背压式机组热电厂节能型耦合供水系统设计探讨

蔡兴初， 朱一鸣， 郭悦

（中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司， 南京 211102）

碳达峰、 碳中和背景下， 以发电为主的传统火电厂建设将放缓， 但为满足化工、 纺织、 印染、 食品等产业用热需求， 以天然气、 洁净煤为燃料的背压式机组热电联产电厂（以下称背压式热电厂）还将有进一步的发展。 背压式热电厂没有汽轮机（主机）循环冷却水系统， 设有辅机开式循环冷却水系统［1］，其辅机开式循环冷却水量相对较小， 与化学生水需求量相近， 但两者对水温、 水质有不同要求［2］。 如果辅机开式循环冷却水系统补充水和化学生水的水质相同， 两者存在互相利用的条件。 本文以某工程为例， 探讨将辅机开式循环冷却水系统与化学生水供水系统耦合设计， 通过梯级利用冷热水和合理利用工业水来水的余压， 设计兼具直流及循环供水功能的耦合供水系统， 并分析其节能效益。

1 背压式热电厂供水系统

基于不同的水量和水质的需求， 背压式热电厂辅机开式循环冷却水系统和化学生水供水系统通常是2 套独立系统。

1.1 辅机开式循环冷却水系统

辅机开式循环冷却水系统用于冷却全厂辅机或辅机闭式冷却水， 通过循环水泵将开式冷却水（以下称开式水）升压后送到全厂各辅机或主厂房水-水换热器进行换热， 升温后的开式水经过管道回至机力通风冷却塔（以下称机力塔）冷却降温， 然后经循环水泵继续循环使用［3］。 辅机开式循环冷却水系统设施包括： 辅机循环水泵房、 循环水泵、 机力塔、 控制阀门及辅机循环冷却水管道等。 辅机开式循环冷却水系统对补充水的水质要求相对不高， 按DL／T 5339—2018《火力发电厂水工设计规范》要求， 其悬浮物质量浓度不超过50 mg／L 即可［2］。

1.2 化学生水供水系统

化学生水供水系统属于化学制水系统的一部分， 负责将经过净化处理后的工业水（或市政工业水）存储， 并通过化学生水泵输送至化学制水系统的除盐水处理装置。 化学生水对水温、 水质都有一定的要求。 水温对反渗透除盐装置的产水量、 产水水质、 设备寿命等均有影响。 水温每升高1 ℃， 在系统条件不变的情况下， 其产水通量大致增大3%［4］；水温降低时， 则需要通过提高运行压力来提高产水量［4］。 因此， 反渗透除盐工艺一般考虑生水加热措施［5］， 但考虑到膜材料的温度承受能力及寿命， 最高设计水温不宜超过30 ℃， 最佳的设计水温约为25 ℃。 水质上一般要求化学生水的悬浮物质量浓度不大于3 mg／L［6］。

2 耦合供水系统

大型背压式热电厂的供水系统具有以下特点：①热电厂基本建设在工业园区， 工业园区通常给包括热电厂在内的园区工业用户统一供给净化后的工业水， 热电厂辅机开式循环冷却水系统和化学生水供水系统的补充水水质一致。 ②热电厂没有汽轮机（主机）循环冷却水系统， 其辅机开式循环冷却水量相对较小， 而热电厂的供热量大， 其化学生水需求量较大， 因此辅机开式循环冷却水量和化学生水量较为接近。 ③辅机开式循环冷却水需要低温水［7］，而化学生水的水温不宜过低， 两者存在互用的可能性。 ④园区工业水来水可能有可观的余压可供利用。

基于以上特点， 可以将辅机开式循环冷却水系统和化学生水供水系统耦合为1 套供水系统， 通过阀门启闭切换实现以下功能： ①在园区工业水水温较低的时候， 工业水梯级利用到辅机冷却和化学生水。 与化学生水量同流量的园区工业水先供热电厂辅机冷却使用， 经换热升温后的回水供化学生水。该工况下， 辅机开式循环冷却水系统采用直流供水， 直接利用了工业水的冷能， 同时机力塔停用，循环水泵运行参数降低， 节约大量电耗。 而化学生水则利用了辅机开式循环冷却水回水的热能， 可减少大量升温所需的蒸汽等能源耗量。 ②在工业水水温较高时（如夏季）， 辅机开式循环冷却水系统和化学生水供水系统独立运行。 辅机开式循环冷却水系统采用带冷却塔的循环供水方式， 化学生水则由园区工业水直供。 ③在达产过渡期， 化学生水需水量可能远小于辅机开式循环冷却水量， 两者匹配较困难， 辅机开式循环冷却水系统采用带冷却塔的循环供水方式， 夏季时的化学生水由工业水直供， 冷季时则由辅机开式循环冷却水系统以旁流的方式供应部分换热后的开式水回水作为化学生水（此时辅机开式循环冷却水系统的补水量中包含了化学生水量）。 ④园区工业水来水有一定的余压， 可以通过抬高蓄水构筑物内设计水位， 将工业水余压转换为势能蓄能， 从而利用工业水余压。 通过以上系统的耦合， 可以梯级使用冷热水， 同时合理利用工业水来水的余压， 节能效果可观。

3 工程案例

3.1 工程概况

某工程位于江苏省某大型石化产业基地， 为满足产业基地供热需求， 拟建设9 × 800 t／h 循环流化床锅炉， 配置9 × 35 MW 级背压式汽轮发电机组。 全厂无汽轮机（主机）循环冷却水系统， 设辅机开式循环冷却水系统用于冷却全厂辅机闭式冷却水。 机组设计年运行8 000 h， 额定工况的供汽量为4 200 t／h， 采用超滤-反渗透膜法制除盐水。

3.2 设计条件

3.1.1 气象条件

厂址所在地累年平均气温为14.5 ℃， 夏季频率10%日平均湿球温度为26.8 ℃。

3.1.2 水源

电厂水源为产业基地统一提供的净化后工业水（以下称工业水）， 项目业主与供水方签订的协议约定厂界水压不小于0.20 MPa（±0.00 m 处， 下同），各月的平均水温见表1。

表1 工业水各月水温资料Tab. 1 Temperature data of industrial water in different months

3.1.3 设计水量

（1） 辅机开式循环冷却水量。 设计全厂辅机开式循环冷却水量为7 500 m3／h， 设计进出热交换器的水温差为5 ℃， 其中设计出水水温不超过38 ℃。全年平均气象条件下， 开式循环冷却水系统补充水量为65 m3／h（按浓缩倍率为3 倍计）， 用于补充冷却塔的蒸发、 风吹和排污水量损失［8］。

（2） 化学生水需水量。 全厂额定工况设计供汽量为4 200 t／h， 采用超滤-反渗透膜法制除盐水。考虑超滤的反冲洗用水和反渗透装置的回收率［6］，化学生水需水量约为5 600 m3／h。

3.3 独立型供水系统

采用独立型供水系统时， 辅机开式循环冷却水系统配4 台循环水泵、 3 台机力塔， 供回水母管管径为DN 1 200 mm， 设进水前池和半地下式循环水泵房。 化学生水供水系统配置2 座5 000 m3化学水池， 钢混结构， 池高4 m， 半地下布置； 配置6 台生水泵， 设1 座半地下式生水泵房。 机力塔、 循环水泵房、 化学水池、 生水泵房等均布置在水务区。独立型辅机开式循环冷却水系统和高程示意见图1、图2， 独立型化学生水供水系统和高程示意见图3、图4， 主要设备参数见表2。

图1 独立型辅机开式循环冷却水系统Fig. 1 Open circulating cooling water system of independent auxiliary engine

图2 独立型辅机开式循环冷却水系统高程Fig. 2 Elevation of open circulating cooling water system of independent auxiliary engine

图3 独立型化学生水供水系统Fig. 3 Independent chemical water supply system

图4 独立型化学生水供水系统高程Fig. 4 Elevation of independent chemical water supply system

表2 独立型供水系统主要设备及参数Tab. 2 Main equipments and parameters of independed water supply system

3.4 耦合型供水系统

通过将辅机开式循环冷却水系统回水管道与化学生水储水设施补水管（厂外工业水来水管）连通， 增设大口径机力塔水池补给水管， 构成1 套耦合供水系统。 耦合型供水系统和高程示意分别见图5、 图6。

图5 耦合型供水系统Fig. 5 Coupled mode water supply system

图6 耦合型供水系统高程Fig. 6 Elevation of coupled mode water supply system

3.4.1 工业水余压利用措施

通过抬高蓄水构筑物内设计水位， 可以将工业水余压转换为势能蓄能， 从而利用工业水余压。 结合供水系统高程（图6）分析， 抬高蓄水构筑物（机力塔水池、 化学水箱）水位不影响循环水泵几何扬程， 但化学水箱的水位决定着生水泵的几何扬程：水箱水位越高， 生水泵几何扬程越小。 本工程考虑一定的富裕水头， 拟利用工业水余压0.15 MPa， 确定化学水箱、 机力塔水池的设计水位为15 m。 考虑可能会出现的工业水来水水压不足工况， 在工业水进入厂区的供水总管上设置旁路， 安装2 台提升水泵作为备用措施。

3.4.2 系统连通切换措施

在辅机开式循环冷却水回水管上增设支管（AB段， 见图5， 下同）与化学水箱的工业水进水管连通， 新增相应的控制阀门Va。 增设1 条管径为DN 1 000 mm 的机力塔水池补水管， 化学水箱设溢流管至机力塔水池。 通过该措施实现供水系统的连通和切换。

3.4.3 系统运行方式

（1） 达产期运行方式。 鉴于超滤-反渗透装置入口的水温不宜超过30 ℃， 结合表1 的各月工业水水温， 在1 ～5 月份和10 ～12 月份， 辅机开式循环冷却水系统和化学生水供水系统耦合为1 套供水系统运行。 此时， 关闭阀门Vb 和机力塔的进水阀门， 同时其他阀门全开， 与化学生水需求量等量的工业水（5 600 m3／h）进入机力塔水池， 经过循环水泵升压供热电厂换热器冷却， 换热（折算升温6.7 ℃）后通过回水支管（AB 段）至化学水箱供化学生水用。 该工况， 机力塔不运行， 2 台循环水泵变频运行。

工业水水温较高时（6 ～9 月份）， 开式循环冷却水系统和化学生水供水系统独立运行， 此时关闭阀门Va 和Vc， 其他阀门全开。 开式循环冷却水系统采用带冷却塔的循环冷却供水方式， 循环冷却水量为7 500 m3／h。 化学生水（5 600 m3／h）则由工业水直供。 该工况3 台机力塔全部投运， 3 台循环水泵工频运行。

（2） 达产过渡期运行方式。 本项目作为石化产业基地的基础设施， 先于热用户工程建成。 受外界需求影响， 项目初始对外供热量将达不到设计值。此时化学生水需水量可能远小于开式循环冷却水量， 两者匹配较困难。 该阶段， 夏季（6 ～9 月份）的运行方式同达产期夏季运行方式。 其他月份运行方式如下： 关闭阀门Vb， 切断园区工业水直接进入化学水箱； 同时其他阀门全开。 辅机开式循环冷却水系统采用带冷却塔的循环供水方式， 部分经换热后的循环冷却水通过回水支管（AB 段）以旁流的方式至化学水箱供化学生水用。 在运行时， 需要通过调整化学水箱的进水阀门开度来控制其进水量。此时进入机力塔水池的补给水量（工业水量）是机力塔的蒸发、 风吹损失水量、 化学生水量之和。

（3） 备用提升水泵运行。 当厂外工业水来水水压不足0.15 MPa 时， 备用的提升水泵通过设置在管道上的压力开关自动启动， 按泵出口压力0.15 MPa 恒压变频运行； 当厂外工业水来水水压大于0.15 MPa 时， 提升水泵自动停泵。

3.4.4 主要构筑物

机力塔水池兼具调蓄厂外工业来水量的功能，需要一定的容积， 在平面尺寸（L × B ＝48 m × 19 m）确定的情况下， 适当加大其有效水深至4 m， 池底高程为11 m， 有效容积约为3 600 m3。 循环水泵和提升水泵均布置在冷却塔水池下部空间， 并设围护结构。 该布置方案在减少占地的同时， 省去了通常设计中的循环水泵房前池及相应辅助设备。

化学水箱采用钢制水箱， 有效容积为5 000 m3。 运行中可能出现化学生水需水量短时波动， 将和开式水供水量不匹配， 过量的开式水需要从化学水箱溢流回至冷却塔水池。 考虑溢流水头差需要，设定溢流水位为18 m， 确定水箱实际高度为19 m，水箱直径为21 m。

3.4.5 主要设备参数

系统设备的配置兼顾耦合运行和独立运行工况， 主要设备参数见表3。

表3 耦合型供水系统主要设备及参数Tab. 3 Main equipments and parameters of coupled mode water supply system

3.5 节能效益分析

与独立型供水系统相比， 耦合型供水系统通过冷热水的梯级使用及利用工业水来水的余压， 产生较大的节能收益， 以达产期为计算工况， 节能效益分析如下。

3.5.1 蓄能（工业水余压利用）

据前文所述， 工业水余压利用主要降低的是生水泵的几何扬程。 化学生水量约为5 600 m3／h，设计利用工业水余压为0.15 MPa（15 mH2O）。 水泵配套电机功率按公式（1）计算。

式中： N 为水泵配套电机功率， kW； γ 为水的密度， kg／m3； Q 为水量， 取1.56 m3／s（5 600 m3／h）； ΔH 为节省的水泵扬程， mH2O； η1、 η2分别为水泵和电机的效率， 分别取0.85 和0.93。

计算得知， 生水泵配套电机降低功率约290 kW， 全年（12 个月）节约电耗约232 万kW·h， 按上网电价0.475 元／（kW·h）计， 年节约电费110 万元。

3.5.2 节电

（1） 机力塔在直流供水工况不运行。 机力塔按运行2 台， 全年（8 个月）运行5 333 h 计， 全年节约风机电耗约141 万kW·h（按风机铭牌功率）。

（2） 开式水在直流工况不上机力塔， 循环水泵扬程降低10 m， 按公式（1）计算循环水泵电机降低功率为191 kW， 直流工况（8 个月）节约电耗约103万kW·h。

全年共节约开式循环冷却水系统中机力塔风机和循环水泵电机电耗约244 万kW·h， 按上网电价0.475 元／（kW·h）计， 年节约电费116 万元。

3.5.3 节汽

辅机循环冷却水回水温升Δt ＝6.7 ℃（折算后）后供化学生水， 可降低化学生水加热耗汽量68 t／h（加热用蒸汽参数： P ＝0.6 MPa， t ＝180 ℃）， 全年（8 个月）节省蒸汽量约363 万t， 折合标煤37.4 万t，按标煤价800 元／t 计， 年节约燃料费2 992 万元。

3.5.4 节水

直流供水工况， 开式水不上机力塔， 无机力塔蒸发、 风吹和排污水量损失。 按直流工况（8 个月）平均干球温度9 ℃为计算工况， 节水量约为60 m3／h， 全年共节水约32 万m3， 按工业水价2 元／m3计， 年节约水费约64 万元。

4 结语

供热量较大的大型背压式热电厂辅机开式冷却水量与其化学生水需水量相差较小， 两者对水温有不同要求。 将辅机开式循环冷却水供水系统与化学生水供水系统耦合设计， 通过梯级使用冷热水， 同时合理利用工业水来水的余压， 设计兼具直流及循环供水功能的辅机开式冷却水供水系统， 可产生较大节能效益。