燃煤热电联产系统冷端余能供热改造研究进展

doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.03.008

华电技术 ›› 2021, Vol. 43 ›› Issue (3): 48-56.doi: 10.3969/j.issn.1674-1951.2021.03.008

燃煤热电联产系统冷端余能供热改造研究进展

方旭^1a, 彭雪风^1b, 张凯², 马敬邦^1b, 赵瑞祥^1b, 王金星^1b^,^*()

1.华北电力大学 a.科技学院；b.能源动力与机械工程学院，河北保定 071003
2. 清华大学能源动力与机械工程学院，北京100084

收稿日期:2020-10-12 修回日期:2021-02-25 出版日期:2021-03-25
通讯作者: * 王金星（1985—）,男,河北唐山人,讲师,工学博士,从事燃煤热电联产机组灵活性改造及储热优化设计等方面的研究（E-mail： wangruoguang860928@126.com）。
* 王金星（1985—）,男,河北唐山人,讲师,工学博士,从事燃煤热电联产机组灵活性改造及储热优化设计等方面的研究（E-mail： wangruoguang860928@126.com）。
作者简介:方旭（1997—），男，云南玉溪人，从事燃煤热电联产机组冷端余能供热改造方案优化研究（E-mail：1050374243@qq.com）。
彭雪风（1998—），男，河南南阳人，在读硕士研究生，从事燃煤热电联产机组冷端余能供热及智能电网研究（E-mail：1251939703@qq.com）。
张凯（1998—），男，山东烟台人，从事低压缸“零出力”供热改造方案技术经济性评价研究（E-mail：1143204067@qq.com）。
马敬邦（1998—），男，内蒙古呼和浩特人，从事燃煤热电联产机组循环水余热回收供热运行策略评价及方案设计研究（E-mail：1035168972@qq.com）。
赵瑞祥（1999—），男，河北沧州人，从事吸收式热泵余热回收供热改造方案优化设计研究（E-mail：1436587283@qq.com）。
基金资助:
河北省自然科学基金青年项目(E2020502007);中央高校基金面上项目(2020MS103)

Development of heating retrofit using waste heat from coal-fired CHP system cold end

FANG Xu^1a, PENG Xuefeng^1b, ZHANG Kai², MA Jingbang^1b, ZHAO Ruixiang^1b, WANG Jinxing^1b^,^*()

1. a. School of Science and Technology；b. School of Energy，Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China
2. School of Energy，Power and Mechanical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China

Received:2020-10-12 Revised:2021-02-25 Published:2021-03-25

摘要/Abstract

摘要：

高比例间歇性可再生能源的嵌入提高了对燃煤机组调峰能力的要求。在居民供暖需求量日益增加的背景下,热电联产系统冷端余能供热改造可有效缓解系统调峰能力不足和供热量不够的问题。介绍了高背压、热泵余热回收及低压缸“零出力”3种供热改造方式。通过具体改造实例对高背压供热改造方案进行了评估;以吸收式热泵为主,介绍了热泵余热回收供热改造原理并分析了其性能参数;以切除低压缸进汽、光轴改造为例,介绍了低压缸“零出力”供热改造方式的特点。总结了3种供热改造方式的适用情况,以期为后续的燃煤热电联产系统冷端余能供热改造提供参考。

关键词: 燃煤热电联产, 冷端余能, 高背压供热, 余热回收, 低压缸“零出力”, 燃煤机组调峰, 可再生能源, 吸收式热泵

Abstract:

The insertion of high-proportion intermittent renewable energy has increased the requirement for flexibility of coal-fired units.With the mounting demand for heating in residential areas,insufficient peak-regulating capacity and lack of heat supply can be alleviated by heating retrofits using waste heat from coal-fired CHP system cold end.Three transformation methods,high back-pressure,heat pump waste heat recovery and low-pressure cylinder "zero output" heating can be taken in this work.The high back-pressure heating transformation was evaluated based on practical cases.Then,focusing on the absorption heat pump,the heat pump waste-heat recovery heating transformation was introduced,including its operational principles and performance parameters.Taking cutting low-pressure cylinder and shaft heating reform as the example,the characteristics of low-pressure cylinder "zero output" heating transformation were listed. Finally,the applicability of the three heating transformation methods was summarized,which is expected to provide a reference for the following heating retrofits at coal-fired CHP system cold end.

Key words: coal-fired CHP system, waste heat of cold end, high back-pressure heating, waste heat recovery, zero output from low-pressure cylinder, peak shaving of coal-fired units, renewable energy, absorption heat pump

中图分类号:

TK01 ⁺9：X783

方旭, 彭雪风, 张凯, 马敬邦, 赵瑞祥, 王金星. 燃煤热电联产系统冷端余能供热改造研究进展[J]. 华电技术, 2021, 43(3): 48-56.

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图/表 11

图1

表1

图2

图3

图4

图5

图6

表2

图7

表3

表4

冷端余能供热改造方案对比

改造方案	原理	优点	缺点	使用情况
高背压供热改造	供暖期更换为高背压低压缸转子,利用汽轮机排汽对热网循环水进行一级加热	最大限度地回收中压缸排汽余热,供热能力强,供热经济性好	改造工作量较大,改造需要更换转子,运行检修工作量大,维护成本较高,对热负荷要求高	热网回水温度较低的采暖地区适宜采用高背压供热改造方案;改造时,应使实际供热负荷接近最大供热负荷^[38]
吸收式热泵余热回收	在发生器内采用高温蒸汽作为驱动热源将工质溶液进行分离	运行成本较低,制冷工质溴化锂溶液无毒,且没有损耗,设备变化负荷不受影响,机组容量大制热出水温度较高	设备比较复杂,发生器内压力对热泵性能影响较大,制热吸收较小,占地面积较大,在热负荷变化时,余热水源无法保障,会出现抢水问题,空冷岛容易结冻	用于热电厂乏汽余热回收供暖;适用于冷却循环水温度高、抽汽压力大的情况^[39]
电驱动压缩式热泵余热回收	采用电能作为驱动热源将工质溶液进行分离	结构简单,操作灵活,占地面积小,相对于吸收式热泵投资少,能效高	运行成本高,制热温度较低,制冷工质多为有毒有机物,对环境产生破坏	适用范围广。适用于单个房间或数个房间,既能夏季制冷也能冬季供热,较适用于电能廉价的地区^[40]
切除低压缸进汽	供热期切除低压缸进汽运行,低压缸不做功,中压缸排汽直接供热	可以大量回收中压缸排汽余热量,汽轮机本体基本不需要改造,运行维护费用底,投资少,供热经济性好,运行方式灵活	没有长期运行经验,存在低压缸小容积流量运行工况。长期偏离设计工况,运行存在一定危险	低压缸转子需要冷却的蒸汽量较大,余热利用率低于光轴改造,但机组改造成本远低于光轴改造成本^[41]
光轴改造	用光轴代替原低压转子,切除低压缸,中压缸排汽直接供热	可以大量回收中压缸排汽余热,供热能力强,改造工作量少,运维成本低,供热经济性好	机组电负荷随热负荷的变化而变化,调节方式单一;需更换转子,维护成本高,热负荷要求高,机组发电功率低	同切除低压缸进汽改造一致,在参与电网深度调峰时,有效缓解供热问题。应根据具体经济效益进行选择^[42]

表4

参考文献 42

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机组及容量	改造方式	效益	参考文献
300 MW高背压供热机组	利用旧转子改造用于高背压供热运行工况的低压转子主轴,末级及次末级拆除原动叶,并安装假叶根,拆除末级、次末级隔板,更换为导流环	供电煤耗由改造前289.48 g/(kW·h) 降低至151.04 g/(kW·h),热电比由改造前41.31%提高至183.74%	[18]
330 MW空冷高背压供热机组	利用汽轮机排汽余热和机组的低压缸抽汽对热网循环水进行加热	热网循环水供热温度提高至68 ℃,年供热量增加	[19]
330 MW直接空冷机组的高背压供热改造机组	采用循环水高背压改造方案,改变循环水流量、回水温度和机组排汽流量	采暖期间的平均电负荷为250 MW,平均供热量1.30 TJ/h。机组平均供电煤耗下降32.10 g/（kW·h）	[20]
200 MW三缸三排汽凝汽式汽轮机组	通过连通管蝶阀控制中压缸排汽压力在合理范围内,保持双分流低压缸不动,将中压缸后单排汽低压缸末级隔板和动叶去掉,末级叶轮安装假叶根,用以保护轮槽。对凝汽器A与凝汽器B之间进行隔断	机组供热期的煤耗由366.50 g/（kW·h）降至321.64 g/（kW·h）,机组可以低负荷运行,更加灵活地参与电网的深度调峰	[21]
300 MW直接空冷机组	使EBSILON软件进行建模,验证了模型的精确性,根据此热力模型对高背压供暖改造后的机组进行了性能分析	热电比可达200%,有效缓解了用热多、用电少的矛盾,同时提高了机组的调峰能力	[22]

热泵种类及数量	热泵容量/MW	机组容量/MW	供热功率/MW	效益	参考文献
溴化锂吸收式热泵×8	24.887	774	199.096	煤耗下降16.49 g/（kW·h）,供热期盈余1 107.41万元	[26]
溴化锂吸收式热泵×2	46.600	300	159.856	供热量增加 10.85%,电负荷调节裕度增加27 MW	[27]
溴化锂吸收式热泵×4	32.500	300×2	121.952	回收乏汽余热130 MW,供热收入1 819万元。减少了大量SO₂,CO₂,NO_x及灰渣烟尘的排放	[28]
溴化锂吸收式热泵×1	108.600	300×2	78.692	回收乏汽余热217 MW,静态投资为23 852万元,投资回收期5.61 a	[28]

机组及容量	改造方式	收益	参考文献
200 MW供热机组	切除低压缸进汽	相同锅炉蒸发量的情况下,增加采暖抽汽量140 t/h,机组发电负荷下降约25 MW;相同供热能力的情况下,降低机组发电负荷约58 MW	[30]
300 MW供热机组	光轴改造	供热能力提高429 GJ/h。增加供热面积约238.5万m²,提高了电厂热效率,回收乏汽量155 t/h	[31]
350 MW超临界热电联产机组	切除低压缸进汽	供热蒸汽量大幅度提升,在可调节范围内,采暖抽汽量每增加100 t/h,供热负荷增加约70 MW,电负荷调峰能力增加约50 MW	[32]
200 MW纯凝机组	低压转子光轴改造	节约煤炭资源,发电煤耗低至268.50 g/（kW·h）,NO₂,CO₂,SO_x排放量大大减少	[33]

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Development of heating retrofit using waste heat from coal-fired CHP system cold end

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