梯级供热系统关键可调参数对系统能耗的影响

李 扬，黄治坤，李智华，岑岭山，罗瑞成，苏志刚，王恩镇

(1.内蒙古京海煤矸石发电有限责任公司，内蒙古乌海 016000；2.北京源深能源科技有限责任公司，北京 100142；3.北京京能科技有限公司，北京 100142)

当前热电联产集中供热方式在国内仍然处于快速发展阶段，数据显示截至2018年底，全国火电装机11.4亿kW，其中热电联产装机约4.3亿kW，占比约37.7%，热电联产集中供热为我国实现节能减排目标和全球温室气体减排作出了积极的贡献[1-2]。目前，大型热电联产机组主要采用的供热方式有3种：中压缸排汽(简称中排)抽汽供热、高背压排汽供热、吸收式热泵供热。中排抽汽供热方式的供热参数较高，亚临界机组抽汽压力为0.3～0.5 MPa，温度为230～280 ℃，超临界机组参数更高，而实际供热过程中供水温度需求在100～120 ℃，存在蒸汽有用能的巨大浪费[3]。高背压排汽供热技术可利用汽轮机排汽余热，减少高品质中排抽汽，实现了热能的梯级利用；但是其供热经济性受外部供热条件——热网循环水流量和回水温度的影响，对于热网循环水流量较小且回水温度较高的供热机组采用该技术经济效益较差[4-8]。吸收式热泵供热技术以中排作为驱动蒸汽，回收冷却循环水余热对热网循环水回水做初级加热，利用了排汽余热，增大了机组供热能力；一般的吸收式热泵抽汽压力为0.4 MPa，热泵出口温度最高为76 ℃，对于回水温度较高的供热机组采用该技术经济效益较差[9-11]。

近两年，国内出现了空冷机组梯级供热技术，该技术在高背压排汽供热技术的基础上通过蒸汽喷射器利用部分中排抽汽将汽轮机高背压排汽的背压进一步提高，继续加热热网循环水，最后利用中排抽汽加热热网循环水至热用户需求温度后供出，该技术深度利用排汽余热，但系统也相对较复杂，系统的经济性分析及关键参数运行调整是目前亟待研究的内容。笔者针对某330 MW燃煤直接空冷机组梯级供热系统进行试验，总结了梯级供热能耗指标分析方法，分析了关键可调影响因素对系统能耗指标的影响。

1 机组概况

该电厂330 MW机组汽轮机为CZK330/261-16.7/0.5/537/537型，亚临界、中间再热、双缸双排汽、直接空冷凝汽抽汽式汽轮机。锅炉为DG1177/17.5-II1 型循环流化床锅炉，最大连续蒸发量(质量流量)为1 177 t/h，一次中间再热自然循环、亚临界参数，单炉膛、紧身封闭、平衡通风、固态排渣、全钢架悬吊结构。

冬季由2台机组共同承担全厂的采暖热负荷，单台机组最大采暖抽汽质量流量为500 t/h。热网首站共布置5台板式热网加热器，总换热功率约544 MW，供汽采用母管制，由机组的中排五段抽汽供汽。目前，热一次网循环水质量流量最大为8 000 t/h，承担供热面积约为1 000万m2。

2 梯级供热系统配置及供热方式

2019年对供热系统进行节能升级改造，采用梯级供热方式(见图1)，采用不同热源分三级加热热网循环水。第一级直接采用汽轮机低压缸高背压排汽加热热网循环水；第二级采用蒸汽喷射器利用中排抽汽将高背压排汽的背压升高，进入蒸汽喷射器凝汽器加热热网循环水；第三级在原热网首站，采用中排抽汽加热热网循环水，至热用户需要温度后供出。

图1 梯级供热系统图

蒸汽喷射器设计性能参数见表1。

表1 蒸汽喷射器设计性能参数

高背压凝汽器与蒸汽喷射器凝汽器均为卧式表面换热器，其设计性能参数见表2。

表2 系统凝汽器设计性能参数

3 系统能耗指标分析

热网外部因素(如热网回水温度、热网循环水量)的变化及其幅度有一定的规律，对于梯级供热系统高背压凝汽器可利用的排汽量主要与背压相关，而热网首站用汽为中排抽汽，因此蒸汽喷射器的性能对于系统的能耗及经济性影响就显得尤为重要。

蒸汽喷射器引射比是指蒸汽喷射器所引射的低压蒸汽流量与动力蒸汽流量之比，具体公式为：

μ=qm,s/qm,tr

(1)

式中：μ为蒸汽喷射器引射比；qm,s为蒸汽喷射器引射低压蒸汽质量流量，t/h；qm,tr为蒸汽喷射器动力蒸汽质量流量，t/h。

蒸汽喷射器升压比是指蒸汽喷射器出口蒸汽压力与引射的低压蒸汽压力之比，具体公式为：

α=pps/pdp

(2)

式中：α为蒸汽喷射器升压比；pps为蒸汽喷射器出口蒸汽压力，kPa；pdp为蒸汽喷射器引射的低压蒸汽压力，kPa。

蒸汽喷射器性能系数定义为蒸汽喷射器出口蒸汽热量与所需动力蒸汽热量之比，具体公式为：

1+μ(hdp-hps)/(hzp-hps)

(3)

式中：kCOP为蒸汽喷射器性能系数；hdp为低压缸高背压排汽比焓，kJ/kg，可根据背压变化与低压缸效率推算得出；hps为蒸汽喷射器凝汽器疏水比焓，kJ/kg；hzp为中排抽汽比焓，kJ/kg。

中排抽汽影响汽轮机发电功率为：

(4)

式中：Wzp为中排抽汽影响汽轮机发电功率，kW；hc为机组最小防冻背压低压缸高背压排汽比焓，kJ/kg。

中排抽汽可供热量为：

(5)

式中：Qzp为中排抽汽可供热量，GJ；hs1为中排抽汽疏水比焓，kJ/kg；

推导出中排抽汽供热煤耗为：

(6)

式中：btp,zp为中排抽汽供热煤耗，kg/GJ；btp为机组纯凝额定工况发电煤耗，g/(kW·h)。

高背压排汽影响汽轮机发电功率为：

(7)

式中：Wgb为高背压排汽影响汽轮机发电功率，kW。

高背压排汽可供热量为：

(8)

式中：Qgb为高背压排汽可供热量，GJ；hs2为高背压排汽凝结水比焓，kJ/kg。

高背压排汽供热利用系数为：

ηl=qm,yf/qm,dp

(9)

式中：ηl为高背压排汽供热利用系数；qm,yf为梯级供热系统利用的高背压排汽质量流量，t/h；qm,dp为系统投入时低压缸高背压排汽质量流量，t/h。

推导出高背压排汽供热煤耗为：

(10)

式中：btp,gb为高背压排汽供热煤耗，kg/GJ。

利用式(6)、式(10)即可推导出梯级供热系统整体供热煤耗为：

btp,tj=btp,zp×A+btp,gb×B

(11)

式中：btp,tj为梯级供热系统整体供热煤耗，kg/GJ；A为梯级供热系统中中排供热比例，%；B为梯级供热系统中高背压排汽供热比例，%。

通过分析梯级供热系统整体供热煤耗可直观地分析系统供热经济性，通过分析蒸汽喷射器性能系数可直观分析蒸汽喷射器性能[12-16]。因此，将梯级供热系统整体供热煤耗及蒸汽喷射器性能系数作为试验调整目标。

4 试验分析

由于影响梯级供热的因素很多，采用单因素试验法就关键可调影响因素对系统能耗指标的影响进行试验分析。2019年—2020年供热期，在该电厂330 MW梯级供热系统进行试验，主要分析热网循环水量(工况一)、回水温度(工况二)、蒸汽喷射器升压比(工况三)、机组背压(工况四)、蒸汽喷射器动力蒸汽压力(工况五)分别在其他参变量不变的情况下改变自身参数，分析其对梯级供热系统供热煤耗与蒸汽喷射器性能参数的影响(见表3)。

表3 试验工况表

4.1 热网循环水量

在其他参变量不变的前提下改变热网循环水流量，分析其对梯级供热系统供热煤耗与蒸汽喷射器性能系数的影响，结果见图2。

图2 热网循环水量对能耗指标的影响

由图2可以看出：热网循环水质量流量增加500 t/h左右时，蒸汽喷射器性能系数明显升高，而供热煤耗有下降趋势。这说明在外部条件允许的情况下，尽可能提高热网循环水量可降低系统能耗。

4.2 回水温度

在其他参变量不变的前提下改变回水温度，分析其对梯级供热系统供热煤耗与蒸汽喷射器性能系数的影响，结果见图3。

图3 回水温度对能耗指标的影响

由图3可以看出：随着回水温度升高梯级供热系统供热煤耗显著上升；回水温度变化对蒸汽喷射器性能系数影响不明显。回水温度受很多外部条件制约，在实际运行中很难调节，可通过其他节能方式对热网隔压站及换热站进行一系列改造，在提高自身节能能力的同时，降低一次网循环水回水温度，使得梯级供能热系统充分释放节能潜力。

4.3 蒸汽喷射器升压比

在其他参变量不变的前提下改变蒸汽喷射器升压比，分析其对梯级供热系统供热煤耗与蒸汽喷射器性能系数的影响，结果见图4。

图4 蒸汽喷射器升压比对能耗指标的影响

由图4可以看出：随着蒸汽喷射器升压比升高，蒸汽喷射器性能系数呈先上升后下降的趋势；随着蒸汽喷射器升压比升高，供热煤耗先下降后升高。这说明蒸汽喷射器升压比变化过程中，蒸汽喷射器性能系数及梯级系统供热煤耗存在一个最佳范围，此次试验得出的最佳蒸汽喷射器升压比为1.75～1.80，系统所用蒸汽喷射器设计升压比1.77在试验得出的升压比范围内，说明将蒸汽喷射器在运行中的升压比控制在设计值附近时系统能耗最低。

4.4 机组背压

在其他参变量不变的前提下改变机组背压，分析其对梯级供热系统供热煤耗与蒸汽喷射器性能系数的影响，结果见图5。

图5 机组背压对能耗指标的影响

由图5可以看出：随着机组背压升高，蒸汽喷射器性能系数呈先下降后上升的趋势，背压显著升高后性能系数上升趋势明显；随着机组背压升高，供热煤耗先急剧上升，随后趋于平缓并略有下降；机组背压显著升高后，供热煤耗下降不明显。一定程度的机组背压升高虽然提高了蒸汽喷射器性能系数，但是梯级供热系统煤耗没有明显下降，说明背压提高对蒸汽喷射器性能系数提高的积极影响，与背压提高造成的低压缸做功损失的消极影响基本相当。在此次试验机组背压调整范围内，机组背压提高，梯级系统供热煤耗整体是呈上升趋势的，提高背压对系统经济性无益。

4.5 动力蒸汽压力

在其他参变量不变的前提下改变蒸汽喷射器动力蒸汽压力，分析其对梯级供热系统供热煤耗与蒸汽喷射器性能系数的影响，结果见图6。

图6 蒸汽喷射器动力蒸汽压力对能耗指标的影响

由图6可以看出：随着蒸汽喷射器动力蒸汽压力升高，蒸汽喷射器性能系数呈下降趋势，供热煤耗呈升高趋势，但趋势均不明显。这说明动力蒸汽压力满足蒸汽喷射器工作需求即可，通过中低压连通管供热蝶阀节流提高中排抽汽压力从而提高蒸汽喷射器动力蒸汽压力对梯级系统供热煤耗无益，反而造成供热煤耗升高。

5 结语

梯级供热系统在高背压排汽供热技术基础上，通过蒸汽喷射器利用中排抽汽将高背压排汽背压升高进一步加热热网循环水，从而增加了对空冷岛高背压排汽的利用，尤其适用于回水温度高，且热网循环水流量较小的供热机组改造应用。通过试验分析得出以下结论：

(1)对于梯级供热系统提高热网循环水量、降低热网回水温度均可降低系统供热煤耗。

(2)蒸汽喷射器升压比控制在设计值附近系统供热煤耗最低。

(3)机组背压升高，供热煤耗整体呈上升趋势，表明通过提高背压对蒸汽喷射器性能系数提高的积极影响不足以抵消背压提高造成的低压缸做功损失的消极影响。

(4)运行中不需要刻意提高蒸汽喷射器动力蒸汽压力，动力蒸汽压力满足蒸汽喷射器工作需求即可。