某生物質(zhì)電廠30 MW汽輪機(jī)低真空改造利用排汽余熱供暖項(xiàng)目案例分析

劉惠寧

(黑龍江省節(jié)能監(jiān)測中心，哈爾濱 150001)

0 引 言

某北方地區(qū)生物質(zhì)發(fā)電廠坐落于城區(qū)邊緣，現(xiàn)有一臺130 t/h高溫高壓生物質(zhì)蒸汽鍋爐，配30 MW汽輪機(jī)為純凝機(jī)組，基本滿發(fā)。目前冷源損失全部上塔散失到大氣中去。該機(jī)組采用低真空改造技術(shù)用于熱電聯(lián)供是成熟技術(shù)，全國有數(shù)百個成功運(yùn)行的案例，按照技術(shù)先進(jìn)、低能耗、低污染、控制投資的要求，確保項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳、提高經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。

1 項(xiàng)目內(nèi)容

該發(fā)電廠機(jī)組運(yùn)行工況如下：生物質(zhì)鍋爐蒸發(fā)量為130 t/h，汽輪機(jī)滿負(fù)荷功率為30 MW，運(yùn)行狀況良好。本項(xiàng)目主工程分為兩個部分：廠內(nèi)部分主要為汽輪機(jī)的低真空改造工程；廠外管網(wǎng)工程。

(1)廠內(nèi)的汽輪機(jī)低真空改造：對凝汽器的兩個通道做供暖水/循環(huán)水切換改造；增加列管式換熱器，用廠區(qū)內(nèi)20 t/h，5 ℃深井水取走空冷器、油冷器的熱量；原有循環(huán)水系統(tǒng)做上塔/不上塔的自動切換。

電氣及控制部分：電動蝶閥、PLC控制柜、儀表等電氣設(shè)備及控制系統(tǒng)功率為20 kW；由總配電室380 V開關(guān)柜引出；新增PLC控制柜安裝在原有配電室或控制室內(nèi)。

(2)廠外管網(wǎng)工程：

敷設(shè)生物質(zhì)電廠與原供熱系統(tǒng)之間的主管線總長度5 200米(雙程)，管線為DN900聚氨酯保溫管。

2 改造風(fēng)險分析

低真空技術(shù)是成熟的技術(shù)，技術(shù)風(fēng)險相對可控。

(1)生物質(zhì)電廠地勢較低，現(xiàn)有供熱系統(tǒng)一次網(wǎng)回水壓力波動帶來的凝汽器斷水的風(fēng)險較低；

(2)生物質(zhì)電廠和供熱系統(tǒng)現(xiàn)有管網(wǎng)之間的距離較長，供暖水管徑較粗，即使現(xiàn)有高溫水網(wǎng)出現(xiàn)泄露等故障，導(dǎo)致凝汽器斷水和真空度迅速惡化的風(fēng)險也比較低；

(3)低真空系統(tǒng)在運(yùn)行過程中要投用可靠的連鎖保護(hù)，確保當(dāng)供暖水流量和凝汽器真空度低于某個保護(hù)值時迅速切換回原有的循環(huán)水系統(tǒng)，確保汽輪機(jī)不跳機(jī)。

(4)當(dāng)電廠機(jī)組停運(yùn)時，無法為市政供暖需求提供熱源，這部分熱量缺口由城區(qū)116 MW熱水爐進(jìn)行補(bǔ)充。

3 低真空改造方案

經(jīng)核實(shí)供暖季任何時候，現(xiàn)有高溫水網(wǎng)均可全部消耗掉生物質(zhì)電廠30 MW汽輪機(jī)排汽的全部余熱。此外，高溫水網(wǎng)供暖季初末期水量為4 000 t/h，極寒季水量為4 500 t/h，也具備完全取走30 MW汽輪機(jī)排汽全部余熱的條件。

通過將高溫水網(wǎng)所有換熱站板換的散熱片更換為高性能的散熱片后，可以將一次網(wǎng)回水溫度和二次網(wǎng)回水溫度的差值控制在2 ℃以內(nèi)。這樣，供暖季初末期一次網(wǎng)回水溫度不超過33℃，按4 000 t/h的供暖水量計(jì)算，則供暖水出水溫度不超過45 ℃，凝汽器端差按7 ℃考慮，則排汽溫度為52 ℃，凝汽器對應(yīng)的真空度為86 kPa；極冷季節(jié)，一次網(wǎng)回水溫度不超過43 ℃，按4 500 t/h的供暖水量計(jì)算，則供暖水出水溫度不超過53 ℃，凝汽器端差按7 ℃考慮，則排汽溫度為60 ℃，凝汽器對應(yīng)的真空度為80 kPa。即低真空改造后，凝汽器的真空度在80～86 kPa之間。

30 MW汽輪機(jī)改造的系統(tǒng)流程圖如圖所示。

低真空投運(yùn)前，應(yīng)對凝汽器進(jìn)行徹底的人工疏通清洗，確保將凝汽器端差控制在正常的7 ℃以內(nèi)。

4 低真空改造的安全性

低真空改造過程中，主要的安全性涉及：真空度上升，對汽輪機(jī)軸向應(yīng)力的影響，氣缸膨脹對通流間歇的影響；汽輪機(jī)本體與凝汽器連接管道的熱膨脹對汽輪機(jī)運(yùn)行的影響；凝汽器管側(cè)承壓的變化的影響。本項(xiàng)目凝汽器真空度的設(shè)計(jì)值為80～86 kPa，低真空運(yùn)行的安全性沒有問題。

5 低真空改造后發(fā)電量的降低

改造后，由于真空度的降低，汽輪機(jī)的汽耗將上升。

本次低真空改完后凝汽器的真空度在80～86 kPa之間，因此對發(fā)電的影響較低。按平均真空度83 kPa考慮，預(yù)計(jì)凝汽器每凝結(jié)1 t蒸汽損失發(fā)電30 kWh。按凝結(jié)1噸蒸汽回收熱量2.3吉焦估算，即每回收1吉焦余熱損失發(fā)電13.04 kWh。

6 兩種運(yùn)行方式的切換

循環(huán)水系統(tǒng)與供暖水系統(tǒng)的隔離采用雙閥，可以達(dá)到多次開啟關(guān)閉后零泄露的標(biāo)準(zhǔn)。

凝汽器為雙通道，每個通道均可獨(dú)立選擇通供暖水還是循環(huán)水。其中一路為自動閥，一路為手動閥。

進(jìn)入供暖季，待市政供暖系統(tǒng)一次網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行后，即可進(jìn)行切換。

一路的自動閥處于連鎖的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)凝汽器真空度低于保護(hù)值或者供暖水量低于保護(hù)值，四個氣動蝶閥可以在10秒內(nèi)自動將一個通道切換回循環(huán)水狀態(tài)，確保不會出現(xiàn)跳機(jī)。一旦切換回循環(huán)水狀態(tài)后，原循環(huán)水泵出口壓力降低，原循環(huán)水泵的連鎖應(yīng)立即將循環(huán)水泵頻率升至50 Hz，并啟動另外的一臺循環(huán)水泵，以保證足夠的循環(huán)水量。同時，自動保護(hù)程序關(guān)閉晾水塔旁路蝶閥，使循環(huán)水上塔。

冬季一旦出現(xiàn)切回循環(huán)水的自動保護(hù)，待供暖水系統(tǒng)故障消除后，還需將循環(huán)水切換回供暖水。循環(huán)水不再上塔后，應(yīng)立即用熱空氣將晾水塔噴頭內(nèi)的存水吹出，以防止晾水塔切換一次后發(fā)生凍堵現(xiàn)象。此外，對局部凍住的噴頭，可采用蒸汽化凍。

7 晾水塔冬季備用

由于空冷、油冷等除了凝汽器的其他冷卻設(shè)備對冷卻水溫都有很高的要求，因此僅對凝汽器進(jìn)行取熱。循環(huán)水與供暖水的切換閥門做在凝汽器四根進(jìn)出口管道上。除凝汽器以外的其他管線依然按原來的循環(huán)水方式運(yùn)行。

由于凝汽器余熱被取走，循環(huán)水中僅有空冷器和油冷器的少部分熱量(約相當(dāng)于1～2 t/h蒸汽的熱量)，循環(huán)水必須保持不凍，24小時備用。可采取如下措施：

(1)循環(huán)水量降低，可停止運(yùn)行一臺循環(huán)水泵，另一臺循環(huán)水泵降頻運(yùn)行，以節(jié)省供暖水運(yùn)行狀態(tài)下原循環(huán)水泵的電耗；

(2)考慮到循環(huán)水不上塔后空冷器，冷油器的產(chǎn)熱量不斷積累，可增加一列管式換熱器，將循環(huán)水分出一旁路，用廠區(qū)生水進(jìn)行冷卻。

8 節(jié)能效果分析

本項(xiàng)目利用30 MW汽輪機(jī)排汽的余熱，補(bǔ)入高溫水網(wǎng)，降低了燃煤消耗，按每小時回收余熱200 GJ核算，供暖季180天可回收余熱約86.4萬GJ，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)煤3.456萬噸/年，減排二氧化碳8.64萬噸/年。

9 結(jié)束語

通過對30 MW汽輪機(jī)的低真空改造及配套供熱系統(tǒng)(管線及換熱站)的建設(shè)，可充分回收純凝機(jī)組的冷源損失用于采暖供熱，有效替代城區(qū)熱源點(diǎn)的燃煤消耗，降低了區(qū)域的二氧化碳的排放份額排放，符合目前的節(jié)能環(huán)保政策，響應(yīng)了國家“碳達(dá)峰”“碳中和”的政策要求。該項(xiàng)目技術(shù)方案成熟可靠、工藝路線和設(shè)備配置合理，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。