余熱回收技術在火力發電行業中的應用

  0 前言

 

  余熱是生產工藝中排放的沒有被利用的、高于環境溫度的氣態（如高溫煙氣）、液態（如冷卻水）、固態（如各種高溫鋼材）物質所載有的熱能。據調查，各行業的余熱總資源約占其燃料消耗總量的17%～67%，可回收利用的余熱資源約為余熱總資源的60%。

 

  對于火力發電行業，余熱資源主要為冷卻循環水余熱和鍋爐排煙余熱。當前，余熱回收的理論和技術日趨成熟，通過吸收式熱泵技術回收冷卻循環水余熱以及通過低溫省煤器回收鍋爐排煙余熱已經開始規模化推廣，給火力發電企業帶來了良好的經濟效益和社會效益。  與此同時，國家出臺優惠政策，鼓勵節能服務公司采取合同能源管理模式運作節能項目，極大的促進了節能服務行業的發展。

 

  1 循環水余熱回收

 

  1.1 背景和意義

 

  大型抽凝式供熱機組通過冷卻塔（空冷島）排放了大量的汽輪機排汽余熱，這部分熱量約占燃料總發熱量的50%～60%，是一種極大的浪費。同時，城市規模迅速擴大，供熱需求增長迅猛，供熱機組的裝機容量已不能滿足城市集中供熱的要求。所以，利用吸收式熱泵回收循環水的余熱用于城市供暖，既實現了節能減排，又能夠增加現有供熱能力，提高城市供熱品質，是一項值得大力推廣的新技術。

 

  1.2吸收式熱泵技術介紹

 

  吸收式熱泵（即增熱型熱泵），通常簡稱AHP(absorption heat pump)，它以蒸汽、廢熱水為驅動熱源，以溴化鋰溶液為工作介質，把低溫熱源的熱量提取到中、高溫熱源中，從而提高了能源的品質和利用效率。

 

  利用吸收式熱泵回收循環水余熱，即在電廠供熱首站內增設蒸汽型吸收式熱泵機組，以汽輪機抽汽為驅動能源Q1，產生制冷效應，回收循環水余熱Q2，加熱熱網回水。總供熱量為消耗的蒸汽熱量與回收的循環水余熱量之和Q1+Q2。

 

  吸收式熱泵的供熱量等于從低溫余熱吸收的熱量和驅動熱源的補償熱量之和，即：供熱量始終大于消耗的高品位熱源的熱量（COP>1），故稱為增熱型熱泵。根據不同的工況條件，COP一般在1.65～1.85左右。  驅動熱源可以是0.2～0.8MPa的蒸汽，也可以是燃油或燃氣。

 

  低溫余熱的溫度≥15℃即可利用，一般情況下，余熱熱水的溫度越高，熱泵能提供的熱水溫度也越高。

 

  1.3 應用案例

 

  建投國融國泰熱電循環水余熱利用項目是國內最早建設的300MW以上機組循環水余熱回收項目之一，其基本建設情況如表1所示。該項目在河北建投邢臺國泰發電有限責任公司內新建9臺制熱量為26.3MW的大型吸收式熱泵機組，以采暖抽氣為驅動熱源，提取#11號機組的循環水余熱，加熱熱網回水向市區供熱，如圖2所示。該余熱回收系統由蒸汽及疏水系統、循環水系統，熱網水系統組成。

 

  1.3.1 蒸汽及疏水系統  本項目熱泵驅動蒸汽從#11機五段抽汽供熱網加熱器的環形母管上接取，蒸汽管道穿出熱網換熱站后在零米布置減溫器，蒸汽經噴水減溫后成為飽和蒸汽進入熱泵，蒸汽在熱泵內放熱凝結后形成的疏水進入凝結水回收裝置，最后由凝結水回收裝置配套的水泵升壓后打至熱網疏水箱，與熱網加熱器疏水一起進入高壓除氧器回收。

 

  為了調節驅動蒸汽壓力，保證熱泵設計運行工況對蒸汽壓力（表壓0.3MPa）的要求，在#11機兩臺熱網加熱器入口管道上均加裝一道電動調節閥。

 

  1.3.2 熱網水系統

 

  將外網回水管道用與母管相同的管道接到9臺熱泵機組進行加熱。熱泵出口的循環水分別接至原來的#10、#11機組熱網加熱器的熱網回水管道上，繼而進入兩臺機組的熱網加熱器加熱后沿用原來的熱網供水管道送至熱用戶。為保證冬季供熱可靠性，在熱泵系統進出水干管及熱網回水母管上設置切換用電動閥門，當熱泵機房故障時，可將熱泵解列，熱網回水沿原有管路送至熱網加熱器加熱后供給用戶。

 

  1.3.3 循環水系統

 

  系統新增兩臺循環水升壓泵（不設備用），安裝在熱泵房的泵坑內。從#11機凝汽器出水循環水管道上接出兩根管道至兩臺循環水升壓泵（50%容量）入口，循環水升壓泵出口管道連接到熱泵循環水供水母管上，循環水通過熱泵后回流到一根循環水出水母管，出水母管設兩條回路，通過電動閥門、調節閥分別與#10機凝汽器出口、#11機凝汽器入口循環水管道相連接。

 

  1.3.4 節能減排效果

 

  通過循環水余熱回收系統，國泰熱電的循環水不再全部依靠冷卻塔降溫，而是部分作為熱泵的低溫熱源，回收了原本白白浪費的循環水余熱，并加熱一次熱網水實現對外供熱。在采暖期內，該項目回收循環水余熱量為98.5MW，折合標準煤為13.456t/h，按采暖期2880h計算，年回收余熱量為102萬GJ，折合標煤3.875萬噸，減少CO2氣體排放10.7萬噸，同時減少排放35.5t煙塵、270噸SO2以及477.3噸NOx。

 

  2 鍋爐排煙余熱回收

 

  2.1 背景和意義  鍋爐排煙熱損失是電站鍋爐運行中最重要的一項熱損失，占鍋爐熱損失的60%--70%。影響鍋爐排煙熱損失的主要因素是排煙溫度，一般情況下，排煙溫度每增加10℃，排煙熱損失增加0.6%-1%，相應多耗煤1.2%-2.4%。據統計，國內火電廠的鍋爐排煙溫度普遍高于設計值20℃-50℃。所以，通過加裝低溫省煤器回收鍋爐排煙余熱、降低排煙溫度是火電廠節能降耗的重要途徑。

 

  2.1 低溫省煤器技術介紹  低溫省煤器是一種加裝于電廠煙道中的煙氣換熱器，一般用于加熱凝結水或熱網水。低溫省煤器在煙道中有多種布置方案，可以布置在空預器后、除塵器前，或者在除塵器后、脫硫塔前，也可以在以上兩處同時串聯布置。

 

  設計低溫省煤器系統時，必須考慮防止低溫腐蝕、防止積灰與磨損，保證使用壽命在10年以上。還應選用恰當的換熱器形式（螺旋翅片、H型翅片等），以減少對煙氣的阻力，并提高換熱效果。

 

  如果采用凝結水作為煙氣冷卻介質，回收的余熱進入汽輪機回熱系統，節約低壓加熱系統的抽氣量，提高汽輪機的循環效率，在發電總功率不變的條件下，汽輪機的進汽量降低，汽輪機的汽耗減小。

 

  在供暖期內，還可以采用熱網水作為煙氣冷卻介質，回收的余熱直接加熱熱網水，減少了采暖抽氣的消耗。

 

  2.3 應用案例

 

  建投國融秦熱發電#1爐排煙余熱回收利用項目是華北地區較早實施的加裝低溫省煤器回收煙氣余熱的項目之一，現以該項目為例介紹低溫省煤器技術在電廠中的應用以及達到的節能減排效果。

 

  秦皇島秦熱發電有限責任公司1#、2#號爐是東方鍋爐股份有限公司設計制造的DG1025/17.4-II1型CFB鍋爐。該型鍋爐整體呈左右對稱H型布置，4臺高溫旋風分離器布置在鍋爐兩側，采用外置換熱器控制床溫及再熱汽溫。由于燃用煤質變化，鍋爐的實際排煙溫度遠高于設計值，造成巨大的能量浪費，故而實施了#1爐排煙余熱回收利用項目。

 

  鍋爐原有煙道進行改造，在空預器后，除塵器前的煙道段上加裝低溫省煤器，如圖3所示。為實現最大的經濟效益，在系統方案中設計兩套冷卻介質，實現切換運行，即非供熱期采用凝結水作為煙氣冷卻介質，加熱汽輪機回熱系統的凝結水，在供暖季采用熱網水作為煙氣冷卻介質，直接加熱熱網回水。

 

  圖3 鍋爐排煙余熱回收系統示意圖  Figure 3 Schematic diagram of the boiler flue gas heat recovery system  通過對煤質分析計算，控制合理的管壁溫度，以保證受熱面在酸露點以上，防止低溫腐蝕。在換熱器的選型方面，采用H型翅片換熱器，以擴展受熱面積，強化傳熱，減少系統阻力，同時通過合理設計煙氣流速和采用聲波吹灰器，實現減少積灰與降低磨損等作用，提高了機組的安全性和經濟性。  該項目實施后，在沒有增加鍋爐燃料的前提下，使得汽輪機循環的吸熱量增大，提高了循環效率，年節約標煤消耗11234噸，減少CO2排放3.3萬噸，減少SO2排放133.7噸，減少NOx排放76.9噸，減少粉塵排放12.5噸，節能減排效果顯著。

 

  3 節能技術應用的新型商務模式  3.1 合同能源管理模式介紹  為推動節能服務行業的發展，國家出臺優惠政策，鼓勵節能服務公司采取合同能源管理模式進行項目運作。合同能源管理模式已成為節能服務行業壯大和節能技術推廣的強力助推劑。  合同能源管理是節能服務公司通過與客戶簽訂節能服務合同，為客戶提供包括：能源審計、項目設計、項目融資、設備采購、工程施工、設備安裝調試、人員培訓、節能量確認和保證等一整套的節能服務，并從客戶進行節能改造后獲得的節能效益中收回投資和取得利潤的一種商業運作模式。

 

  3.2 合同能源管理模式的類型  在合同期間，節能服務公司與客戶分享節能效益，在節能服務公司收回投資并獲得合理的利潤后，合同結束后，全部節能效益和節能設備歸客戶所有。合同能源管理主要有以下幾個類型：

 

  1）節能效益分享型：節能改造工程前期投入由節能服務公司支付，客戶無需投入資金。

 

  項目完成后，客戶在一定的合同期內，按比例與節能服務公司分享由項目產生的節能效益。

 

  此類型是國家《合同能源管理財政獎勵資金管理暫行辦法》規定中財政支持對象。

 

  2）節能效益支付型：客戶委托公司進行節能改造，先期支付一定比例的工程投資，項目完成后，經過雙方驗收達到合同規定的節能量，客戶支付余額，或用節能效益支付。

 

  3）節能量保證型：節能改造工程的全部投入由公司先期提供，客戶無需投入資金，項目完成后，經過雙方驗收達到合同規定的節能量，客戶支付節能改造工程費用。

 

  3.3 合同能源管理模式的優勢  合同能源管理模式是一種先進的、雙贏的商務模式，不僅僅是一種產品或技術的推銷，更是一種減少能源成本的財務管理方法的推銷，能夠極大的調動供需雙方的積極性。主要有以下幾個方面的優勢：

 

  1）幫助客戶改善現金流：客戶只付出少量的初始投資或者零投資，可以把有限的資金投資在更優先的投資領域。

 

  2）使客戶規避技術風險：節能服務公司可向用戶承諾節能量，并保證在項目實施的整個過程中安全、平穩運行。

 

  3）技術應用與管理更加專業化：無論從技術層面還是運行管理層面，節能服務公司往往比客戶更加專業，最大程度的保證項目的建設、實施和運行效果。

 

  4）產業附加值高：對節能服務公司來說，不僅僅提供產品和技術，還提供了資金和服務，其附加值更高，能夠為節能服務公司帶來更大的利潤和穩定的現金流。

 

  4 結論

 

  隨著煤炭價格的高漲，火電企業遇到了前所未有經營壓力，甚至出現了全行業虧損的局面。利用先進技術回收余熱資源已經成為提高生產企業競爭力，建設資源節約型社會的重要手段。  本文介紹的兩種余熱回收技術，分別針對火電企業的兩大主要余熱資源，循環水余熱和鍋爐排煙余熱，提供了切實可行的解決方案，節能效果非常顯著，值得大力推廣。

 

  另外，先進節能技術的推廣離不開創新商務模式。河北建投國融能源服務股份有限公司作為河北省首家大型能源服務公司，在項目運作中積極倡導和實踐合同能源管理模式，以期實現節能服務公司和客戶企業的互利共贏。

 

  本文中的兩個案例均為河北建投國融能源服務股份有限公司以節能效益分享模式運作的實際項目。項目的所有投資均由節能服務公司承擔，緩解了客戶企業的經營壓力；項目的節能效果也由節能服務公司保證，客戶企業不承擔任何技術風險，并在整個效益分享期內得到專業的技術服務，實現了經濟、環境、社會效益的最大化。