直接空冷機(jī)組供熱方案比選

郝相俊，耿衛(wèi)眾

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司， 山西 太原 030001；2.古交西山發(fā)電有限公司， 山西 古交 030206）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)及低效分散燃煤鍋爐的拆除，城鎮(zhèn)的熱負(fù)荷缺口不斷增加，需要大幅度地增加熱源的供熱能力。在我國(guó)北方干旱少雨的采暖供熱區(qū)域，熱源供熱方式中熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱應(yīng)用廣泛且較為經(jīng)濟(jì)[1]，采暖供熱主要以空冷機(jī)組為主。 結(jié)合我國(guó)北方地區(qū)的供熱方式，對(duì)直接空冷機(jī)組供熱方案適用條件進(jìn)行比較分析，以期為同類型機(jī)組供熱改造方案的選擇提供參考。

1 空冷機(jī)組的特點(diǎn)

空冷機(jī)組與濕冷機(jī)組相比顯著的特點(diǎn)是全廠耗水量低[2]，機(jī)組排汽背壓高。濕冷機(jī)組的設(shè)計(jì)背壓通常為3～5 kPa， 空冷機(jī)組的設(shè)計(jì)背壓通常為11～15 kPa，夏季運(yùn)行甚至能高達(dá)35 kPa。 空冷機(jī)組的這部分乏汽余熱對(duì)電廠來說是不可利用的廢熱，需要排掉， 而對(duì)于采暖供熱系統(tǒng)是可利用的低溫?zé)嵩碵3]，應(yīng)科學(xué)地利用這部分熱量。

2 供熱參數(shù)

2.1 供熱熱媒

在采暖供熱中， 常用的供熱熱媒是水和蒸汽。在這兩種介質(zhì)中，水具有輸送距離長(zhǎng)、熱能利用率高的特點(diǎn)，蒸汽具有適用面廣泛、輸送距離短的特點(diǎn)。在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中，機(jī)組供熱能力大，供熱區(qū)域大，供熱距離長(zhǎng)，故采暖供熱通常采用水作為供熱介質(zhì)。

2.2 供熱方式

集中供熱系統(tǒng)由熱源、熱網(wǎng)和熱用戶3 部分組成。 根據(jù)熱用戶與熱網(wǎng)連接方式的不同，分為直接連接和間接連接。直接連接是熱用戶直接連接于熱網(wǎng)上，這種連接方式通常用于供熱范圍較小、供熱高差變化較小的系統(tǒng)。間接連接方式是在熱網(wǎng)與熱用戶之間設(shè)置水水換熱器，用戶系統(tǒng)與主管網(wǎng)系統(tǒng)形成兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，用戶與熱網(wǎng)之間的水力工況互不影響。自熱源廠至水水換熱器之間的主管網(wǎng)通常稱為供熱一次網(wǎng)。 在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中，由于供熱區(qū)域大，熱用戶高差變化較大，為了保證整個(gè)熱網(wǎng)的安全，通常采用間接供熱的方式。 本文介紹的供熱方式為間接供熱方式，供回水參數(shù)為一次網(wǎng)供回水參數(shù)。

2.3 熱網(wǎng)循環(huán)水參數(shù)

在較早的供熱設(shè)計(jì)中， 一次網(wǎng)的設(shè)計(jì)供回水溫度取得較高，通常為130/70 ℃。 目前，大部分熱電廠的實(shí)際最高供回水溫度都低于早前的設(shè)計(jì)供回水溫度， 通常為110/50 ℃。 隨著供熱技術(shù)的發(fā)展， 為了提高供熱管網(wǎng)輸送能力及提高余熱利用率，一些地區(qū)采用了大溫差供熱技術(shù)，比如設(shè)計(jì)供回水溫度為130/30 ℃。回水溫度越低，對(duì)回收機(jī)組的余熱越有利，為了普適性，本文取設(shè)計(jì)供回水溫度為110/50 ℃。

2.4 熱網(wǎng)調(diào)節(jié)方式

本文介紹的熱網(wǎng)調(diào)節(jié)方式是指一次網(wǎng)的調(diào)節(jié)方式。 目前常見的一次網(wǎng)調(diào)節(jié)方式主要有以下幾種[4]：一是量調(diào)節(jié)，改變網(wǎng)路的循環(huán)水量（一般很少單獨(dú)使用）；二是質(zhì)調(diào)節(jié)，改變網(wǎng)路的供回水溫度；三是分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)；四是間歇調(diào)節(jié)，改變每天供暖小時(shí)數(shù)；五是質(zhì)量—流量調(diào)節(jié)，即同時(shí)改變網(wǎng)路供水溫度和流量。在一般的實(shí)際工程中，應(yīng)用較多的為質(zhì)調(diào)節(jié)和分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)。 本文的計(jì)算以質(zhì)調(diào)節(jié)為基準(zhǔn)。

2.5 供熱特性

本文以太原市的供熱參數(shù)為例，介紹熱網(wǎng)循環(huán)水的供回水變化曲線以及各供回水溫度下的供熱占比。 取設(shè)計(jì)供回水溫度為110/50 ℃。

在太原市的供熱過程中，熱網(wǎng)循環(huán)水的供回水溫度隨著環(huán)境溫度的降低，供、回水溫度都逐漸升高，供回水溫差變大；低溫度的供水在整個(gè)采暖期間的占比較高，隨著供水溫度的升高，占比逐漸降低。 在空冷發(fā)電機(jī)組中，機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行排氣背壓（絕對(duì)壓力）在11～15 kPa 之間，排汽溫度約為48～54 ℃，以排汽溫度為52 ℃為例，能把熱網(wǎng)循環(huán)水加熱至約50 ℃， 僅利用機(jī)組的乏汽余熱的供熱量就占到總供熱量約16.6%。 這部分熱量完全利用機(jī)組的余熱，未增加機(jī)組的能耗。因此，在空冷機(jī)組供熱中，這部分余熱應(yīng)該首先被利用。 若外網(wǎng)采用大溫差供熱技術(shù)，這部分余熱利用量會(huì)更高，更應(yīng)該利用這部分余熱。采暖季隨著環(huán)境溫度的變化不同供水溫度的占比如圖1 所示。 由圖1 可知，隨著環(huán)境溫度的降低，低溫供水占比逐漸降低，高溫供水占比逐漸升高。

圖1 采暖季隨環(huán)境溫度變化不同供水溫度的占比

3 供熱方案

3.1 加熱熱網(wǎng)循環(huán)水基本方式

根據(jù)加熱熱源參數(shù)的不同，選用的加熱設(shè)備也不同，加熱熱網(wǎng)循環(huán)水的基本方式可分為熱網(wǎng)加熱器加熱、凝汽器加熱、熱泵加熱。

3.1.1 熱網(wǎng)加熱器

熱網(wǎng)加熱器利用的加熱蒸汽通常為機(jī)組的供熱抽汽， 供熱抽汽相對(duì)于供熱是品質(zhì)較高的熱源，它的適用范圍廣，可以將熱網(wǎng)循環(huán)水加熱至設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的任何所需溫度。

3.1.2 凝汽器

凝汽器利用的加熱蒸汽通常為機(jī)組的乏汽，受機(jī)組排汽壓力的影響， 它的適用范圍相對(duì)較窄，適合于對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水的低溫加熱。

3.1.3 熱泵

熱泵是在一定高品位能的驅(qū)動(dòng)下提取低品位能形成中品位的能。 根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同，熱泵分為壓縮式熱泵、吸收式熱泵。在火力發(fā)電廠中，應(yīng)用較多的為吸收式熱泵，本文所指熱泵為溴化鋰吸收式熱泵。

在熱源廠的供熱系統(tǒng)中，熱泵適用于對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水的中溫加熱。利用空冷機(jī)組乏汽余熱型熱泵的出水溫度能達(dá)到80～90 ℃。

3.2 供熱方案

3.2.1 方案簡(jiǎn)介

根據(jù)空冷機(jī)組的特點(diǎn)以及基本加熱方式的不同，形成了以下供熱方案：方案一——常規(guī)背壓凝汽器+熱網(wǎng)加熱器供熱方案（注：“+”表示串聯(lián)，下同），以下簡(jiǎn)稱常規(guī)供熱方案；方案二——常規(guī)背壓凝汽器+熱泵+熱網(wǎng)加熱器供熱方案， 以下簡(jiǎn)稱熱泵供熱方案； 方案三——高背壓凝汽器+熱網(wǎng)加熱器，以下簡(jiǎn)稱高背壓供熱方案。

a） 常規(guī)供熱方案。 本方案是對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行兩級(jí)梯級(jí)加熱，首先通過凝汽器利用機(jī)組的常規(guī)背壓乏汽對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行初級(jí)加熱，然后利用熱網(wǎng)加熱器對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行終級(jí)加熱，達(dá)到所需的溫度后向外供熱。

b） 熱泵供熱方案。 本方案是對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行三級(jí)梯級(jí)加熱，首先通過凝汽器利用機(jī)組的常規(guī)背壓乏汽對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行初級(jí)加熱，然后再利用熱泵對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行加熱，最后利用熱網(wǎng)加熱器對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行終級(jí)加熱，達(dá)到所需的溫度后向外供熱。

c） 高背壓供熱方案。 本方案是對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行兩級(jí)梯級(jí)加熱，與常規(guī)方案的不同在于抬高了機(jī)組的運(yùn)行背壓，即提高了加熱蒸汽的溫度，在乏汽加熱能力范圍內(nèi)， 熱網(wǎng)循環(huán)水的出水溫度升高，乏汽余熱利用量增加。

常規(guī)方案與熱泵方案相比，熱泵方案利用機(jī)組的乏汽量增加，熱泵方案優(yōu)于常規(guī)方案。

常規(guī)方案與高背壓方案相比，高背壓方案提高了機(jī)組的乏汽余熱利用量， 但是機(jī)組背壓抬高，機(jī)組能耗增加，因此需要分析常規(guī)供熱方案與高背壓供熱方案的適用條件。

熱泵方案與高背壓方案都比常規(guī)方案提高了機(jī)組的乏汽余熱利用量，熱泵方案是在一定高品位能驅(qū)動(dòng)下提取機(jī)組的乏汽余熱，高背壓方案是通過提高機(jī)組的背壓來提取機(jī)組的乏汽余熱，這兩種方案哪一種更節(jié)能，需要分析熱泵方案與高背壓方案的適用條件。

3.2.2 供熱方案比選

a） 基本參數(shù)。基本參數(shù)主要包括機(jī)組參數(shù)和供熱參數(shù)。 第一，機(jī)組參數(shù)。 目前供熱改造的主流機(jī)組為300 MW 亞臨界純凝機(jī)組、300 MW 亞臨界供熱機(jī)組、600 MW 亞臨界純凝機(jī)組、600 MW 超臨界純凝機(jī)組。 本文以熱源廠裝機(jī)容量為2×300 MW 亞臨界純凝機(jī)組、2×300 MW 亞臨界供熱機(jī)組、2×600 MW亞臨界供熱機(jī)組、2×600 MW 超臨界供熱機(jī)組為例進(jìn)行比較。各機(jī)組的供熱抽汽參數(shù)、排汽背壓參數(shù)如表1 所示。 第二， 供熱參數(shù)。 設(shè)計(jì)供回水溫度110/50 ℃，凝汽器換熱的上端差取1 ℃，熱泵的制熱性能系數(shù)取1.7， 熱網(wǎng)循環(huán)水經(jīng)熱泵加熱后設(shè)計(jì)出水溫度取85 ℃。

表1 機(jī)組參數(shù)表

b） 比較原則。 本文以供熱標(biāo)煤耗作為比選基準(zhǔn)，耗標(biāo)煤量較低的方案為優(yōu)選方案。

c） 供熱方案比較。由供熱特性可知，在設(shè)計(jì)工況下，低溫供水的占比最低，即高背壓供熱或熱泵供熱占比最低。 因此，當(dāng)在設(shè)計(jì)工況下利用低溫供熱方案為優(yōu)選方案時(shí)，在其他部分負(fù)荷工況下也是優(yōu)選方案。

第一，常規(guī)方案與高背壓方案比較。 根據(jù)基本參數(shù)及比較原則，進(jìn)行了常規(guī)方案與高背壓方案的比較。 在設(shè)計(jì)工況下，高背壓方案優(yōu)于常規(guī)方案的臨界曲線如圖2、圖3 所示。

圖2 2×300 MW 機(jī)組高背壓方案優(yōu)于常規(guī)方案的臨界曲線

圖3 2×600 MW 機(jī)組高背壓方案優(yōu)于常規(guī)方案的臨界曲線

由圖2、圖3 可知，常規(guī)方案與高背壓方案相比，當(dāng)供熱負(fù)荷較大時(shí)適合采用高背壓方案，隨著機(jī)組背壓的提升，適用的供熱負(fù)荷也逐漸減小。 以2×600 MW 超臨界機(jī)組為例，當(dāng)機(jī)組設(shè)計(jì)背壓(絕對(duì)壓力)為45 kPa，供熱負(fù)荷大于550 MW 時(shí)，采用高背壓方案較優(yōu)，當(dāng)供熱負(fù)荷低于550 MW 時(shí)，采用常規(guī)方案優(yōu)。

第二，熱泵方案與高背壓方案比較。 根據(jù)基本參數(shù)及比較條件，進(jìn)行了熱泵方案與高背壓方案的比較。 在設(shè)計(jì)工況下，高背壓方案優(yōu)于熱泵方案的臨界曲線如圖4、圖5 所示。

圖4 2×300 MW 機(jī)組高背壓方案優(yōu)于熱泵方案的臨界曲線

圖5 2×600 MW 機(jī)組高背壓方案優(yōu)于熱泵方案的臨界曲線

由圖4、圖5 可知，熱泵方案與高背壓方案相比，當(dāng)供熱負(fù)荷較大時(shí)適合采用高背壓方案， 但是當(dāng)機(jī)組背壓較低時(shí)，供熱負(fù)荷已超出了機(jī)組的供熱能力。因此，對(duì)于僅2 臺(tái)機(jī)組的供熱系統(tǒng)，高背壓方案適合背壓提升較高的情況。以2×600 MW 機(jī)組為例，背壓提高至35 kPa 以上時(shí)，高背壓供熱才開始有優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語

每一種供熱方案都有一定的使用范圍， 在實(shí)際的工程中， 應(yīng)根據(jù)不同的情況進(jìn)行針對(duì)性地分析。 本文針對(duì)目前主流機(jī)組的參數(shù)，研究了不同供熱方案的適用條件以及不同供熱方案的使用范圍， 對(duì)各主流機(jī)組初期選擇供熱方案具有一定的指導(dǎo)意義。