330 MW机组供热回水不同回收方案的经济性分析

郑之民，王立刚，魏 建，陈 磊

（大唐鲁北发电有限责任公司，山东 滨州 251909）

0 引言

节能减排是我国经济实现可持续发展的基本国策，对于发电行业来说，热电联产是实现国家节能减排的一项重要措施，利用大型亚临界、超临界或超超临界燃煤凝汽式再热机组的抽汽，替代周边低参数、高能耗、高污染小型燃煤机组供热或供暖，既能提高大型燃煤机组的热能利用效率，又可有效降低污染排放、减少区域和全社会的煤炭用量，具有良好的社会效益、环境效益和较好的经济效益，符合国家节能减排的政策要求［1-3］。

某电厂坐落于工业园区内，经过供热改造后已成为该区域供热中心。机组运行时热力系统必然存在一定流量的汽水损失，为保持机组的正常运行，必须及时向热力系统补充水量。同时机组对外供汽换热后产生一定量的供热疏水，采用合理的回收方式回收具有一定温度的疏水对机组整体热力系统经济性具有很大影响，影响回水回收方式的因素有疏水回收位置、疏水回收温度、回水率等［4］。文献［5］利用等效热降法对比分析了化学补充水由除氧器补入改为凝汽器补入的经济性，计算结果表明，虽然过冷度导致热经济性下降，但补水部位改变后总体热经济性是提高的；文献［6］采用热量法对供热机组热网加热器回水回收到除氧器与低压加热器凝结水管道进行了经济性比较，发现在机组采暖供热期间供热疏水回到低压加热器的凝结水管道比设计情况下回到除氧器的经济性要好；文献［7］主要以300 MW 级热电联产工程采暖蒸汽凝结水回收系统为研究对象，对采暖蒸汽凝结水回收系统进行了论述及对比了各种回收方案的投资及经济效益，提出供热首站热网蒸汽凝结水回水位置至6 号低压加热器出口。之前相关研究只考虑了在机组特定负荷下回水温度或回收位置因素等条件下的对比分析，缺乏对供热回收各因素系统性的对比分析。

1 供热回水回收方案

1.1 供热回水回收方案现场系统接入

4 种不同的供热回水回收方案系统接入如图1所示，汽轮机组共有七段抽汽，供热回水自水泵增压后供给，考虑用户供热回水温度在50～100 ℃范围内，设计4 种不同的供热回水回收方案系统接入。方案1 为供热用户回水至凝结水1 号低压加热器出口；方案2 为供热用户回水至2 号低压加热器出口；方案3 为回水至3 号低压加热器出口；方案4 为回水至除氧器。

图1 4种不同的供热回水回收方案系统接入

1.2 热力系统原始数据

为评价4 种供热回水方案在不同负荷下的经济性，以机组100% 热耗率验收工况（Turbine Heat Acceptance，THA）、75%THA、50%THA 典型热力工况数据为基础，按照热力系统简捷计算整理数据如表1 所示，其中τj为凝结水在NOj加热器焓升，kJ/kg；qj为抽汽在NOj加热器放热量，kJ/kg；γj为疏水在NOj加热器放热量，kJ/kg。

2 供热回水方案的经济性评价

等效热降法是20 世纪70 年代发展起来的热工理论，是热力系统分析、计算和节能研究的一种实用性方法。相关研究证明［8-10］，对于主热力系统，等效热降整体算法计算结果与常规热平衡法一致。它既可用于热力系统的整体计算，也可用于局部的分析和经济诊断，将等效热降法理论与现场实际应用相结合，为火电厂热力系统的经济性诊断、节能改造项目效益评估、运行指标分析等提供了一种计算方法。应用携带热量的工质进出热系统的法则整理并推导出适合本研究机组的回水回收方式的等效热降计算模型。

2.1 供热回水方案的热经济指标计算模型

1 kg 新蒸汽的实际做功，即新蒸汽的等效热降［11］

式中：h0为新蒸汽比焓，kJ/kg；σ为1 kg 蒸汽在再热器的吸热量，kJ/kg；hn为汽轮机排汽比焓，kJ/kg；z为加热器级数为NOj级加热器抽汽效率；∑Π为加热器散热、轴封漏汽及利用、抽气器耗汽和泵功耗能等辅助成分做功损失的总和。

份额为αm的供热回水至1号低压加热器出口凝结水管道，一方面回水热量引起2 号低压加热器抽汽变化，另一方面回水工质的补充引起1 号低压加热器抽汽量变化，由于供热回水回收引起的新蒸汽做功变化为两者之和，即

表1 不同机组负荷下回热加热器的热力特性参数单位：kJ/kg

式中：αm为回水流量份额为供热回水比焓，kJ/kg；为1号低压加热器出口凝结水比焓，kJ/kg。

依次可得份额为αm供热回水至2 号低压加热器、3号低压加热器出口出凝结水管道及除氧器时对应方案2、方案3、方案4的计算模型分别为：

供热回水回收使机组效率相对变化为

标准煤耗率变化为

全年耗用标准煤量变化为

式中：N为机组1年的发电量，kWh。

2.2 不同供热回水方案的经济性对比分析

为分析回水温度、机组负荷、回水流量变化对供热回水方案经济性的影响，通过以上建立的经济指标计算模型，通过单一变量原则对比计算分析各因素变化时，采用不同的回水方案对机组单位新蒸汽做功变化ΔH的影响。

2.2.1 不同回水温度影响

为了研究回水温度变化对供热回水方案经济性的影响，保持其他条件不变（负荷75%THA，回水流量100 t/h），选取5个温度工况进行对比，如图2所示。

图2 不同供热回水温度影响

从图2 可以看出，随着回水温度的升高，4 种回水回收方案下机组经济性都提高，回水温度升高回水比焓增大，回水携带热量升高排挤抽汽增加，做功能力增强。另一方面回水在同一温度下，不同回水方案对经济性的影响不同，甚至存在同一回水温度回收到不同方案产生截然相反的效果。如当回水温度60 ℃时，方案1、方案2提高了机组经济性，而方案3、方案4 反而降低了机组经济性。供热回水工质随凝结水进入加热器时随温度高低可能会吸收或排挤高品质加热器抽汽导致做功增加或减少，同时回水补入系统后排挤了下级低品质加热器系统的抽汽做功增大，当回水加热导致高品质蒸汽抽汽增大做功减少超过做功增加时，反而会降低机组经济性。随着回水温度变化，机组存在一个最为经济的回收方式，如图2 所示在回水温度60 ℃时候采取方案1 最经济，而采用方案4 反而做功减少，当回水温度达到100 ℃时候则采用方案3 最经济。可以看出随着回水温度升高，供热回水经济性最高值向更高加热抽汽对应的回水方案移动。

2.2.2 不同机组负荷影响

为了研究机组负荷变化对供热回水方案经济性的影响，保持其他条件不变（回水温度70 ℃，回水流量100 t/h），选取3个负荷工况进行对比分析，如图3所示。

图3 不同机组负荷影响

从图3 可以看出，随着机组负荷升高，4 种回水回收方案下机组经济性都降低。随着机组负荷升高机组回热抽汽流量增大做功能力增强，而回水回收热量一定，单位新蒸汽做功变化有限，其对机组影响占比降低。不同机组负荷下对应的回水最经济性回收方案不同，如图3 所示在机组负荷165 MW 时最经济回水回收为方案2，而在负荷330 MW 时最经济回收方案变为方案1。随着机组负荷升高各回热抽汽流量增大换热能力增强，进入机组加热器的凝结水温度随之升高。当供热回水温度低于回收至该加热器的凝结水温度时，引起加热器高品质抽汽增大，机组做功能力降低经济性下降。可见在回水温度一定时，随着负荷升高，供热回水经济性最高值向更低回热抽汽对应的回水方案移动。

2.2.3 不同回水流量影响

为了研究供热回水流量变化对供热回水方案经济性的影响，保持其他条件不变（机组负荷250 MW，回水温度70 ℃），选取5个流量工况进行对比分析。

图4 不同回水流量影响

从图4 可以看出，随着供热回水流量变化，4 种回水回收方案下机组经济性都成比例变化。当回水温度一定时，回水带入机组热力系统的工质热量与回水流量成比例关系，由前面分析可得，供热回水回收最经济方案随着回水温度、机组负荷而变化，回水流量的变化引起回水回收方案经济性成比例的变化。如图4 所示，方案1、方案2、方案3 在该工况下机组经济变化为正值，而方案4 在该工况下机组经济变化为负值，回水流量的增大加大了经济变化的影响。可见根据机组负荷、回水温度等条件合理选择回水方案至关重要。

3 实际案例计算分析

由以上分析可得，在机组供热回水温度、机组负荷、回水流量一定时存在一个供热回水回收最经济方案，某发电厂统计期内供热回水平均流量约80 t/h，供热回水温度与流量的加权平均值约86 ℃，平均负荷率约70%即231 MW，该负荷下各热力特性参数根据文献［11］提供的热系统变工况方法计算可得，4种供热回水回收方案下的经济指标计算结果如表2所示。

表2 等效热降计算数据

由表2 可知，4 种回水回收方案均提高了机组整体经济性，其中方案2 节能量最大，机组供电煤耗降低0.68 g/kWh；方案4 最不经济，机组供电煤耗降低0.31 g/kWh；回水回收方案按照经济性排序为方案2>方案1>方案3>方案4。回水方案均为回收回水至机组热力系统中，不同之处在于回水热量利用的加热器能级不同，从热量平衡角度来说4 种方案均没有明显热量损失，但从热变功角度来讲，方案2 较其他方案回收的能量能级利用更高，不可逆损失更小［12］，表现为在机组负荷、回水温度、回水流量一定情况供电煤耗降幅最大。

选定方案2 为机组最经济供热回水回收改造方案，按照机组年运行小时7 000 h、发电标煤单价650 元/t计算改造后经济效益，结果表明：方案2全年节约标煤量1 106.7 t，创造经济效益71.94万元，较方案4增加经济效益39.07万元。可见通过合理地选择设计及技术改造方案，充分利用供热回水热量实现能量梯级利用，可以提高机组经济性，实现经济效益最大化。

4 结语

随着供热回水温度的升高，供热回水至机组经济性提高，在同一温度下，不同回水方案对经济性的影响不同，随着回水温度升高，供热回水经济性最高值向更高回热抽汽对应的回水方案移动。

不同机组负荷工况下对应的回水最经济性回收方案不同，随着机组负荷升高，供热回水经济性最高值向更低回热抽汽对应的回水方案移动。

随着供热回水流量变化，供热回水至机组经济性成比例变化，供热回水回收最经济方案随着回水温度、机组负荷而变化，回水流量的变化引起回水回收方案经济性成比例的变化。

在机组供热回水温度、机组负荷、回水流量一定时存在一个供热回水回收最经济方案。