熱電聯(lián)產(chǎn)型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的理論與實(shí)踐

熱電聯(lián)產(chǎn)型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的理論與實(shí)踐

1燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)眾所周知，具有節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，尤其是與“電網(wǎng)聯(lián)供”式蒸汽蒸汽聯(lián)合循環(huán)的單位的蒸汽能比背壓式蒸汽蒸汽裝置的蒸汽裝置生產(chǎn)更多的能源，即“電費(fèi)比”指數(shù)相對(duì)較高。第一個(gè)是（100.200，kw/（1.05gjh）。后者通常不超過85g，（1.05gjh），燃料消耗的燃料能量fcp相對(duì)較少（即電網(wǎng)聯(lián)供能源生產(chǎn)的效率較高）。此外，隨著制冷設(shè)備的成熟，制冷產(chǎn)業(yè)的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)于大多數(shù)工業(yè)的供暖需求，包括大型商業(yè)中心和大型生活熱氣生產(chǎn)區(qū)的供暖和供暖需求，我們對(duì)發(fā)展熱量或蒸汽的聯(lián)合循環(huán)感興趣。為此,有必要熟悉這類聯(lián)合循環(huán)的特性和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的理論基礎(chǔ)以及熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的組合配置方案。2發(fā)電效率的計(jì)算方法熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備和系統(tǒng)的成功與否,關(guān)鍵在于其整體性能的好壞以及運(yùn)行的靈活性和可靠性。為了比較各種熱電聯(lián)產(chǎn)方案性能的優(yōu)劣,應(yīng)該有一些參數(shù)來表徵其特性,它們是:(1)總熱效率ηtp它是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組輸出的電和熱的總能量與輸入能量的比值,即ηtp=3600Ρe+QΗBQ.p(1)ηtp=3600Pe+QHBQ.p(1)式中Pe—輸出的電功率,kW;B—燃料的消耗量,kg/h;Q.p—燃料的低位發(fā)熱量,kJ/kg;QH—對(duì)外輸出的凈熱量,kJ/h;而QH=ΣGHiHHi-ΣGrihri(2)其中GHi—對(duì)外輸出的第i種蒸汽或高溫?zé)崴馁|(zhì)量流率,kg/h;HHi—對(duì)外輸出的第i種蒸汽或高溫?zé)崴谋褥手?kJ/kg;Gri—返回機(jī)組的第i種回水的質(zhì)量流率,kg/h;hri—返回機(jī)組的第i種回水的比焓值,kJ/kg。嚴(yán)格地講,在計(jì)算ηtp時(shí),并未考慮到電和熱這兩種能量在能質(zhì)品位上的差異,它是一個(gè)只能被用來在“燃料利用程度”方面與純發(fā)電的凝汽式電站進(jìn)行比較的純數(shù)量指標(biāo)。ηtp值越高正表示同量燃料釋放出的能量中,轉(zhuǎn)化成為電能和熱能的份額比例越大,即燃料的利用程度越高。(2)電熱比它表示熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在對(duì)外界每小時(shí)供應(yīng)每單位熱能時(shí)(通常以1.055GJ/h計(jì)),機(jī)組對(duì)應(yīng)地發(fā)出的凈功率,其單位為kW/(1.055GJ/h)。顯然,電熱比越高的機(jī)組能在供應(yīng)同量熱能的同時(shí),對(duì)外供應(yīng)更多數(shù)量的高品位電能。(3)發(fā)電所增耗的燃料熱能(FCP)通常,熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組優(yōu)越性的比較對(duì)象是:把熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供電和供熱情況與從公用電力公司購買電,同時(shí)在供熱現(xiàn)場(chǎng)建立供熱鍋爐的情況進(jìn)行比較。這種對(duì)比關(guān)系如圖1所示。根據(jù)圖1的對(duì)比關(guān)系,人們定義:在兩者凈供熱量(kJ/h)彼此相同的前提下:FCΡ=[燃料耗量(2)-燃料耗量(1)]×Q.pΚW(2)-廠用電功率(2)+廠用電功率(1)?kJ/kWhFCP=[燃料耗量(2)?燃料耗量(1)]×Q.pKW(2)?廠用電功率(2)+廠用電功率(1)?kJ/kWh式中:KW(2)—熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組所發(fā)的電功率(kW),當(dāng)然,燃料耗量的單位均為kg/h。由此可見,FCP是指熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)比相應(yīng)的單純供熱系統(tǒng)所多消耗的燃料熱能,除以熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的凈增電出力(kW)。顯然,FCP值較小是有利的。當(dāng)然,目前人們還研究如何把熱電聯(lián)產(chǎn)所帶來的好處合理地分配到熱和電這兩種不同品位的能量上去,以便用熱量法、焓降法或火用值法把熱電站的總熱耗量BQ.p合理地分?jǐn)倿榘l(fā)電用熱耗量Qtpe和供熱用熱耗量Qtph,進(jìn)而分別求出熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的發(fā)電凈效率ηΝtpeNtpe=3600Pe/Qtpe和供熱凈效率ηΝtphNtph=QH/Qtph。這種方法要比籠統(tǒng)地計(jì)算熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的總熱效率ηtp合理。(4)運(yùn)行方式的靈活性它是指熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行時(shí),是否能夠?qū)崿F(xiàn)電負(fù)荷和熱負(fù)荷獨(dú)立可調(diào),還是必須按“以熱定電”方式運(yùn)行。前者的運(yùn)行靈活性好。3部分補(bǔ)燃型余熱鍋爐“熱電聯(lián)產(chǎn)”型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組是由燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和汽輪機(jī)三大裝置組成的。由于余熱鍋爐和汽輪機(jī)型式的不同,它們彼此之間可以組合成為許多配置方案,具有不同的特性,可以滿足不同類型熱電負(fù)荷的要求。通常,為了提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的性能,應(yīng)該盡可能選擇有效循環(huán)效率較高的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)作為配置熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)合循環(huán)的基礎(chǔ),其功率則應(yīng)根據(jù)電負(fù)荷的要求來選擇。當(dāng)然,在此電負(fù)荷條件下所組成的聯(lián)產(chǎn)機(jī)組同時(shí)應(yīng)能夠滿足熱負(fù)荷的要求。有的時(shí)候可能出現(xiàn)這樣的情況,即:當(dāng)聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的配置方式選定后,為了滿足熱負(fù)荷的要求,機(jī)組的總電功率會(huì)超過原設(shè)計(jì)的電負(fù)荷的要求,那時(shí),應(yīng)根據(jù)熱負(fù)荷的要求來選擇燃?xì)廨啓C(jī)的功率,所多余的電功率則可以輸向電網(wǎng)。在組成熱電聯(lián)產(chǎn)型的聯(lián)合循環(huán)時(shí),余熱鍋爐有三種設(shè)計(jì)方案可循,即:①采用非補(bǔ)燃型的余熱鍋爐;②采用部分補(bǔ)燃型的余熱鍋爐;③采用完全補(bǔ)燃型的余熱鍋爐。在這三種余熱鍋爐中產(chǎn)生的蒸汽,可以完全作為供熱蒸汽輸給熱用戶(那時(shí),聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中不再設(shè)置汽輪機(jī)),也可以完全輸送給位于其后的蒸汽輪機(jī),在汽輪機(jī)中完成部分膨脹作功發(fā)電的同時(shí),以背壓排汽方式或抽汽方式,把蒸汽供向熱用戶。非補(bǔ)燃型余熱鍋爐可以設(shè)計(jì)成為單壓、雙壓甚至三壓型式的汽水系統(tǒng)(用作熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí),多半采用單壓或雙壓型式)。采用雙壓或三壓型式時(shí),有利于提高余熱鍋爐的當(dāng)量效率,使余熱鍋爐的排氣溫度下降,從而能從燃?xì)廨啓C(jī)的排氣中多回收一部分熱能,使ηtp增高,而FCP下降。部分補(bǔ)燃型或完全補(bǔ)燃型余熱鍋爐一般都采用單壓型式的汽水系統(tǒng),因?yàn)榻?jīng)補(bǔ)燃后進(jìn)入余熱鍋爐受熱面的燃?xì)鉁囟群芨?在節(jié)點(diǎn)溫差恒定的情況下,即使采用單壓型式的汽水系統(tǒng),也能把余熱鍋爐的排氣溫度降得足夠低,使燃?xì)獾臒崃勘怀浞只厥?。所謂部分補(bǔ)燃型余熱鍋爐是指在余熱鍋爐的入口處,向由燃?xì)廨啓C(jī)送來的高溫燃?xì)鈬娙肷倭咳剂?使進(jìn)入余熱鍋爐受熱面的燃?xì)鉁囟缺惶岣叩?00～1000℃。在這種溫度水平下,余熱鍋爐中無需設(shè)置輻射受熱面,像非補(bǔ)型余熱鍋爐那樣,只需采用對(duì)流受熱面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即可。部分補(bǔ)燃型余熱鍋爐的蒸汽產(chǎn)量將比非補(bǔ)燃型余熱鍋爐者多一倍左右。所謂完全補(bǔ)燃型余熱鍋爐是指向余熱鍋爐內(nèi)噴入大量燃料量,在余氣系數(shù)α=1.10的條件下,把從燃?xì)廨啓C(jī)送來的高溫燃?xì)庵械氖Ｓ郞2氣幾乎完全燒完。那時(shí),余熱鍋爐中需要敷設(shè)輻射受熱面。它的蒸汽產(chǎn)量可以達(dá)到非補(bǔ)燃型余熱鍋爐者6～7倍。應(yīng)該注意:隨著高溫高效燃?xì)廨啓C(jī)的使用,排向余熱鍋爐的燃?xì)庵兴难鯕饬繉⒃絹碓缴?這將增大余熱鍋爐補(bǔ)燃火焰起燃的困難。圖2中給出了根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的:在燃?xì)馔钙降呐艢庵醒a(bǔ)燃燃料得以穩(wěn)定起燃時(shí),排氣中所含的O2氣容積成分νo2與透平溫度t4的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由圖2可知:在燃?xì)馔钙降呐艢庵幸胙a(bǔ)燃燃料,必須保證一定的溫度t4和含O2濃度νO2的起燃條件,否則燃燒火焰無法穩(wěn)定地建立。例如:倘若燃?xì)馔钙降呐艢庵泻?2%的O2氣容積成分,只有當(dāng)排氣的溫度t4高于600℃時(shí),補(bǔ)燃過程才能實(shí)現(xiàn)。顯然,排氣中的含O2濃度越高時(shí),能保證火焰穩(wěn)定起燃的排氣溫度t4就越低。因而,在使用高溫高效燃?xì)廨啓C(jī)作為聯(lián)合循環(huán)的基礎(chǔ)時(shí),必須要余熱鍋爐制造廠家確認(rèn)余熱鍋爐點(diǎn)火和保持火焰穩(wěn)定燃燒的可靠性。此外,還需注意,在采用不同的余熱鍋爐方案時(shí),由余熱鍋爐進(jìn)口到煙囪排出口之間的流阻損失值是有所差異的,它對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電功率略有影響,必須作修正?？晒﹨⒖嫉臄?shù)據(jù)是:單壓非補(bǔ)燃型余熱鍋爐為254mm-H2O;雙壓非補(bǔ)燃型余熱鍋爐為305mm-H2O;單壓部分補(bǔ)燃型余熱鍋爐(補(bǔ)燃后的燃?xì)鉁囟冗_(dá)871℃)為356mm-H2O;單壓完全補(bǔ)燃型余熱鍋爐為508mm-H2O。在組成熱電聯(lián)產(chǎn)型的聯(lián)合循環(huán)時(shí),可以選用的汽輪機(jī)類型有:①背壓式汽輪機(jī)(也可并行地供高壓主蒸汽),其高壓主蒸汽和排汽均可直接用作工業(yè)工藝流程的蒸汽,排汽壓力一般為pb=0.4～1.4MPa(絕對(duì));也可直接作為住房采暖系統(tǒng)用蒸汽,其壓力為pb=0.15～0.35MPa(絕對(duì))。這種汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、運(yùn)行可靠,但發(fā)電量完全取決于供熱量的大小,即聯(lián)合循環(huán)機(jī)組必須按“以熱定電”方式運(yùn)行。顯然,這種機(jī)組不適宜于在熱負(fù)荷波動(dòng)很大的情況下選用,否則機(jī)組無法經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,甚至在低負(fù)荷工況下無法正常運(yùn)行;②抽汽背壓式汽輪機(jī)。這種機(jī)組可以向熱用戶提供多種參數(shù)的熱負(fù)荷。為了能夠同時(shí)滿足多種熱用戶的蒸汽量需求,必須安裝一套特殊的調(diào)節(jié)系統(tǒng),它由一個(gè)離心調(diào)速器和多個(gè)壓力調(diào)節(jié)器組成。它們可以根據(jù)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和多種壓力參數(shù)的變化來進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)。但這種汽輪機(jī)也是按“以熱定電”方式運(yùn)行的,也希望負(fù)荷比較穩(wěn)定;③可調(diào)節(jié)的抽汽供熱的凝汽式汽輪機(jī)。它是一種從汽輪機(jī)中抽取一級(jí)或兩級(jí)不同參數(shù)的、已經(jīng)部分做過功的蒸汽供熱用戶使用的凝汽式機(jī)組。通過對(duì)主蒸汽量以及抽汽級(jí)導(dǎo)汽到低壓透平級(jí)中去的排汽流量的分別控制,可以協(xié)調(diào)電負(fù)荷和熱負(fù)荷的變化,使機(jī)組能較大幅度地同時(shí)滿足熱、電兩種負(fù)荷變化的需要,即該機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)電負(fù)荷和熱負(fù)荷獨(dú)立可調(diào)的運(yùn)行方式;④純凝汽式汽輪機(jī)。它可以在以下兩種情況下實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)的要求,即:(a)從余熱鍋爐輸來的主蒸汽一部分直接作為工業(yè)工藝流程的用汽輸給熱用戶,另一部分送往凝汽式汽輪機(jī)做功發(fā)電。這種配置方案也能實(shí)現(xiàn)電負(fù)荷和熱負(fù)荷獨(dú)立可調(diào)的運(yùn)行方試;(b)凝汽式汽輪機(jī)在惡化真空度的條件下運(yùn)行,把凝汽器當(dāng)作熱網(wǎng)水的加熱器來使用。那時(shí),凝汽器的壓力應(yīng)升高到50～60kPa(相應(yīng)的飽和溫度為81.2～85.9℃)。熱網(wǎng)的供熱水溫大的被控制在70～75℃范圍之內(nèi)。這種機(jī)組也能滿足熱電聯(lián)供的要求,但必須按“以熱定電”方式運(yùn)行。但由于熱網(wǎng)供水溫度比較低,故供熱距離不能很遠(yuǎn),一般限定在1～2公里范圍之內(nèi)。綜上所述,熱電聯(lián)產(chǎn)型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合的組合方案可概括如表1所示。當(dāng)然,還可以有其他熱電聯(lián)產(chǎn)型的組合方案。此外,程氏循環(huán)方式的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)也該屬于“熱電聯(lián)產(chǎn)”型聯(lián)合循環(huán)之例,在此不予討論。4熱電聯(lián)產(chǎn)型聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電成本在文獻(xiàn)和中,GE公司提出了燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的特性圖,如圖3所示。用該圖可以來綜合描述:以該燃?xì)廨啓C(jī)為基礎(chǔ),配置不同型式的余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)而組成各種方案的聯(lián)合循環(huán)時(shí),它們的發(fā)電能力和供熱能力的變化關(guān)系。通過對(duì)圖中所示的各特征點(diǎn)的討論,來揭示該特性圖的物理意義,以及在各種組合方案情況下,熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的發(fā)電凈功率、供熱能量和總熱效率ηtp的變化趨勢(shì)。這些特性均表述于表2中。顯然,在ACDHGBA區(qū)域內(nèi)發(fā)電和供熱需要用部分補(bǔ)燃式余熱鍋爐加背壓式汽輪機(jī)加平行供主蒸汽的方案,或者用部分補(bǔ)燃式余熱鍋爐加抽汽背壓式汽輪機(jī)來完成。在CDHIFEC區(qū)域內(nèi)發(fā)電和供熱則需要用部分補(bǔ)燃式余熱鍋爐加可調(diào)節(jié)的抽汽供熱的凝汽式汽輪機(jī)來完成。由此可見,圖3非常清楚地把熱電聯(lián)產(chǎn)型聯(lián)合循環(huán)(包括簡(jiǎn)單循環(huán)和純發(fā)電的聯(lián)合循環(huán))的發(fā)電能力和供電能力,以及為實(shí)現(xiàn)這些能力必需配置的余熱鍋爐型式和汽輪機(jī)型式的組合方案綜合地概括了。但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本很高,目前很少采用完全補(bǔ)燃型的余熱鍋爐,通常只使用部分補(bǔ)燃型余熱鍋爐,其補(bǔ)燃后的燃?xì)鉁囟纫话憧刂圃?00～1000℃之間。因而,在熱電聯(lián)產(chǎn)型的聯(lián)合循環(huán)中,令人感興趣的是圖3中陰影區(qū)的非補(bǔ)燃和部分補(bǔ)燃余熱鍋爐配置的組合方案,甚至只是ECABDC這個(gè)區(qū)域。GE公司把50Hz的燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的特性圖綜合在一起,如圖4所示,以便于根據(jù)擬設(shè)計(jì)的聯(lián)合循環(huán)的電負(fù)荷和熱負(fù)荷,來合理地選擇燃?xì)廨啓C(jī)型號(hào)以及與之匹配的余熱鍋爐的型式和汽輪機(jī)的型式。據(jù)GE公司計(jì)算得知:上述A、B、C、D、E、F諸方案的發(fā)電成本的比較關(guān)系如圖5所示。由圖可知熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)合循環(huán)(C、A、D、B)的發(fā)電成本要比純發(fā)電不供熱的常規(guī)聯(lián)合循環(huán)者低廉,特別是部分補(bǔ)燃或非補(bǔ)燃式的余熱鍋爐,不設(shè)置汽輪機(jī)而直接對(duì)外供給低壓蒸汽的方案比較經(jīng)濟(jì)(發(fā)電成本可降低20%～30%),而且貼現(xiàn)回報(bào)率也較高。5汽的凝結(jié)和冷水機(jī)床為了使讀者對(duì)“熱電聯(lián)產(chǎn)”型聯(lián)合循環(huán)的系統(tǒng)具有形象概念,圖6中給出了一個(gè)為地區(qū)供給工業(yè)用汽和熱水的熱電聯(lián)產(chǎn)型聯(lián)合循環(huán)熱電站的系統(tǒng)圖。該電站采用3臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī),其后各自配備一臺(tái)有兩級(jí)補(bǔ)燃設(shè)備的余熱鍋爐。由3臺(tái)余熱鍋爐產(chǎn)生的8.0MPa/500℃主蒸汽匯集在一起,供給一臺(tái)功率為70MW的背壓式汽輪機(jī)使用。在余熱鍋爐的低溫段則產(chǎn)生溫度恒定為150℃的熱水,供恒定熱網(wǎng)系統(tǒng)使用。工業(yè)用汽則是從背壓式汽輪機(jī)的前兩級(jí)抽汽經(jīng)減壓設(shè)備后供給的。當(dāng)然也可以用余熱鍋爐產(chǎn)生的主蒸汽作為備用汽源,它的參數(shù)是1.5MPa/210～240℃。工業(yè)用汽的凝結(jié)給水回到電站內(nèi)的啟動(dòng)用凝結(jié)水箱9中去,參與電站的汽水循環(huán)過程。電站中還設(shè)有溫度可以在100～130℃范圍內(nèi)變化的熱水網(wǎng)。該熱水網(wǎng)的水溫是通過背壓蒸汽、汽輪機(jī)的第3級(jí)抽汽以及余熱鍋爐的主蒸汽旁路,在3個(gè)地區(qū)供熱預(yù)熱器14中加熱和調(diào)節(jié)的。由于采用了有補(bǔ)燃設(shè)備的余熱鍋爐,因而熱和電都可以獨(dú)立調(diào)節(jié),運(yùn)行的機(jī)動(dòng)性很高。在余熱鍋爐中第1級(jí)補(bǔ)燃設(shè)備放置在過熱器之前,它能把燃?xì)鉁囟葟?26℃增高到600℃。其設(shè)計(jì)熱容量為25MJ/s,但是最大可以達(dá)到43MJ/s,這樣可以保證在3臺(tái)余熱鍋爐中,即使有一臺(tái)因故障