300MW供热机组排渣余热的利用分析

马利斌 任建兴 李梦奇 张林建 朱锴锴

1上海电力学院能源与机械工程学院

2上海机电设计研究院

0 前言

目前社会各行业对70℃～110℃热量的需求空间越来越广泛，然而这部分热量却是由化石燃料提供，严重降低了化石燃料的利用率，直接导致了PM2.5、PM10等微小颗粒的排放，造成我国华北和东北地区冬季雾霾天气频发。基于环境和国家能源政策的压力，发电企业对电厂余热的利用进行了大量的探索[1]。在供热机组中，已存在大量利用热泵回收循环水余热加热回水[2-6]，但是由于热泵压缩机的限制，热泵出水温度低于60℃，不能满足远距离供热。利用冷渣器适当弥补热泵出水温度的不足，其能够回收800℃～900℃的锅炉排渣余热，相当于每天回收热量2×109kJ/kg，节约标准煤168.46t[7]。有学者研究利用冷渣器与低压加热器串联或并联加热冷凝水，提高机组的热效率[8-10]。本文分析了热泵-锅炉排渣余热应用于供暖对机组效率的影响，比较了抽气式供热和热泵-锅炉排渣余热供热的特点和能耗。

1 热泵—排渣余热系统

锅炉运行期间，会产生大量的循环冷却水和高温炉渣。为了利用这部分余热，可通过冷渣器和热泵回收这部分热能用来供热。热泵用于集中供热，由于常温热泵压缩机的限制，虽然供热回水有一定的温升，但不能满足热用户的需求[11]。供热水继续在冷渣器中加热，回收高温炉渣的余热。由于排渣量的限制不能将供热水加热到所需温度，因此还需从汽轮机抽汽加热供热水，供热系统如图1所示。

2 新型供暖方式的能耗分析

通过上述对热泵-冷渣器工作原理的介绍，对某厂300MW抽汽式供热锅炉进行余热改造，供热机组的运行参数如表1所示。余热虽然不能完全弥补抽汽供热，但能够适当提高回水的温度和减少抽汽。其工作原理如图2所示，该装置的主要特点是在加热器前安装冷渣器，利用锅炉底渣的高温加热回水，从而实现能源的阶梯利用，减少汽轮机抽汽。同时，循环水作为热泵的冷源，工质蒸发吸收循环水的余热使其温度降低后回到循环水池中降低循环水的温度。循环水温度越低，凝汽器的真空越大，汽轮机的排汽焓就越小，从而提高机组的效率，降低煤耗，提高机组发电效率。此供热系统与抽汽式供热相比，其能耗是由热泵消耗的电能W，循环水温度降低汽轮机增加的发电量P1和冷渣器为回水提供余热排挤的蒸汽做功P2组成。

图2 热泵—渣器余热供热原理

表1 2x300MW供热机组的运行参数[12]

2.1 水源热泵的能耗W

Q=GwGpΔt

式中COP—热泵的性能系数，取为5；Δt—冷凝侧水温升，取5℃；Gw—供热回水量，取3 589t/h

2.2 循环水温度降低而增加的机组发电量P1

式中Pe—汽轮机机组的额定发电量，300MW；η—机组的热效率，取35%；Δ η—循环水温度降低Δ t时机组提高的热效率。

热泵换热器的设计端差Δ t0，所需循环水量m0

式中Cp—循环水的比热容。循环水蓄水池的温降Δ t′

式中m—凝汽器设计循环水量。研究[12]表明300MW机组循环水温度每降低1℃，机组热效率提高0.23%。

水源热泵机组换热器的端差为5℃，凝汽器的循环水量为m=37300t/h。

2.3 冷渣器回收余热

某电厂2×300MW供热机组使用风氧化煤、煤矸石、煤泥等混合煤作为燃料，锅炉底渣参数具体如表2。机组满负荷运行时，800℃～900℃的底渣排放量为49.2t/h，可知底渣热损失是锅炉热损失中很重要的一部分。由于输渣皮带的承受温度的限制，冷渣器排渣温度低于100℃～150℃[13]。本项目将锅炉排渣余热用来加热供热回水，减少汽轮机抽汽，提高机组的发电量。

表2 300MW锅炉底渣参数

根据热力学第一定律，冷渣器供给供热回水的热量：

根据等效焓降法，供热抽汽减少：

由等效焓降法，整个机组做功增加量：

新增蒸汽等效热降的增量：

装置效率相对提高为：

热耗降低值：

Δ q=Δ ηq0

标准煤耗：

3 常规抽汽供热做功损失分析

在抽汽供热情况下，蒸汽在汽轮机中膨胀h-s曲线如图3所示。在Pn处蒸汽压力发生突变，这是由于蒸汽被抽出供热造成一部分压降所致的，这部分抽出的蒸汽也使机组发电量减少P3；供热工况下汽轮机排汽焓要高于原运行工况下的排汽焓，这部分排汽也造成了一定的做功损失P4。根据等效焓降法，采暖抽汽损失的发电量为：

有采暖抽气压损造成的发电损失为：

式中，hn—采暖抽汽焓；hc—采暖抽汽工况下排汽焓；hc—原工况下排汽焓，2559.8kJ/kg；

Dc—采暖抽汽量；Dn——汽轮机排汽量

图3 汽轮机中蒸汽膨胀焓熵曲线

从表3中可以得知，热泵利用余热供暖与抽汽供暖相比，其抽汽量减少了27.27t/h，做功增加3 493.32kW。热泵-冷渣器联合供热每小时抽汽量比抽汽供热减少了41.04t，是热泵供暖减少抽汽量的1.5倍。在热泵利用循环水余热后，虽然循环水温度只降低了0.36℃，但机组每天能增加功率1 8210.24kWh。假如我国北方供暖120天，且全天候工作。根据文献[14]对煤粉燃烧污染物排放的研究显示：每千克标准煤燃烧会产生0.44kg的CO2、0.075 kg的SO2、0.0375 kg的NOX、0.26 kg的粉尘。对于2x300MW的供热机组回收锅炉排渣余热供暖，每年供暖期可以节约3 283.2t标准煤，减少1 444.608t的 CO2、246.24t的 SO2、123.12t的 NOX和853.632t的粉尘排放，具有很好的经济效益和环境效益。热泵回收余热在一个供暖周期可以节约2 102.4t标准煤，相当于机组回收锅炉排渣余热供暖节约标准煤的64%，热泵回收余热是热泵-锅炉排渣余热回收的0.4倍。

表3 供热量相同时有无余热利用的能耗比较

4 结论

（1）汽网供暖的能耗高于水网供暖的能耗，这是因为汽网供热是直接抽取较高品质的蒸汽，严重损害蒸汽的做功能力。

（2）相对于汽网供暖，利用余热供暖不仅减少了粉尘等污染物的排放，而且还能减少循环冷却水在冷却塔中的损失。

（3）对于2×300MW的供热机组回收锅炉排渣余热供暖，每年供暖期可以节约3 283.2t标准煤，是热泵余热供暖节约标准煤的1.6倍。

（4）由于热泵压缩机的限制，传统的热泵集中供热的节能效果不是十分的明显。