大型火电低温余热深度利用研究应用

国家电投集团协鑫滨海发电有限公司 华东奇 江苏巴威节能设备有限公司 何文武

1 引言

某2×1000MW 超超临界燃煤机组闭式水与用户换热后的低温回水由开式水（海水）冷却。化学生水进入超滤前的水温低于20℃时，由蒸汽管壳式加热器加热至25℃左右，汽源为辅助蒸汽。该研究应用将30℃左右的闭式水回水代替蒸汽加热生水，新增系统调节灵活、运行稳定，未对原闭式水系统和化学制水系统产生不良影响。

2 研究项目的意义及目标

2.1 项目研究的意义

大型火电厂闭式水因其用户比较关键，对运行的安全性、稳定性要求较高，如果出现异常，可能会导致机组降出力，甚至停机。目前，闭式水与用户换热后的水温较低，电厂为了安全运行，一般没有利用。

本项目选用两台百万超超临界燃煤发电机组作为研究对象，开展闭式水低温余热深度利用研究与应用，具有北方大型火电代表性。百万机组闭式水系统用户多、流量较大，单台机组配备3台闭式泵，冬季单台闭式泵运行，流量约1400t/h，加热生水需要的闭式水约240t/h 左右，闭式水运行温度在30℃左右，热量损失较大，而且还需要大量的开式水冷却。如果在每年10月初至次年4月底用闭式水回水加热生水，不但可以降低开式水流量、提高汽轮机凝汽器循环冷却水流量、降低循泵电流、改善现有生水换热器（蒸汽）结垢现状，还可以节约大量辅助蒸汽。研究达到预期效果后，淮河流域以北的火电厂、燃气电厂可推广应用，黄河以北的电厂冬季运行时间更长，节能降耗更明显。

2.2 预期目标

利用小端差可拆卸板式换热器回收低温闭式水余热（冬季最低温度27℃），加热化学生水至25±3℃，预期达到以下目标：

有效解决原蒸汽换热器结垢问题。原管壳式换热器因水质原因，水侧结垢严重，降低了换热效率，提高了蒸汽使用量，且需要定期除垢。采用可拆卸板式换热器加热生水，在45℃以下运行不易结垢，可长期运行不检修。

新增换热器与原管壳式蒸汽换热器互为备用，能安全、灵活应对闭式水、生水工况改变，两台机组的闭式水可自由切换，保持连续运行。

节省原管壳式生水换热器加热蒸汽，节能增效。从每年10月20日左右运行至次年4月底停运，每天投运14h 左右，原管壳式生水换热器消耗的辅助蒸汽（0.9MPa/320℃）平均约5t/h，每年可节约蒸汽约12000t 蒸汽，节能效益显著。

3 开展项目研究及应用

3.1 机组原有状况

厂内原生水加热系统采用0.9MPa/320℃过热蒸汽加热生水，配套有两套容量为120t/h 的管壳式生水加热器，换热管材质为钛合金，进汽调阀经常内漏。

冬季，生水最低温度5℃左右，需加热至25±3℃；制水量240t/h。

闭式水系统现有两台管壳式换热器、3台闭式冷却水泵（夏季高温时期运行两台，冬季运行1台）、辅助设备等，有润滑油、EH 油、发电机定冷水、空压机、循环水泵、凝结水泵等关键用户。闭式水采用开式水冷却，开式水由循环水母管引出，不设开式水泵，因机组采用凝汽器低位布置，循泵扬程降低，导致开式水压力低，冷却效果没有达到预期效果，因闭式水换热器设计裕量较大，暂不影响闭式水运行。

原生水加热器为两台管壳式，一用一备。超滤供水泵共3台，变频设计，日常工频运行，压力基本满足超滤入口压力。

表1 原管壳式加热器每年蒸汽耗量计算

按以上数据计算，结合实际运行工况，得出辅助蒸汽消耗量：4.864t/h。

生水出口总焓增量计算：（105.3-21.5）kJ/kg×170000kg/h=14246000kJ/h；

蒸汽用量计算：14246000/（3096.73-167.62）≈4864kg/h=4.864t/h。

3.2 安全经济性分析

一是每年10月至次年4月底，当生水温度低于20℃时，生水加热装置投运。期间，闭式水系统单机单泵运行，单台闭式泵出力约1400t/h，闭式水换热器旁路调阀经常会保持一定开度，说明闭式水量在此阶段仍然是有裕量的。

二是生水加热装置不能作为一个闭式水用户，因为这个系统的入口点和回水点均设置在闭式水回水母管上，换热后的闭式水只会降低闭式水回水温度，对闭式水系统会带来好处，减少开式水用量，对闭式水用户不会影响，不会导致闭式水用户水量不足。

三是生水加热系统从闭式水取水后，闭式水泵的扬程问题。在闭式水回水母管上增加了240t/h 的板换以及进出口阀门等配件后，因配置了增压泵，所以对整个闭式水系统的阻力没有影响。

四是生水系统进入超滤前的压力需求为0.15MPa，现有3台变频泵的出口设计压力0.35MPa，自清洗过滤器的压降为0.15MPa，原设计裕量略有不足。新增的板式生水加热器压降≯0.5MPa，为了保障超滤前的压力，在生水加热器生水侧增加一套扬程为20米的工频增压泵，除了满足生水系统的压力需求外，同时解决了目前3台变频泵设计压力裕量不足的问题，提高了原生水系统的安全、稳定性。因此，闭式水余热加热系统的增加对闭式水系统和生水系统的安全运行是没有影响的。

3.3 实施方案

一是新增生水加热系统与原闭式循环水系统并联，两台机组之间可自由切换运行，出口管道上设置逆止阀，防止窜水。

二是新增系统主要设备有1台小端差（最低端差达1℃）板式换热器、电动阀、在线监测仪表和控制系统等。设备布置根据现场具体情况，原则布置在一号机组固定端闭式水换热器附近，尽量缩短连接管线。

管壳式换热器与板式换热器的选用。生产现场空间有限，闭式水水质较好，清洁度较高，不易堵塞，所以选用占地面积小的板式换热器，而且因闭式水与生水的温差较小，板式换热器的端差比管壳式换热器可以做得更小，因此选用了板式换热器。

表2 板式换热器相关参数

三是生水取自化水车间超滤前的进水母管段，出化水车间后上综合管架，通过换热器升温后的出水管经综合管架回到化水车间。化水车间的接入点都在原管壳式换热器进出口管道上，与其并联。室外部分的管道需要保温。

四是闭式水取水在闭式水换热器进水母管，在进水母管上设置旁路配套有电动蝶阀，闭式水经过换热器换热后回闭式水母管。

五是往年冬、春两季，降雨量小，翻身河上游来水减少，海水涨潮时翻身河有倒灌现象，导致生水电导率最高可达到3500us/cm 左右（闭式水侧11us/cm 左右）。为防止换热器发生泄漏时生水窜入闭式水系统，控制闭式水侧压力（0.5MPa 左右）大于生水侧压力（0.3MPa）。同时，闭式水侧、生水侧均加装了电导率表，可在线实时监视，当闭式水电导率高时，系统自动停止运行，联锁关闭相关阀门，确保闭式水系统安全运行。

图1 系统图

六是新增系统就地设置了控制柜，控制系统接入电厂DCS 系统，由集控中心操作，也可通过就地控制柜操作。

4 改造效果

4.1 项目投运后运行情况

图2 集控画面

系统监视和运行调整。本系统的监盘、调节均集控人员集中控制，根据化学专业制水需求启停。化学DCS 和主机DCS 监视都在集控室，启动和停运时可综合监视分析闭式水箱水位、闭式水温度及其他参数变化，便于发现系统异常，避免影响主机闭式水系统安全运行。

对闭式水换热的影响。新增系统流量为240t/h的板换，与闭式水换热器并联，通过变频控制增压泵出口压力，使板换出口压力稍高于闭式水换热器出口压力0.02MPa，保障了本系统的换热效果，不影响闭式水换热器换热效果。板换的水量对于闭式泵1400t/h 的流量，从长期运行情况看，没有对闭式水系统水温、压力造成影响。

对生水系统压力的影响。生水系统进入超滤前的压力需求为0.15MPa，现有3台变频泵的出口设计压力0.35MPa，自清洗过滤器的压降为0.15MPa，原设计裕量略有不足。新增的板式生水加热器压降≯0.5MPa，在生水加热器生水侧增加一套扬程为15m 的变频增压泵，满足本系统生水侧的升压需求，同时解决了目前3台变频泵设计压力裕量不足的问题，提高了生水系统运行的安全性、稳定性。变频泵跟随超滤前的压力进行自动频率调整。

对闭式水水质的影响。新装板式换热器没有发现泄漏，闭式水电导率显示正常；再者，闭式水运行压力比生水侧高，不存在生水泄漏至闭式水侧，不会影响闭式水电导率。

对循环水系统的影响。新增系统运行后，经过原闭式水换热器的水量减小，闭式水换热器需要的开式冷却水量减小，凝汽器冷却水量有所提高，有利于保持真空；而且循泵的电流稍有下降。整体来说，新增生水加热系统对机组的能耗改善是有利的。

4.2 系统运行达到的主要指标

技术指标。系统运行期间，生水温度在5～20℃，经过闭式水加热后生水温度能达到25℃左右，满足超滤装置入口水温的要求。板式换热器换热效率高，生水增压泵和闭式水增压泵各频率段轴承座处振动值≤0.05mm（双振幅值），轴承温度≤80℃，系统运行期间测量增压泵振动等参数均合格。

经济效益指标。项目投运后，统计2021年度运行时长和生水制水量，计算每年生水加热节省的蒸汽量，折合成生产费用，结合当年的煤价，从而得出每年可节约生产费用100万元左右。

5 结语

针对30℃的低温水来说，电厂一般不会牺牲闭式水的安全性加以利用。该项目开展之前，国内北方大型火电厂还没有利用闭式水低温余热加热生水的案例，通过本研究的成功应用，证明闭式水加热生水是可行的、可控的。而且经济效益良好，系统运行安全、可靠，运维人员反馈良好，比原管壳式换热器效率高、操作方便，系统运行更稳定。

随着煤炭价格高涨，电力系统运行成本不断提高，给电厂节能降耗工作提出了更高要求。如果把闭式水低温余热应用技术推广到北方其他大型火电厂，节能效果是非常明显的。除了加热生水，还可以利用闭式水加热电厂的生活水，代替电热水器等换热设备，实现冬季24h 热水；同时，还可以加热除盐水，提高除盐水达到一定的储能效果；还可以应用到燃机电厂、热电联产电厂等。总之，闭式水低温余热的深度利用技术可应用到电厂低温余热利用，达到良好的节能降耗目标。