電廠熱網循環水汽動泵改造經濟性分析

梁 偉

(中國石油集團電能有限公司熱電二公司,黑龍江 大慶 163411)

0 引言

發展循環經濟和建設節約型社會,以盡量少的物質消耗支撐經濟社會的持續發展。國家《“十四五”節能減排綜合工作方案》明確,到2025年,全國單位國內生產總值能源消耗比2020年下降13.5%,能源消費總量得到合理控制,重點行業能源利用效率和主要污染物排放控制水平基本達到國際先進水平,經濟社會發展綠色轉型取得顯著成效?！陡吆哪苄袠I重點領域節能降碳改造升級實施指南(2022年版)》要求,加強能量系統優化、余熱余壓利用,通過推廣使用先進技術裝備,提高生產工藝和技術裝備綠色化水平,提升資源能源利用效率[1]。近年來,使用工業汽輪機驅動轉動設備,在工業生產中得到推廣應用,可實現平穩控制、靈活調整,合理利用低品質余熱,進一步提升了能源利用效率,節能效果更加顯著。中國石油集團電能有限公司熱電二公司是熱電聯產集中供熱企業,裝機容量200 MW,擁有乘銀、讓龍兩個熱網首站,具有工業汽輪機驅動用蒸汽和動力負荷,且乏汽熱能能夠回收利用,為工業汽輪機的應用提供適宜平臺[2]。

1 電廠熱網系統分析

1.1 系統概況

熱電二公司熱網系統含乘銀、讓龍兩套相對獨立的熱網首站,其中,乘銀熱網擔負著向乘風莊、銀浪地區居民采暖供熱任務,設計供熱負荷360 MW,供熱面積609.54×104m2;讓龍熱網擔負著向讓胡路、龍南地區居民采暖供熱任務,設計供熱負荷365 MW,供熱面積707.4×104m2。近年來,隨著城市建設和小鍋爐房關停,兩個熱網覆蓋面積逐年增加,基礎供熱面積已達2 300×104m2,年供熱量約900×104GJ。大慶地區冬季供熱期為183天,年供熱時間4 392 h, 供熱穩定期兩網循環水瞬時流量約12 800 m3/h,兩網循環水泵年耗電量約為2 400×104kW·h。乘銀熱網主要包括熱網循環水泵、汽水加熱器、水水加熱器、熱網除氧器、補水泵以及汽水管路和閥門,其汽水系統流程如圖1所示。

圖1 乘銀熱網汽水系統

讓龍熱網主要包括熱網循環水泵、高壓加熱器、低壓加熱器、疏水罐、補水泵和疏水泵等,其汽水系統流程如圖2所示。由于兩網運行方式均由原設計的直供網改為間供網,循環水運行調整為高溫小流量,加大了熱量與水量匹配難度,循環水運行壓力較泵額定參數偏離較大,也增加了供水系統節流損失。如采用工業汽輪機將電動泵替換為汽動泵,不僅可實現循環水泵變速調節,化解供熱量與水量匹配矛盾,保持管網壓力平穩,降低節流損失,大幅降低熱網系統電量消耗,還能將做功后的乏汽用于讓龍熱網低壓加熱器,實現蒸汽能量的梯級利用,綜合節能效果將十分顯著[3-5]。

圖2 讓龍熱網汽水系統

1.2 循環水系統

乘銀熱網循環水系統共11臺熱網循環水泵,供熱初、末期平均4臺運行,供暖大負荷期6臺運行,大負荷期供水流量約6 500 m3/h,供水壓力為1.10 MPa,回水壓力為0.1～0.2 MPa。

讓龍熱網循環水系統共5臺熱網循環水泵,供熱初、末期平均1臺泵運行,大負荷期間2臺運行,大負荷期供水流量約6 300 m3/h,供水壓力1.20 MPa,回水壓力為0.1～0.2 MPa。

熱網循環水泵主要參數見表1。兩網設計供、回水溫度分別為110 ℃、70 ℃,供暖期隨氣溫變化,對供水溫度及匹配的流量調度進行調整,每套熱網供熱計量是通過供回水流量、溫度等測量數據核算得出。

表1 熱網循環水泵主要參數

1.3 蒸汽系統

1)中溫中壓蒸汽,用作乘銀熱網汽水加熱器和讓龍熱網高壓加熱器汽源,來源包括1號、2號汽輪機的背壓排汽及3號汽輪機的中壓抽汽,事故情況下為保證民用采暖供熱,還可以由主蒸汽通過減溫減壓裝置獲得。上述蒸汽通過中溫中壓蒸汽管網并列運行,管網參數基本保持在1.05 MPa、280 ℃。

2)廠用低壓蒸汽,額定參數為0.15 MPa、172 ℃,由中溫中壓蒸汽通過減溫減壓得到,用作讓龍熱網低壓加熱器汽源。

3)乘銀熱網換熱設備包括8臺汽水加熱器,單臺換熱面積為466 m2。在汽水加熱器中,中溫中壓蒸汽與熱網循環水進行換熱,將熱量傳遞給熱網循環水;2臺水水加熱器,每臺換熱面積為450 m2,在水水加熱器中,則是由汽水加熱器導出的疏水與循環水進行換熱。

4)讓龍熱網換熱設備包括4臺高壓加熱器,每臺換熱面積700 m2,4臺低壓加熱器,每臺換熱面積為420 m2。中溫中壓蒸汽在高壓加熱器中與熱網循環水進行換熱,其疏水導入低壓加熱器與低壓蒸汽一同完成對熱網循環水的初步加熱。

1.4 疏水和補水系統

乘銀熱網疏水系統采用壓差疏導方式,中溫中壓蒸汽在汽水加熱器中完成熱量傳遞,其疏水經水水加熱器再次換熱后,疏水壓力保持在0.2 MPa以上,溫度為80～100 ℃,通過熱網疏水母管導入機組低壓除氧系統;乘銀熱網補水系統配備3臺補水泵,其額定流量185 m3/h,揚程25 m。

讓龍熱網疏水系統配備4臺疏水泵,額定流量為275 m3/h,揚程130 m,中溫中壓蒸汽在高壓加熱器中換熱后,其疏水導入低壓加熱器,并與低壓蒸汽一同加熱熱網循環水,換熱后所有疏水導入熱網疏水罐,再經疏水泵送入機組高壓除氧器。讓龍熱網補水系統配備2臺補水泵,額定流量為586 m3/h,揚程20.5 m。

兩網補水泵入口均與熱網除氧器下水管道相連,補水泵出口分別接至各自熱網循環水回水母管,熱網運行時循環水回水壓力應保持在0.1～0.2 MPa,否則應啟動或加大熱網補水,以防止回水壓力低導致熱網循環水泵汽化。

2 系統設計

2.1 汽輪機選型

常用的工業汽輪機按熱力系統原理可分為凝汽式汽輪機、背壓式汽輪機、抽汽式汽輪機和多壓式汽輪機。其中,凝汽式汽輪機和抽汽式汽輪機不同程度存在冷源損失,且機組整體占地面積大,配套的附屬系統較為復雜。多壓式汽輪機除直接利用鍋爐產生的蒸汽外,還可以引入生產流程中的余汽共同作功,但該類汽輪機的性能、使用條件與熱電二公司實際需求并不匹配。背壓式汽輪機結構簡單、緊湊,配套的附屬設備少,沒有冷源損失,經濟性和安全穩定性突出,但其做功后的乏汽需要合理的接納和使用[6-7]。

熱電二公司具有工業汽輪機驅動所需中溫中壓蒸汽汽源,有大功率熱網循環水泵動力負荷,且讓龍熱網低壓加熱器恰好能夠實現乏汽的接納利用。因此,在工業汽輪機的選擇上,背壓汽輪機更適合用作熱網循環水泵動力源。

2.2 參數確定

依據《火力發電廠供熱首站設計規范》,熱網循環水泵驅動用背壓機功率不宜小于循環水泵軸功率的1.1倍,其背壓排汽壓力必須大于吸納設備運行參數,因此,在背壓式汽輪機終參數選取上應有裕度。用于熱網循環水泵汽輪機,以1.05 MPa、280 ℃作為汽輪機進汽基準初始參數,以廠用低壓0.15 MPa、172 ℃蒸汽作為汽輪機排汽基準終端參數,結合驅動的熱網循環水泵以及循環水系統實際運行參數,確定汽輪機的具體型號和參數。

由于原乘銀熱網循環水泵容量小、效率低且占用空間大,因此在選擇乘銀熱網汽輪機參數時,首先考慮拆除6臺熱網循環水泵,更換為2臺流量為3 500 m3/h,揚程125 m的高效熱網循環水泵,并據此確定與該循環水泵配套的汽輪機型號為B1.7-1.05/0.2,其額定功率1 700 kW,額定轉速3 000 r/min,轉速調節范圍700～1 650 r/min,配套水泵轉速1 480 r/min,汽機額定進汽量26.7 t/h。

讓龍熱網根據現有循環水泵的參數和系統實 際 運 行工況,確定2臺驅動汽輪機型號為B1.9-1.05/0.2,其額定功率1 900 kW,轉速3 000 r/min,轉速調節范圍700～1 650 r/min,該汽輪機通過減速裝置與原系統轉速為980 r/min的循環水泵匹配,汽機額定進汽量29.9 t/h。兩種型號汽輪機的進汽參數為壓力1.05 MPa、溫度280 ℃,排汽參數為壓力0.2 MPa、溫度172 ℃。

2.3 系統設置

以背壓式汽輪機替代電機,將原熱網部分循環水泵改為汽動泵,新安裝的4臺汽輪機的驅動蒸汽,分別通過φ219蒸汽管道引自φ630中溫中壓蒸汽聯絡管,4臺汽輪機背壓排汽,則分別通過φ529管道送至低壓蒸汽母管后,再供給讓龍熱網低壓加熱器使用。為防止事故工況下汽輪機排汽超壓,或是啟動過程中由于排汽壓力低不能并入低壓加熱蒸汽系統,在每臺汽輪機背壓排汽管道上同時裝有安全閥和啟動排汽閥,啟動和事故排汽通過安全排汽母管引至廠房外排入大氣[8-10]。循環水汽動泵系統設置如圖3所示。

圖3 循環水汽動泵系統

3 效益分析

改造后的汽輪機進汽焓值為3 007 kJ/kg,排汽焓值為2 817 kJ/kg,汽輪機通過熱動能量轉化,將一部分能量用于拖動循環水泵運行,大部分熱能通過做功后的乏汽排至低壓熱網加熱器,用于加熱熱網循環水。

熱網汽動泵改造前后,對兩網循環水泵能耗進行統計,按照中溫中壓蒸汽價格136元/t、成本電價0.35元/(kW·h)計算,分析一個采暖季的經濟效益,見表2。

表2 熱網循環水泵能耗統計

熱網循環水汽動泵改造后,每個采暖季可節省電費836.75萬元,減少供熱收入368.92萬元,年綜合收益為467.83萬元。

4 結 語

通過對熱網循環水汽動泵改造,進行系統設計和效益分析。實際應用效果,不僅大幅降低熱網系統用電消耗,同時還實現蒸汽能量的梯級利用,與原電動循環水泵相比,年可節省熱網系統電費約465萬元。同時,提升了企業的能源綜合利用率,符合國家節能減排和雙碳政策,經濟效益和社會效益顯著。對于熱電聯產企業,研究實施給水泵等大功率電機替代,具有應用推廣價值。