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热电厂余热利用技术研究

摘要:随着环境问题日益突出,国家已经逐步取消了小型燃煤供热锅炉采暖,大力发展热电联产集中供热。热电厂扩容改造过程中,如何最大限度利用热电厂余热进行集中供热是热电厂余热利用技术的重要研究方向。本文基于热电厂基本原理,从余热利用技术展开研究,提出了存在的问题和应对策略。
关键词:热电厂;余热;利用;研究


引言
冬季集中供热对于我国北方居民来说,与燃气、自来水、电力一样,已经成为不可或缺的民生工程。我国目前城镇供热以集中供热的方式为主,集中供热方式近年来呈现多样化发展,但热电厂供热方式仍占有较大比重。具备供热功能的电厂简称热电厂。热电联产机组能很大程度上利用电厂余热,提高电厂经济效益,减少环境污染和能源浪费。热电厂作为一个复杂程度高、专业设备多的系统,在余热利用方面有较大提升和改造空间。近年来,在供热面积扩张和节能环保政策的双重压力下,热电厂的余热利用技术获得了较大发展和较多实践。热电厂实施余热利用技术,一方面直接给热电厂带来了可观的经济效益,另一方面节能项目还可以获得国家的政策和资金支持,具有很高的社会意义和推广价值。


1 热电厂和集中供热
热电厂将做功余热用于集中供热,与纯冷凝机组发电厂相比,实现热能梯级充分利用,更加合理的利用了热能。纯凝汽发电厂,只利用了发电效益高的高品位能量。为了提高锅炉效率,需要将做功乏汽在冷凝器中凝结为水。如此一来,大量低品位热能通过冷凝器传递给冷却水,散失到环境里,不仅造成能源浪费,还对环境环境造成污染。热电厂的设立,从建设之初就需要综合考虑供热需求,尽量实现经济效益最大化,常“以热定电”以确保能量合理高效利用。锅炉产生的蒸汽进入汽轮机做功时,依次进入高压缸、中压缸和低压缸,其做功效率也逐渐降低。热电厂将发电能力已经较低的中、低压蒸汽引入汽水换热器,将热量传递给集中供热回水,以达到所需温度。我国热电厂集中供热系统一般由位于热电厂内的换热首站、连接热电厂和热力站的一次管网系统、一二次系统的换热站、连接换热站和用户的二次管网系统和热用户房间,这五个部分组成。热电厂内的换热首站内,主要包括换热设备、循环水泵、补水系统等部分设备。换热首站的换热器一般为汽水换热器,其作用为利用汽轮机抽汽加热一次管网回水。加热后的软化水在循环泵的作用下,经由供热一次管网通过供热介质将热量输送到换热站。换热首站所需提供的热量为各换热站所需热量之和,各换热站所需热量又为各热用户所需热量之和。热量计算公式如下:
Q=q×A×10-3 KW
式中: Q-采暖热负荷(KW)
q-采暖热指标(W/m2)
A-采暖建筑面积(m2)
q取值应考虑管网热损失,约5%
热电厂抽汽量根据蒸汽温度和压力计算确定,通过电动调节阀门实现调节,确保汽水换热器在高效工作区间。


2 热电厂余热及其利用技术
热电厂余热主要是蒸汽发电乏汽凝结为水的潜热,温度虽然较低,但数量巨大,供应稳定。根据热力学第二定律,热量会自发的从高温物体流向低温物体,而不会自发的从低温物体流向高温物体。热电厂余热利用范围小,往往直接通过凉水塔散放到大气中去,或通过海水直流冷却带入大海。随着技术的发展,我国热电厂余热利用技术较多,较为成熟的利用方式有以下两种:第一种方案是通过机组改造提高余热温度。牺牲蒸汽的部分发电量,将余热水温提高至60摄氏度左右,直接用于集中供热。第二种方案是利用低温余热。目前主要通过热泵(Heat Pump)技术,在部分电能或高温热媒的驱动下,将低温余热提取到更高的温度,用于电厂冷水余热或加热供热回水。第一种余热利用方案不适用于较大机组,且冬季采暖期之外运行效率较低,不适合推广。热泵的作用原理与水泵类似。水泵通过机械力作用于水,以提高水的动能,热泵利用高品质能源提高低品位热能。热泵在电力压缩或者化学能驱动下,实现制冷剂在两个换热器中气液相变,实泵送热能的效果。热泵技术源自发过,经由英国科学家完善,后又经过后续近百年的持续研究和发展。热泵技术获得了不断的发展和提高,并逐渐推广使用。


3 存在问题及对策
目前热电厂余热利用较多依托集中供热展开,仍面临两方面问题。(1)高负荷运转时间占比低。热电厂的设计工况在采暖季,超出设计工况,其效率也将降低。华北供热从十一月份至次年三月份,极北地区供热时间接近半年时间。供暖季之外,热电厂的运行采用纯冷凝发电模式,余热利用率低。(2)供暖利用热电厂余热,成本较高,无法充分利用。仍有较大比例热能的利用不具备经济性,通过冷却塔散失到大气中去。针对上述热电厂余热利用技术中存在的两个问题,提出以下两个应对策略:(1)依托热电厂和既有集中供热设备,开展夏季集中供冷。热量只会从高向低传递,根据热力学第二定律,利用热泵技术,已经实现了多种途径的夏季供冷。或者通过在热电厂增加大型热泵系统统一制取冷水,或者通过在用户侧设置吸收式热泵机组,夏季继续向用户输送高温热水用于制冷。无论是集中式还是分散式,依托热电厂和既有集中供热设备开展夏季集中供冷已经有较多实例应用。(2)降低集中供热回水温度,直接利用热电厂余热,实现一次供水的梯级加热。具体实现型式是,通过在热力站增加压缩式热泵机组,梯级利用一次供热管网热量,将回水温度控制在三十度左右。降低一次供热管网回水温度,用于吸收乏汽冷凝热。再此基础上,再经过换热首站汽水换热器二级加热。或者在此期间,增加太阳能、其他能源等,实现多级换热。降低高品位蒸汽消耗,增加低品位热能利用率。与此同时,在供水温度不变、其他设备不变的基础上,降低回水温度,实现扩大一次供回水温差,提高热量输送效率。实现余热利用和低成本扩供的双重目的,满足了扩供、环保、节能和低碳的要求,附加价值极高。


4 结束语
随着我国环境政策的持续高压和一次能源成本的逐年提高,热电厂余热回收利用的需求十分迫切。热电厂余热利用技术已经有较多的技术储备,新技术和新组合不胜枚举。特别需要注意的是,在项目前期务必进行充分调研和可行性论证,对实际数据进行详细的经济技术分析,确保热电厂余热利用技术的实际应用效果。


参考文献
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