濟效益39.07萬元。可見通過合理地選擇設計及技術改造方案，充分利用供熱回水熱量實現(xiàn)能量梯級利用，可以提高機組經(jīng)濟性，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。

4 結(jié)語

隨著供熱回水溫度的升高，供熱回水至機組經(jīng)濟性提高，在同一溫度下，不同回水方案對經(jīng)濟性的影響不同，隨著回水溫度升高，供熱回水經(jīng)濟性最高值向更高回熱抽汽對應的回水方案移動。

不同機組負荷工況下對應的回水最經(jīng)濟性回收方案不同，隨著機組負荷升高，供熱回水經(jīng)濟性最高值向更低回熱抽汽對應的回水方案移動。

隨著供熱回水流量變化，供熱回水至機組經(jīng)濟性成比例變化，供熱回水回收最經(jīng)濟方案隨著回水溫度、機組負荷而變化，回水流量的變化引起回水回收方案經(jīng)濟性成比例的變化。

在機組供熱回水溫度、機組負荷、回水流量一定時存在一個供熱回水回收最經(jīng)濟方案。