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          電廠循環水余熱利用技術綜述
          2015-06-29 10:59:16|點擊次數:

          熱電聯產引言建筑節能在我國節能減排全局中占有重要地位,而北方城鎮供熱在我國建筑能耗中所占的比例最大(約占40%),因此供熱節能是我國節能工作的重中之重。在北方城鎮的主要供暖方式中,熱電聯產因單位供暖煤耗遠低于區域鍋爐和各類分散供暖方式(分戶燃氣供暖和電熱供暖),是目前公認的能源轉換效率最高的熱源形式。另一方面,當前熱議的水源、地源熱泵供熱技術在北方地區得到了大力推廣,有些城市把這種形式作為應用可再生能源的一種方式,并作為考核是否實現建筑節能的重要標志,但其實現的節能效果受到了置疑,文獻[1]指出,很難認為電驅動水源熱泵供暖是具有顯著節能效果的措施,北方地區的多數工程表明其能耗水平與大型燃煤鍋爐差別不大,只有在特定的條件下,才有可能低于大型燃煤鍋爐,而其能效完全不可能與熱電聯產方式相比。隨著城市規模的迅猛擴張,我國很多地方出現了集中熱源不足的問題,因供熱造成的城市環境與經濟承載力問題也日益凸現。然而,大容量、高參數供熱機組所產生的大量低壓缸排汽余熱目前基本上沒有得到利用,而是通過循環冷卻水系統排放到了這部分低品位余熱能量巨大,以北京市為例,6個主力熱電廠的總供熱能力約為4128MW,排放的循環水余熱量約為1240MW,如能將這部分余熱回收用于供熱,現有電廠的供熱能力可提高30%C2]。電廠循環水余熱利用存在的問題是循環水的溫度通常比較低(冬季約為20~35℃),達不到直接供熱的品位要求,需設法適當提高溫度,可采用的方法有2個:一是降低排汽缸真空,提高乏汽溫度,即通常所說的汽輪機組低真空運行;二是以電廠循環水為低位熱源,采用熱泵技術吸取其中余熱實現供熱。汽輪機低真空運行供熱技術在理論上可以實現很高的能效,國內外都有很多成功的研究成果和運行經驗。但傳統的低真空運行技術因發電功率受用戶熱負荷的制約,需對汽輪機結構做出相應的改造,因而不適合應用于大容量、高參數的供熱機組¨引。熱泵技術方面,文獻[5]"7]從提高系統熱力學完善性的角度出發,對利用低品位(低于40℃)余熱的熱電聯產供熱新模式進行了理論分析,提出了"以30℃左右的常溫電廠循環水通往用戶,用熱泵就地吸收其熱量送往用戶,被冷卻后的熱網水再回凝汽器作循環冷卻水使用"的設想。此后,業內開始關注這種新型的熱電聯供模式,并從技術性、經濟性和節能環保等不同方面進行了討論喁4¨。2電廠循環水余熱供熱技術現狀2.1汽輪機低真空運行供熱技術凝汽式汽輪機改造為低真空運行供熱后,凝汽萬方數據第10期李巖,等:電廠循環水余熱利用技術綜述器成為熱水供熱系統的基本加熱器,原來的循環冷卻水變成了供暖熱媒,在熱網系統中進行閉式循環,可有效利用汽輪機凝汽所釋放的汽化潛熱。當需要更高的供熱溫度時,則在尖峰加熱器中進行二級加熱。該系統的流程圖見圖1。凝結水泵圖1凝汽式汽輪機低真空運行系統流程圖盡管低壓缸真空度提高后,在相同的進汽量條件下與純凝工況相比,發電量減少了,并且汽輪機的相對內效率也有所降低,但因降低了熱力循環中的冷源損失,系統總的熱效率仍會有很大程度的提高舊1"。2.1.1傳統低真空運行供熱方式通常來說,用戶采用常規的末端散熱器所要求的水溫較高,汽輪機在低于真空下運行,排汽壓力需提高到0.5×105Pa左右,將熱網水在凝汽器中加熱到60一70℃。傳統的低真空運行供熱技術受到2方面的限制:首先,傳統的低真空運行機組類似于背壓式供熱機組,通過的蒸汽量取決于用戶熱負荷的大小,所以發電功率受到用戶熱負荷的制約,不能分開進行獨立的調節,即其運行是"以熱定電",因此只適用于熱負荷比較穩定的供熱系統;其次,凝汽式汽輪機改造為低真空運行供熱時,對小型和少數中型機組而言,在經過嚴格的變工況運行計算,對排汽缸結構、軸向推力的改變、末級葉輪的改造等方面做出嚴格校核和一定改動后方可以實行,而這對現代大型機組則是不允許的,尤其對于中間再熱式大型汽輪機組,凝汽壓力過高會使機組的末級出口蒸汽溫度過高且蒸汽的容積流量過小,從而會引起機組的強烈振動,危及運行安全。2.1.2低真空遠行低溫供熱方式對于大型機組,允許的凝汽器進口循環水最高溫度約為33℃,對應的出口溫度不超過45℃,這個溫度水平恰好在一些高效散熱器(如地板輻射供暖)要求的溫度范圍內。對此,有學者提出了一種適合于現代大型機組的低真空運行方式:保持機組排汽壓力不超過設計值,以40℃左右的循環水直接供給熱用戶的輻射供暖系統,如果凝汽器排熱負荷大于用戶熱負荷,多余的熱量通過循環冷卻水系統排放到環境中,實現熱電負荷的獨立調節。當然,該系統也可以按"以熱定電"的方式運行,即汽輪機排汽釋放的汽化潛熱全部用于供熱,此時熱效率無疑是最高的。這種系統稱為低真空運行低溫供熱系統'1引。低真空運行低溫供熱方式不會影響機組的正常安全運行,發電功率也不受用戶熱負荷的制約,因此既適合于中小型機組,也適合于大容量機組。但此供熱方式存在2個缺點:一是供熱溫度低,不適于傳統的散熱末端;二是可利用的溫差有限,一般不超過10℃,小溫差大流量必然會增大輸送能耗,制約了其合理的供熱半徑。這2個缺點可能會影響到熱負荷,如果熱負荷不太大,考慮隨天氣變化的因素,循環水的熱量沒有得到全部利用甚至利用的份額很小,此時的系統綜合能效和經濟性將會受到影響。2.1.3"NCB"新型大容量供熱機組文獻[15]針對300MW供熱機組提出了。NCB"供熱汽輪機模式,其特點是在抽凝機組的基礎上,高、低壓缸2根軸分別帶動2臺發電機,如圖2所示。l高巾壓缸21弓電機3低壓缸42號電機5低壓缸調節閥6供熟抽汽控制糾7凝汽器8熱網加熱囂圖2"NCB"新型供熱機組原理圖在非供熱期,供熱抽汽控制閥6全關、低壓缸調節閥5全開,汽輪機呈純凝工況(N)運行,具有純凝式汽輪機發電效率高的優點;在正常供熱期,低壓缸調節閥5和供熱抽汽控制閥6都處于調控狀態,汽輪機呈抽汽工況(C)運行,具有抽凝供熱汽輪機的優點,可根據外界熱負荷的需要調整供熱抽汽量,同時保持較高的發電效率;在高峰供熱期。供熱抽汽控制閥6全開、低壓缸調節閥5全關,汽輪機呈背壓工萬方數據12建走科學第26卷況(B)運行,具有背壓供熱汽輪機的優點,可做到最大供熱能力,低壓缸部分處于低速盤車狀態,可隨時投運。通過確定合理的分缸壓力,這種模式最大程度地利用了品位適中的高中壓缸排汽,將其用于加熱熱網水可使冷源損失大大減少。顯然,這是一種大容量機組低真空背壓運行的新思路,目前該技術仍處于理論階段。2.2熱泵回收余熱技術電廠循環水與目前常用的低溫熱源相比,具有顯著的優勢:1)蘊含的熱量巨大,溫度適中且穩定;2)水質好,與地表水、城市污水相比,不會因腐蝕、阻塞等因素影響傳熱效果;3)環保效果顯著,由于利用余熱,可減少冷卻塔向環境的散熱和水分蒸發,降低對電廠周邊環境的熱濕污染。近幾年,熱泵技術在我國得到了普遍推廣應用,熱泵可以采用吸收式,利用蒸汽、燃氣等作為驅動能源;也可以采用壓縮式,利用電力作為驅動能源。2.2.1分布式電動熱泵供熱方式如圖3所示,將電動壓縮式熱泵分散置于各小區熱力站中,同時將電廠凝汽器出口的循環水引至各小區的熱力站,進入熱泵機組降溫后再返回電廠凝汽器中被汽輪機排汽加熱,完成循環;熱泵回收循環水余熱加熱二次網熱水為用戶供暖或提供生活熱水。圖3分布式電動熱泵供熱系統流程圖l汽輪機2凝汽器3冷卻塔4電動壓縮式熱泵這種方式可根據各個熱力站的供熱參數選擇合適的熱泵機組。熱泵的能源利用效率較高,但是需鋪設單獨的循環水管道,受循環水供回水溫差的限制,管道投資巨大,輸送泵耗高,無法遠距離輸送,供熱半徑僅限制在電廠周邊3-5km范圍內。2.2.2集中式電動熱泵供熱方式如圖4所示,將電動壓縮式熱泵機組集中設置于電廠內,凝汽器出口的部分循環水進入熱泵蒸發器,作為低位熱源,放熱降溫后返回凝汽器中被汽輪機排汽加熱,完成循環;將一次網70℃回水由熱泵一級加熱至80-90℃,再由汽一水換熱器二級加熱至130℃后送人城市熱網中?!羟笀D4集中式電動熱泵供熱系統流程圖熱泵機組集中設置,回收的低位余熱量直接進入城市熱網,不需新建循環水管網,能節省大量初投資和時間成本;但是熱網回水溫度較高,熱泵處于較高的制熱溫度,能效較低,循環水余熱回收的經濟性較差,同時給電廠帶來了用電增容的巨大壓力。2.2.3集中式吸收熱泵供熱方式如圖5所示,集中式吸收熱泵供熱方式的流程與集中式電動熱泵供熱方式相似。熱泵機組集中設置,利用汽輪機供暖蒸汽驅動熱泵回收循環水余熱來增加電廠的供熱能力。循環水余熱在電廠加熱環節進入城市熱網,無需建設專門的輸送管道;同樣由于熱網回水溫度較高,熱泵的能源利用效率低下,系統運行的經濟性不佳,同時熱網水在熱泵加熱段的升溫幅度不大,回收循環水余熱的能力受電廠蒸汽產量的限制,難以實現循環水余熱的全部回收。電廠內l汽輪機2凝汽器3冷卻塔4電動壓縮式熱泵5汽一水換熱囂圖5集中式吸收熱泵供熱系統流程圖2.3電廠循環水余熱回收技術評述相對于吸收式熱泵機組,壓縮式熱泵機組直接使用電力驅動,其位置的設置更加靈活,相同容量下機組的體積和初投資都小于吸收式機組。但是,在相同的供熱工況下,其綜合能源利用率低于蒸汽驅動的吸收式熱泵,且由于電和蒸汽價格的巨大差異,壓縮式熱泵機組的供熱運行成本顯著高于吸收式。因此在具備蒸汽等熱源的區域應優先考慮使用吸收萬方數據第lO期李巖,等:電廠循環水余熱利用技術綜述13式熱泵機組來構建供熱系統。分布式熱泵供熱能更好地適應不同用戶熱負荷形式,集中式熱泵供熱可以擺脫電廠循環水余熱與用戶在空間上的制約。在工程實踐中,尤其當供熱系統容量龐大或電廠周邊沒有足夠規模的用戶熱負荷時,后者的優勢顯得更為突出¨"。傳統的汽輪機組低真空循環水供熱技術存在熱電耦合性強、不能分別獨立進行調節,以及機組需改造,不適用于現代大容量、高參數機組等問題。常規的熱泵回收循環水余熱技術解決了一部分余熱利用的問題,但是由于熱網回水溫度高,加熱升溫的幅度范圍小,熱泵制熱能效差,同時無法解決一次供熱管網輸送瓶頸問題,限制了循環水余熱的回收。3大型熱電聯產對循環水余熱利用技術的要求目前大容量、高參數抽凝機組(單機容量300Mw以上)將成為我國北方集中供熱的主導熱源形式。但由于我國城市建設快速發展,聯產熱源容量相對不足,城市供熱管網輸送能力偏低且建設改造困難,導致熱電聯產在城市供熱中的比例不增反降,燃煤鍋爐房等能效低的供熱方式所占比例卻不斷增加,加重了能源的消耗和CO:的排放。3.1大型熱電聯產對循環水余熱利用技術的要求1)增加電廠的供熱能力。在不增設新的熱源、不增加污染物排放的情況下,利用循環水供熱增加電廠的供熱容量,緩解目前集中供熱熱源不足的問題。2)解決熱量輸送問題。需要提高集中管網的輸送能力,同時解決常規熱量和回收的循環水余熱的輸送,降低熱量輸送的循環水泵電耗。3)供熱機組的節能增效。從供熱機組中抽汽會減少一部分發電,對于大型供熱機組不同壓力(0.3-1.0MPa之間)的供暖抽汽,其單位抽汽量的放熱量差值不大,但在汽輪機內的做功能力卻相差較大。若合理的確定熱媒的品位,對熱網水進行"溫度對口"的梯級加熱,可在滿足相同供熱量的情況下做到多發電。汽輪機凝汽余熱參與供熱,可大大拓寬多級加熱運用的領域,電廠循環水供熱技術應該更加充分地利用這一優勢。3.2基于吸收式循環技術2007年,清華大學提出了"基于吸收式循環的熱電聯產集中供熱"的新技術¨"埔o。如圖6所示,流程涉及2個新型關鍵技術:一是于小區熱力站內設置吸收式換熱機組,大幅度降低熱網回水溫度,一方面使熱網的供回水溫差由60℃增加到110℃,增加管網的輸送能力,另一方面為電廠余熱回收爭取了更低的制熱能級和更大的升溫幅度;二是于電廠內設置電廠余熱回收專用機組,利用供暖蒸汽作為驅動能源回收循環水余熱,將20℃的一次網回水"溫度對口"的逐級加熱到130oC,供暖蒸汽供熱量與循環水余熱量的比例在2:1左右,這與大容量供熱機組額定工況下抽汽與凝汽的比例趨近吻合,從整個供暖季來看,余熱供熱量占了總供熱量的近一半左右。該項技術有如下突出特點:1)可將系統供熱能力增加30%以上;2)可將管網輸送能力提高80%,大幅度節約新(改)建管網的投資,降低熱網循環水泵的電耗;3)回收熱電廠循環水余熱,節省的供暖蒸汽可在低壓缸繼續作功發電,增加汽輪機的發電能力,提高熱電聯產系統的整體能效,系統供熱能耗可降低約40%左右。l汽輪機2凝汽器3冷卻塔4電J余熱刨收專用熱泵5吸收式換熱機紐圖6基于吸收式循環熱電聯產集中供熱系統流程圖4總結1)當前大容量供熱機組存在大量的凝汽器排熱,如能用于供熱,可顯著提高電廠的熱效率,帶來非常豐厚的經濟效益和社會效益。2)傳統的汽輪機低真空運行技術不適用于現代大容量、高參數機組,低真空運行低溫供熱、"NCB"供熱機組等技術,拓寬了低真空運行技術的應用領域。3)水源熱泵技術的應用需要考慮能源效率、經濟成本和熱量的輸送等問題,需根據實際情況確定合理的系統型式。4)既有的低真空運行和熱泵回收循環水余熱技術因自身存在的缺陷,均不能有效地與大型熱電聯產結合,但其回收循環水余熱的原理和思路值得萬方數據14建友科學第26卷借鑒。5)利用"基于吸收式循環的熱電聯產集中供熱"技術,可將提高熱源供熱能力、增加管網輸送能力以及電廠的節能增效有機結合起來,是熱電聯產集中供熱領域一項有前景的技術創新。

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