提高火力发电厂能源转换效率的探讨
岳建华1毕春海1岳涛2
1.神华国华(北京)电力研究院有限公司,北京市朝阳区力源里3号,邮编100025
2.华北电力科学研究院有限责任公司
摘要:本文通过对火力发电厂生产工艺系统的分析,提出了循环水直接供热技术,将实现火力发电厂能源转换的变革。采用溴化锂热泵技术将机组开式冷却水系统与凝结水系统进行耦合,在保证凝结水精处理正常工作的同时、回收了开式冷却水的热量。结合新型的电、热、冷、热水联合生产工艺和新的发电-供热技术,有效地提高了电厂的能源转化效率,引导发电企业向低碳发展。
关键词:循环水直接供热;能源转换效率;供电煤耗;溴化锂;耦合
火力发电厂在为社会提供电力清洁能源的同时,其大量低温热能被排放到环境中,造成能源的浪费,见图1。表1是不同类型机组能源转换效率,从表1看出,亚临界机组能源转化效率为38%,超临界机组效率为41%,超超临界机组效率为44%,再考虑输电、配电等损耗的基础上,从燃煤到用户的电能转换效率更低。
图1 火力发电厂冷却水塔排出大量的热能
表1 不同类型机组能源利用效率
从以上数据看出,从亚临界到超超临界机组,62%~56%的能源没有带来效益,而被遗弃到环境中,影响周边的环境,也使火电厂碳排放量巨大。
1提高火电厂能源转换效率的技术路线
如何提高火力发电厂的能源转换效率,主要有两种技术路线。
1)提高工质的初参数
即700℃计划,理论上能源转换效率达到57%、供电煤耗为215g/kWh,这是国内外重点研究的,中国也启动了700℃行动计划。700℃行动划的目标当然好,但需要解决耐高温特殊金属材料的制造、焊接、热处理等技术,需要的基础研究工作巨大,国内外预计在2015~2020年开始进行示范工程建设。
2)纯凝汽轮机组或抽汽供热机组凝结器乏汽热能的利用
即低温热源的利用,如果将机组凝结器排出的余热充分利用,将极大的提高机组的能源转换效率,降低机组供电煤耗,表2是国内不同类型机组煤耗指标,从表2看出,超超临界机组较亚临界机组煤耗有显著的降低。
表2 不同类型机组运行能耗
表3 是采用循环水直接供热技术在不同地区(供暖期不同)供电煤耗指标,从中看出,采用循环水直接供热技术,机组全年等效供电煤耗小于超超临界机组、接近700℃计划实施后的指标,但从技术层面讲较700℃计划的实施难度小的多。
表3 采用循环水直接供热的亚临界机组运行煤耗
2循环水直接供热发电技术
通过对火力发电生产工艺系统的改进,在城市周边的电厂采用先进的循环水直接供热技术,在保证正常的发电基础上,最大限度的提高机组热经济性,降低单位能源的碳排放。
2.1循环水直接供热技术
循环水直接供热技术:利用汽机做完功乏汽的热量加热热网循环水直接对用户供热,实现将凝汽式或抽汽式供热机组运行时循环水中的热量充分利用,见图2,此技术将有效的提高机组的热效率,供热区域控制在10KM范围内。
表1数据说明,在不影响发电量的前提下,三种类型机组采用循环水直接供热的热电比均大于“1”,使能源得到充分的利用,供暖期能源利用率大于90%,全年等效供电煤耗指标见表3。
图2中,红色为冬季供热的水流程,黑线为纯凝发电水流程,兰色是供热期间的热水调节管路。
图2 采用循环水直接供热热力系统示意图
2.2循环水直接供热的机理
循环水直接供热是采用专用的汽轮机,在供暖期将机组凝结器背压提高,将热网循环水直接加热到70~80℃,给用户提供冬季供暖热能,不同背压排汽温度见表4。
表4 凝结器背压与饱和温度的关系
从表4看出,当机组背压从19.74kPa到59.21kPa时,能够给用户提供55℃到80℃的热水用于供热(考虑换热器端差为5℃)。
如果城市能够实现集中供冷,电厂机组经济效益将进一步提升。
一台300MW亚临界机组采用循环水直接供热技术,在保证发电出力不变的情况下,实现387MW的供热;600MW机组提供774MW的供热。
2.3循环水直接供热技术的实施方案
现有的城市供热系统是电厂将110~130℃的高温热水送各用户,各用户通过换热站的水水换热器将用户暖气的水(二次水)加热到70~80℃,见图3;如果电厂直接提供70~80℃热水给用户,取消用户换热器,电厂的低温热源也有用武之地,极大的提高能源利用率,降低了城市的碳排放。
图3 传统的城市供热
1)城市热网供暖热水参数[3]:
热电厂供热源要求供水温度(一次水温)130℃,回水温度70℃。
此高温水经过小区换热站换热器转换为小区供热的二次水温,参数如下:暖气或中央空调集中供热的小区热水供应温度为 60 - 90 ℃。
地板采暖参数:
(1) 供水温度:50-60℃,最高温度不应超过80℃。
(2) 供水压力:0.3-0.5 MPa, 最高不应大于0.8 MPa。
(3) 供回水温差:不宜大于10℃。
循环水直接供热参数:
(1) 供回水温度:供回水温度为 75/45℃,最高温度不应超过80℃。
(2) 供回水压力:供回水压力为 1.0 (1.62)/ 0.2 (0.54)MPa, 最高不应大于2 MPa。
(3) 供回水温差:不大于30℃。
2)采用循环水直接供热技术
循环水直接供热技术的实施条件:一是有大的供暖(冷)用户需求(达到机组供热能力的80%以上且距离电厂10kM之内);二是机组要满足背压5~60KP连续运行要求,见图4。
图4 循环水直接供热系统
图4是利用电厂循环水直接供热系统,图5是用户供暖系统,此系统将汽轮机的乏汽的余热100%利用,为了加大供热面积,电厂按80%能力提供用户热源(保证机组连续供热),20%利用城市天燃气等能
源实现尖峰供暖的需要;如果城市没有天然气资源,电厂按100%提供热源。
3抽汽供热与循环水供热的差异
图表1是300MW抽汽供热机组的供热曲线[2],表与图是一一对应的。从图表1看出,机组抽汽量不同,
机组所带的负荷也发生变化,抽汽量越大,机组所带的电负荷越小。
图表1 300MW供热机组供热曲线
从供热曲线看出,如果300MW供热机组带最大供热负荷为350MW时(550t/h),机组最高能带电负荷为225MW,虽然热电比为1.56,但机组限制电功率出力75MW,供热功率较循环水直接供热少37MW,从中看出,一台300MW供热机组与采用循环水直接供热技术降低热-电功率共计112MW,相当于循环水直接供热机组比常规的抽汽供热机组增加能源输出19.5%;如果再考虑循环水直接供热节省了电厂循环水泵的电耗,能够向电网提供更多的电能(>2MW)。
上述说明,循环水直接供热的能源综合利用率远高于抽汽供热机组。
循环水直接供热机组供热和发电的变化趋势是一致的,即供热量越大,发电量越大,与抽汽供热变化正好相反(抽汽越大,发电量越小),利于电网负荷的调整。
循环水直接供热技术大规模工程应用,是热能的梯级利用和低温热源的回收利用的有效手段,此技术使燃煤电厂在供暖期能源利用效率达到90%以上,将为火力发电行业带来新的发展生机,将大幅度降低能源消耗,降低温室气体的排放。
4采用循环水直接供热技术要解决的问题
采用循环水直接供热技术,能够有效的提高火力发电厂的能源转换效率,提高电厂效益,但要解决好以下问题:
●循环水直接供热汽轮机低压转子叶片和低压缸设计问题
●循环水直接供热汽轮机凝结器设计问题
●循环水直接供热电负荷和热负荷调整问题
●循环水直接供热回热系统设计和设备选型问题
●空冷机组循环水直接供热凝结器设计问题
●空冷机组循环水直接供热换热器设计问题
●循环水直接供热精处理超温运行问题
●循环水直接供热热网补水和水质处理问题
●循环水直接供热热控控制策略研究
●循环水直接供热机组与热网协同优化控制问题
●循环水直接供热热网设计问题
解决以上问题没有不可逾越的障碍,通过努力,均能解决,较采用700℃计划实现的路程近,适合中国国情。
5进一步提高火力发电厂热能转换效率的技术
前面只是从供暖方面对循环水直接供热技术及应用进行了论证,利用循环水直接供热衍生的节能技术如下:
5.1利用循环水直接供热技术实现供热、供冷、供热水三联供
进一步提高能源利用率就是实现供热、供冷、供热水三联供,即利用供暖管路夏季为城市提供冷源动力,为用户提供24h的热水供应,在满足城市人民生活水平不断提高的基础上,降低能源消耗,见图6。
图6上部是用户热水系统,利用热网来的热水,通过小区的水水加热器,将水温加热到65~70℃,为用户提供24h的热水供应。
图6下部是用户制冷系统,利用热网来的热水,通过小区的溴化锂集中空调,将用户空调热水冷却到7℃,为用户提供24h的制冷冷媒,夏季为用户提供24h的冷气供应。
为了提高整个系统的能源效率,溴化锂机组的冷却水取之用户热水系统的冷水系统,将空调系统吸收的热量也进行回收。
图6 循环水直接供热的用户供冷和供热水系统
5.2解决循环水直接供热技术凝结水温度高的节能方案
图7是循环水直接供热的热力系统图,修改线内是增加的系统,从图7看出,主要是利用溴化锂热泵技术将机组的开式冷却水系统与凝结水系统进行耦合,在保证精处理正常工作的同时、回收机组开式冷却水的热量。
图7循环水直接供热回收开冷水热力系统示意图
图7 修改线内是回收开式冷却水热量的方案,系统运行时利用机组原有的开式冷却水对凝结水进行冷却降温,使冷却后的凝结水温度满足精处理树脂交换的需要;这个转换装置相当于系统的一个低压加热器。 图8是采用溴化锂技术实现回收开冷水系统的热量示意图,能量平衡关系为:
Q4=Q1+Q2+Q3
驱动蒸汽热量
图8开式冷却水系统与凝结水系统进行耦合后的热量平衡关系
为了将开式冷却水的热能回收,利用溴化锂热泵技术将开式冷却水的热量和原有凝结水冷却的热量加热精处理后的凝结水,相当将开式冷却水的热量回收。一台300MW 机组可以回收开式冷却水热量10.98MW,相当于提高热力系统效率1.6%;一台600MW 机组可以回收开式冷却水热量18.3MW,相当于提高热力系统效率1.33% 。
6结论
本文论证了新型的电、热、冷、热水联合生产工艺和新的发电-供热节能技术,将提高能源的综合利用率,降低城市的碳排放,实现城市低碳建设和发展。
不同发电技术的电厂能耗水平见表5,从表5看出,采用循环水直接供热技术,机组供电煤耗低于超超临界机组,接近于700℃的高温超超临界机组。
采用溴化锂热泵技术将机组开式冷却水系统与凝结水系统进行耦合,在保证精处理正常工作的同时、回收开式冷却水的热量。一台300MW机组可以回收辅机冷却水热量10.98MW,相当于提高热力系统效率1.6%;一台600MW机组可以回收辅机冷却水热量18.3MW,相当于提高热力系统效率1.33%。
参考文献:
[1]《国家发展改革委关于开展低碳省区和低碳城市试点工作的通知》,即发改气候〔2010〕1587号
[2] 300MW供热机组技术规范
[3]《城市热力网设计规范》CJJ34-2002
作者简介:
岳建华(1961),男,大学本科,高级工程师,主要从事电站电气和热控控制的研究和现场技术支持工作,Email:800901@https://www.wendangku.net/doc/7d7922840.html,,Tel 159******** 。毕春海(1963),男,大学本科,高级工程师,主要从事电站技术管理工作。
岳涛(1982),男,大学本科,助理工程师,主要从事电站热控控制系统的调试和现场技术支持工作。
中国能源学会
中能学[2012]18号
关于召开火电厂金属材料与焊接技术交流2012年会的通知
各有关单位:
为加强金属监督,确保焊接质量,推广和应用金属材料与焊接技术研究成果,保障和提高机组安全运行水平,中国能源学会决定9月15日在沈阳召开火电厂金属材料与焊接技术交流2012年会。届时,60位有业绩的权威专家和生产一线技术主管与大家交流研讨。会议由中国电力科技网承办;国家电力监管委员会电力安全专家委员会教授级高级工程师/材料专家/国际焊接工程师杨富担任大会主席。
一、会议内容
1、金属理化、焊接及热处理性能研究;
2、金属部件缺陷、失效及质量案例分析;
3、超(超)临界机组新型耐热钢与合金的冶炼、轧制与锻造、热处理应用研究及质量控制;
4、设备设计、制造、焊接工艺及质量监控;
5、安装单位焊接、热处理工艺及质量检测实践;
6、各发电集团公司执行金属监督规程技术管理经验;
7、材料性能试验研究:包括材料常规力学性能、微观组织、高温
氧化与腐蚀、疲劳、蠕变、应力腐蚀及冲蚀等方面研究;
8、火电机组部件寿命评估、寿命管理;
9、状态诊断技术,包括在线监测装置、无损评估、实验室试验等;
10、国内外包括700℃超超临界电站最新研究动态及成果。
发言内容见附件1或浏览中国电力科技网https://www.wendangku.net/doc/7d7922840.html,。二、日程安排
9月14日报到,15-17日大会主题、专题报告,分会场技术报告、案例分析,综合报告,专家答疑,技术研讨、互动交流。
三、与会须知
1、请参会者将回执表(见附件2或登陆中国电力科技网下载)加盖单位公章尽早传真至会务组,以待正式参会通知。
2、火电厂、科研院所及主机厂会务费1200元/人,辅机配套厂商2000元/人,报名截止日期8月28日;食宿统一安排,宿费自理。
欢迎来电索取赞助方案。
四、联系方式
承办:中国电力科技网魏毓璞主任,188********/135********。
杨彤,138********;闫晓英,139********,刘萍,135********。
传真:4006981163转26965,邮箱:rd8856@https://www.wendangku.net/doc/7d7922840.html,。
主办:中国能源学会冯丽萍副秘书长,电话/传真:010-********。
会议通知请登陆中国能源学会网站:https://www.wendangku.net/doc/7d7922840.html,。
会议详情请登陆中国电力科技网网站:https://www.wendangku.net/doc/7d7922840.html,。
二〇一二年七月二十七日
主题词:火电厂金属材料焊接技术年会通知
中国能源学会 2012年7月27日印发
附件1:
附件2:
回执表
备注:
1、此表复印有效;请务必将各项内容填写完整并加盖单位公章。
2、回执请发至传真:4006981163转26965;亦可扫描发至邮箱rd8856@https://www.wendangku.net/doc/7d7922840.html,。
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中国电机工程学会热电专业委员会
热专委[2012]14号
关于召开大机组供热改造与优化运行技术2012年会通知
各有关单位:
随着我国热电联产和集中供热事业的蓬勃发展,大批大容量高参数凝汽式机组完成、正在进行或面临供热改造,有的新上机组直接采用了热电联产机组,甚至超临界机组也加入了集中供热的行列。为使这些机组正常运行,保障供热期间的可靠性,保证非供热期间的经济性,充分发挥热电联产优势,促进我国热电联产健康飞速发展,推广和交流先进技术和成功经验,确保机组和热网安全、经济、高效运行。中国电机工程学会热电专业委员会决定于10月11日在江苏省无锡市召开大机组供热改造与优化运行技术2012年会。
“大机组供热改造与优化运行研讨会”连续三年分别在青岛、南京、扬州召开,会议均由中国电力科技网承办。83位研究、设计、运行、改造经验丰富的权威专家、技术高管和800多位与会嘉宾交流、研讨、答疑,并参观了华电青岛发电厂、大唐黄岛发电厂、国电南通天生港电厂、张家港恒东热电有限公司和华能南京电厂。
会议出版《大机组供热改造与优化运行技术2012年会论文集》,欢迎大家积极撰稿、参会,为热电联产节能减排做贡献。
一、会议内容:
序号30“虚位以待”,欢迎推荐或自荐专家到会演讲!
二、日程安排
10月10日报到;11日主题报告、专题报告、案例分析;12日综合报告、交流互动、专家答疑;13日赴南通技术参观。
三、相关事项
1、请参会者按照疑难问题“调查表”要求认真填写热点、焦点特别是本单位当前亟待解决的疑难问题提前发至承办单位邮箱,以便专家提前准备、重点解答。
2、请参会代表将“回执表”填好后加盖单位公章于9月15日前传真至承办单位,以待正式通知,详告报到地点、交通路线等事宜。
“调查表”和“回执表”见附件或登陆中国电力科技网下载。
3、火(热)电厂、科研院所及主机厂会务费1200元/人,会员单位1000元/人,辅机配套厂商2000元/人,报名截止日期9月15日;欢迎来电索取赞助方案;食宿统一安排,宿费自理。
4、目前学会拥有跨行业、跨部门、跨地区、跨所有制团体会员400多个,今后将重点发展大机组团体会员,使中国电机工程学会热电专业委员会成为更具生命力的学术团体。
四、联系方式
承办单位:中国电力科技网魏毓璞,188********/135********。
杨彤,138********;闫晓英,139********,刘萍,135********。
传真:4006981163转26965,邮箱:rd8856@https://www.wendangku.net/doc/7d7922840.html,。
主办单位:中国电机工程学会热电专业委员会王为民,电话:010-********。
会议文件请登陆中国电机工程学会网站:https://www.wendangku.net/doc/7d7922840.html,;
详情浏览中国电力科技网:https://www.wendangku.net/doc/7d7922840.html,。
二〇一二年七月二十七日
主题词:大机组、热网、供热改造、优化运行、年会、通知
中国电机工程学会热电专业委员会 2012年7月27日印发
附件:
大机组供热改造与优化运行技术2012年会疑难问题
焦点:
备注:
上表除标明以外的数据均为额定THA(热耗保证)工况对应数据。