几种锅炉补给水处理系统原水加热器运行方案的分析比较

童晓凡，潘灯

（浙江省电力设计院，杭州310012）

几种锅炉补给水处理系统原水加热器运行方案的分析比较

童晓凡，潘灯

（浙江省电力设计院，杭州310012）

针对目前锅炉补给水处理系统因原水温度低，而利用高品质蒸汽加热耗费能源的现象，提出利用发电厂循环冷却水的余热，加热锅炉补给水处理系统的原水。分析了4种原水加热器系统运行方案，目的在于回收部分废弃的热量。通过技术和经济性比较，给出采用热水加热器和蒸汽加热器配合使用方案，达到节能减排，同时满足各种运行工况需求，综合经济性能指标较高。

原水加热器；循环冷却水；余热；吸收式热泵

0 引言

目前发电厂锅炉补给水处理系统大多采用“超滤+反渗透”的膜法处理工艺。反渗透装置的产水量与原水温度有关，因水温低，其产水量下降，同时增加反渗透装置的电耗，因此需要对进入锅炉补给水处理系统的原水进行加热。通常方法是设置蒸汽加热器，利用从汽轮机引出的辅助蒸汽直接加热，但这样耗费了可以用来发电的高品质能源。而火力发电厂有约55%的热量由凝汽器的循环冷却水带走，通过冷却塔散发到大气中[1]，造成循环冷却水余热浪费。

本文以西北某2×660 MW间接空冷机组为例，讨论回收利用一部分废弃的循环冷却水余热，来满足锅炉补给水处理系统原水加热的要求，既能达到节能减排，又能获得较好经济性的技术方案。

1 锅炉补给水处理系统的加热方式

1.1 锅炉补给水处理系统对进水水温的要求

西北某2×660 MW间接空冷机组的锅炉补给水处理系统采用了“超滤+反渗透+EDI”的全膜法工艺，反渗透膜对原水水温要求较高，原水水温主要影响反渗透膜的水通量、给水压力和脱盐率。在进水压力不变的情况下，原水水温每下降1℃，其产水量减少约2%～3%，原水水温低于5℃时，系统将无法运行。在膜通量一定的前提下，水温低将导致产水量较少，或需要更高的反渗透给水压力维持低温下的产水量，这样容易导致反渗透膜被压实。同样，为了达到产水量，设计水温越低，需要的膜数量就越多，锅炉补给水处理系统的投资就越高。

但原水水温也不宜超过40℃，因为膜脱盐率随着温度升高而降低，水温过高会达不到设计脱盐率。此外，反渗透膜也会随温度升高而发生变形及性能改变。反渗透膜合适的运行水温为20～25℃。

原水水温对EDI装置的运行压力和产水电阻有影响。当温度超过35℃时，EDI内的离子交换膜对离子的吸收率降低，导致离子泄漏，产水水水质变差。原水温度降低时，水中离子的布朗运动减弱，系统压力上升，同时离子透过膜的扩散能力和与树脂的交换能力也均下降，最终导致产水水质达不到标准要求。为了达到产水量和水质的要求，在进水温度低时需要提高EDI装置的进水压力和电解能力，以提高离子的迁移动力，这就增加了给水泵和EDI装置的耗电量。EDI装置的进水温度可控制在10～35℃，最佳运行温度为20～25℃。

1.2 原水换热器的运行工况

发电厂位于西北寒冷地区，冬季原水温度较低，需要加热的时间较长，全膜法处理系统对温度要求较高，设计考虑原水温度控制在15～20℃。从运行安全角度考虑，选择了2台表面式加热器。锅炉补给水处理系统产水量为2×70 m3/h，经计算加热器需要加热的水量为2×125 m3/h。2台加热器的运行工况是1运1备，发电机组启动等特殊工况时，要求2台设备同时运行。

2 加热方案的选择

间接空冷发电厂可以利用的余热有辅机循环冷却水和间接循环冷却水。

辅机循环冷却水系统为2台机组公用，布置在化水区域，循环水回水冬季温度约10℃，此温度较低，如果仅采用换热器的形式，不使用热泵，则只能把5℃的原水温度加热到8℃，不能达到锅炉补给水处理系统的运行温度，导致系统出力下降。

辅机循环冷却水补水为水库地表水和部分回收水，水库地表水水质如表1所示。

从表1可以看出：水库地表水硬度较高，再加上辅机循环冷却水还要采用回收水，考虑到辅机循环冷却水的浓缩倍率，预测辅机循环冷却水回水的碳酸盐硬度（CaCO3）约为300 mg/L，含盐量约1 500 mg/L，水质较差，长期使用后，加热器表面会发生结垢现象，影响加热器的换热效率和寿命。因此，辅机循环冷却水的余热不适合用于原水加热器。

表1 水库地表水水质

间接循环冷却水系统为每台机组1套，循环水管分别布置在2台机组的两侧，间接循环冷却水回水冬季温度约15℃，水质为除盐水。温度较高且水质较好，设计考虑回收此部分余热。其中1台机组的回水管离化学车间很近，另外1台机组的回水管距离化学车间约650 m。下面分析比较几种可行的解决方案。

2.1 直接利用间接循环冷却水加热原水（方案一）

间接循环冷却水可以把冬季锅炉补给水的原水温度从5℃加热到12℃，与采用蒸汽加热器相比，需要增加加热器的换热面积。温度变化见图1所示。

图1 利用间接循环冷却水加热温度变化

本方案设置了2台换热器，由于有2套间接循环冷却水系统，而锅炉补给水处理系统是2台发电机组的公用系统，为了防止1台机组停运，影响锅炉补给水处理系统的运行，2台加热器热源需要分别从2台机组的间接循环冷却水系统接取，并且分别回水，这样将增加除盐水管约1 300 m，其投资安装费用约为350万元。

当原水温度加热到12℃时，锅炉补给水处理系统出力下降，为了保证每套系统出力达到70 t/h，系统将增加投资约130万元，同时锅炉补给水处理系统的厂用电率也增加。系统增加投资共计约480万元。

机组初期启动时，锅炉补给水处理系统需先投运。如果发电机组在冬季初次启动，可能会发生因间接循环冷却水未投运导致加热器不能运行的现象，影响锅炉补给水处理系统运行。因此第一台机组如果在冬季启动，需要临时的加热热源，如果机组在启动时已有采暖，可临时利用采暖用气在加热器中与原水换热，但此汽源不具有保证性；若车间未实现采暖，也可利用来自启动锅炉的蒸汽作为加热器热源，即2台加热器中，其中1台可以用蒸汽加热以满足机组启动要求。

2.2 直接利用蒸汽加热器加热原水（方案二）

设置蒸汽加热器加热原水，是目前锅炉补给水处理系统最常用的原水加热方案。该方案耗费蒸汽，可以通过加热器出水温度控制蒸汽用量，经计算，将1套125 t/h的原水加热到20℃，需要消耗约4.5 t/h的蒸汽。冬季时间越长，原水需要加热的时间也越长，因此能量的消耗也就越大。如果机组在冬季初启动，可以利用启动锅炉的蒸汽与加热器换热。

2.3 利用热泵和蒸汽加热器换热原水（方案三）

2.3.1 吸收式热泵

热泵是一种以消耗部分高位能源作为补偿条件，把低温热源中的低位热能转化成高位热能的节能装置[2]。吸收式热泵通过蒸汽驱动，将循环冷却水（10～40℃）中的余热搬运到温度更高的热源水中，再利用加热器换热。循环冷却水经过机组释放热量至热泵，热泵将水质提高至供暖水品质，从而提高了能源的品质和利用效率。

吸收式热泵遵循热力学第一定律（能量守恒定律）、热力学第二定律（热量由低温搬运到高温不会自发进行，必须消耗其他能量），在工作状态下需要输入一定量的蒸汽。

以蒸汽型热泵为例，吸收式热泵原理即在化水车间设置蒸汽型双效吸收式热泵。以蒸汽热量为驱动能源Q1，产生制冷效应，回收循环水余热Q2，加热热网回水，得到的有用热量（热网供热量）为消耗的蒸汽产生的热量与回收的循环水余热量之和Q1+Q2。如图2所示。

图2 吸收式热泵回收余热示意

2.3.2 吸收式热泵工作原理

溴化锂吸收式热泵包括蒸发器、吸收器、冷凝器、发生器、热交换器、屏蔽泵（冷剂泵、溶液泵）和其他附件等。它以蒸汽为驱动热源，在发生器内释放热量Qg，加热溴化锂稀溶液并产生冷剂蒸汽。冷剂蒸汽进入冷凝器，释放冷凝热Qc加热流经冷凝器传热管内的热水，自身冷凝成液体后节流进入蒸发器。冷剂水经冷剂泵喷淋到蒸发器传热管表面，吸收流经传热管内低温热源水的热量Qe，使热源水温度降低后流出机组，冷剂水吸收热量后汽化成冷剂蒸汽，进入吸收器。被发生器浓缩后的溴化锂溶液返回吸收器后喷淋，吸收从蒸发器过来的冷剂蒸汽，并放出吸收热Qa，加热流经吸收器传热管的热水。热水流经吸收器、冷凝器达到所需要的温度，流出热泵机组，至后续的反渗透系统。其原理如图3所示。

图3 吸收式热泵工作原理

屏蔽泵的做功与以上几种热量相比，基本上可以忽略，因此可以列出以下平衡式：

吸收式热泵的输出热量为Qa+Qc，将式（1）代入其性能系数COP得：

由式（1）、式（2）可知：吸收式热泵的供热量等于从低温余热吸收的热量和驱动热源的补偿热量之和，即供热量始终大于消耗的高品位热源的热量（COP＞1），属于增热型热泵，根据不同的工况条件，COP一般在1.6～2.4。

驱动热源可以是燃烧天然气，也可以是0.2～0.8 MPa的蒸汽、烟气、热水等。热水的温升幅度和加热蒸汽的压力有关，热水出口温度可高达100℃，低温余热的温度不低于10℃即可利用，一般情况下，余热热水出口的温度越高，热泵机组能够提供的热水温度也越高[3]。

2.3.3 系统选择

本方案设置1台吸收式热泵和1台蒸汽换热器，回收间接循环冷却水的余热，经计算，热泵机组效率COP为2.4，把125 t/h锅炉补给水的原水温度加热到20℃，仅需要消耗约33.5万千焦的热量，其中约710万千焦热量来自循环冷却水的余热。机组正常运行时热泵运行，发电机组启动时，2台设备同时运行，热泵维修时，蒸汽换热器运行。利用热泵提高了间接循环冷却水的热量品位，回收其废热。

吸收式热泵需要从汽机房引1路0.8 MPa的饱和蒸汽作为驱动热源，蒸汽量约0.98 t/h，将原水温度从5℃加热到20℃，热泵机组的耗电量约37 kW，加热器与热泵的系统连接如图4所示。

图4 热泵和蒸汽加热器系统

2.4 利用热水和蒸汽换热器加热原水（方案四）

本方案设置了1台热水加热器和1台蒸汽加热器。利用热水加热器回收间接循环冷却水的余热，再设置蒸汽加热器作为备用，机组正常运行时，使用热水加热器，热水加热器故障或机组启动时，还可采用蒸汽加热器。这样可以避免发电机组在冬季初次启动时，加热器没有热源而无法投运的情况发生。其系统如图5所示。与方案三相比，该系统具有流程相对简单、维护工作量小的优点。

图5 热水加热器和蒸汽加热器系统

3 投资及运行费用分析

3.1 能量对比

方案一增加了锅炉补给水处理系统的耗电量，以及热源水返回循环冷却水系统的提升泵耗电量；方案二消耗蒸汽；方案三的能耗是蒸汽和热泵耗电量；方案四主要在2种工况下消耗能量：2台换热器同时使用和热水换热器无法将原水加热到锅炉补给水处理系统所需运行温度，这2个工况需使用蒸汽换热器，消耗热能，当原水温度低于8℃时，需要启用蒸汽换热器。

锅炉补给水处理系统换热器年运行约2 800 h，2台换热器同时运行的时间约120 h，原水温度低于8℃约700 h。在此前提下，计算4种方案消耗的能量见表2所示。

表2 4种方案的能耗

3.2 投资和运行费用对比

4种方案增加投资费用和运行费用见表3。

从表2、表3可以看出，方案一消耗的能量最少，但投资费用最高，运行成本也最高，经济性较差；方案二投资最少，但能量消耗最高；方案三、四消耗的能量居中，投资费用比方案二分别多120万元和85万元，但运行成本相对较低，经济性能较好。因此，方案三、四综合性评价相对较优，方案三节约的能量高于方案四，方案四的运行成本最低，系统设备简单，运行维护量也较少。

表 34种方案的投资和运行费用

4 结论

经分析研究，认为方案四较为可行，即正常运行时利用热水加热器，机组启动等特殊情况时利用蒸汽加热器加热锅炉补给水处理系统原水，回收间接循环冷却水的余热，从而减少机组抽汽，实现节能减排。采用方案四可有效降低原水加热系统的运行成本，满足锅炉补给水处理系统的各种运行工况，与传统直接利用蒸汽加热方式即方案二相比，方案四虽然初投资增加，但每年可节约大量电能，其运行成本比方案二节省超过30万元/a，约3年可收回投资成本。

[1]周振起，马玉杰，王静静，等.吸收式热泵回收电厂余热预热凝结水的可行性研究[J].流体力学，2010，38（12）∶73-76.

[2]马最良，姚杨，姜益强.暖通空调热泵技术[M].北京：中国建筑出版社，2008.

[3]张长江.溴化锂吸收式热泵机组在余热供热领域中的应用[D]//中国制冷学会2009年学术年会论文集，2009∶1267-1270.

（本文编辑：徐晗）

Comparative Analysis on Several Operation Schemes for Raw Water Heater of Boiler Feedwater Treatment System

TONG Xiaofan，PAN Deng
（Zhejiang Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012，China）

Due to low temperature of raw water in boiler feedwater treatment system，high-quality steam is used for heating that consumes too much energy.Therefore，the paper proposes to use waste heat from power plant circulating cooling water to heat raw water of boiler feedwater treatment system.The paper analyzes four operation schemes for raw water heater system，aiming to recycle part of the waste heat.Through technical and economic comparison，the paper presents a scheme of combing hot water heater with steam heater to save energy，reduce emissions as well as meet requirements of different operating conditions.The scheme is characterized by its higher integrated index of economical efficiency and performance.

raw water heater；circulating cooling water；waste heat；absorption heat pump

TK223.5

：B

：1007-1881（2016）02-0055-05

2015-08-18

童晓凡（1971），女，高级工程师，从事发电厂化学、环保工作。