电厂循环水余热利用技术综述

１
引
言
环境中。这部分低品位余热能量巨大，以北京市为 例，６个主力热电厂的总供热能力约为４ 排放的循环水余热量约为１
２４０ １２８
ＭＷ，
建筑节能在我国节能减排全局中占有重要地 位，而北方城镇供热在我国建筑能耗中所占的比例 最大（约占４０％），因此供热节能是我国节能工作的 重中之重。 在北方城镇的主要供暖方式中，热电联产因单 位供暖煤耗远低于区域锅炉和各类分散供暖方式 （分户燃气供暖和电热供暖），是目前公认的能源转 换效率最高的热源形式。另一方面，当前热议的水 源、地源热泵供热技术在北方地区得到了大力推广， 有些城市把这种形式作为应用可再生能源的一种方 式，并作为考核是否实现建筑节能的重要标志，但其 实现的节能效果受到了置疑，文献［１］指出，很难认 为电驱动水源热泵供暖是具有显著节能效果的措 施，北方地区的多数工程表明其能耗水平与大型燃 煤锅炉差别不大，只有在特定的条件下，才有可能低 于大型燃煤锅炉，而其能效完全不可能与热电联产 方式相比。 随着城市规模的迅猛扩张，我国很多地方出现 了集中热源不足的问题，因供热造成的城市环境与 经济承载力问题也日益凸现。然而，大容量、高参数 供热机组所产生的大量低压缸排汽余热目前基本上 没有得到利用，而是通过循环冷却水系统排放到了
热泵技术方面，文献［５］“７］从提高系统热力
学完善性的角度出发，对利用低品位（低于４０℃） 余热的热电联产供热新模式进行了理论分析，提出 了“以３０℃左右的常温电厂循环水通往用户，用热 泵就地吸收其热量送往用户，被冷却后的热网水再 回凝汽器作循环冷却水使用”的设想。此后，业内 开始关注这种新型的热电联供模式，并从技术性、经 济性和节能环保等不同方面进行了讨论喁４¨。
［收稿日期】２０１０－０６．１２ ［基金项目】“十一五”国家科技支撑计划项目（２００７ＢＡＢ２３ＢＯＯ）；北 京市科技计划项目（Ｄ０７０４０６００５６０７０１） ［作者简介】李岩（１９７９．），男，博士，讲师 ［联系方式】ｌｉｙａｎ０８＠ｍａｉｌｓ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ
２
电厂循环水余热供热技术现状
２号电机
５低压缸调节阀 ６供熟抽汽控制纠 ７凝汽器 ８热网加热嚣
图２“ＮＣＢ”新型供热机组原理图
在非供热期，供热抽汽控制阀６全关、低压缸调 节阀５全开，汽轮机呈纯凝工况（Ｎ）运行，具有纯凝 式汽轮机发电效率高的优点；在正常供热期，低压缸 调节阀５和供热抽汽控制阀６都处于调控状态，汽 轮机呈抽汽工况（Ｃ）运行，具有抽凝供热汽轮机的 优点，可根据外界热负荷的需要调整供热抽汽量，同 时保持较高的发电效率；在高峰供热期。供热抽汽控 制阀６全开、低压缸调节阀５全关，汽轮机呈背压工
ｌ高巾压缸
２１弓电机 ３低压缸
４
通常来说，用户采用常规的末端散热器所要求 的水温较高，汽轮机在低于真空下运行，排汽压力需 提高到０．５×１０５ Ｐａ左右，将热网水在凝汽器中加热 到６０一７０℃。 传统的低真空运行供热技术受到２方面的限 制：首先，传统的低真空运行机组类似于背压式供热 机组，通过的蒸汽量取决于用户热负荷的大小，所以 发电功率受到用户热负荷的制约，不能分开进行独 立的调节，即其运行是“以热定电”，因此只适用于 热负荷比较稳定的供热系统；其次，凝汽式汽轮机改 造为低真空运行供热时，对小型和少数中型机组而 言，在经过严格的变工况运行计算，对排汽缸结构、 轴向推力的改变、末级叶轮的改造等方面做出严格 校核和一定改动后方可以实行，而这对现代大型机 组则是不允许的，尤其对于中间再热式大型汽轮机 组，凝汽压力过高会使机组的末级出口蒸汽温度过 高且蒸汽的容积流量过小，从而会引起机组的强烈 振动，危及运行安全。 ２．１．２低真空远行低温供热方式 对于大型机组，允许的凝汽器进口循环水最高 温度约为３３℃，对应的出口温度不超过４５℃，这个
产量的限制，难以实现循环水余热的全部回收。
电厂内
５汽一水换热嚣
图３分布式电动热泵供热系统流程图 图５集中式吸收热泵供热系统流程图
这种方式可根据各个热力站的供热参数选择合 适的热泵机组。热泵的能源利用效率较高，但是需 铺设单独的循环水管道，受循环水供回水温差的限 制，管道投资巨大，输送泵耗高，无法远距离输送，供 热半径仅限制在电厂周边３—５ ｋｍ范围内。
集中式电动热泵供热方式
如图４所示，将电动压缩式热泵机组集中设置 于电厂内，凝汽器出口的部分循环水进入热泵蒸发 器，作为低位热源，放热降温后返回凝汽器中被汽轮
万方数据
第ｌＯ期
李岩，等：电厂循环水余热利用技术综述
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ１３
式热泵机组来构建供热系统。 分布式热泵供热能更好地适应不同用户热负荷 形式，集中式热泵供热可以摆脱电厂循环水余热与 用户在空间上的制约。在工程实践中，尤其当供热 系统容量庞大或电厂周边没有足够规模的用户热负 荷时，后者的优势显得更为突出¨“。 传统的汽轮机组低真空循环水供热技术存在热 电耦合性强、不能分别独立进行调节，以及机组需改 造，不适用于现代大容量、高参数机组等问题。常规 的热泵回收循环水余热技术解决了一部分余热利用 的问题，但是由于热网回水温度高，加热升温的幅度 范围小，热泵制热能效差，同时无法解决一次供热管 网输送瓶颈问题，限制了循环水余热的回收。
尽管低压缸真空度提高后，在相同的进汽量条 件下与纯凝工况相比，发电量减少了，并且汽轮机的 相对内效率也有所降低，但因降低了热力循环中的 冷源损失，系统总的热效率仍会有很大程度的提
高旧１”。
２．１．１
传统低真空运行供热方式
小，此时的系统综合能效和经济性将会受到影响。 ２．１．３“ＮＣＢ”新型大容量供热机组 文献［１５］针对３００ ＭＷ供热机组提出了 。ＮＣＢ”供热汽轮机模式，其特点是在抽凝机组的基 础上，高、低压缸２根轴分别带动２台发电机，如图 ２所示。
２．１汽轮机低真空运行供热技术 凝汽式汽轮机改造为低真空运行供热后，凝汽
万方数据
第１０期
李岩，等：电厂循环水余热利用技术综述
器成为热水供热系统的基本加热器，原来的循环冷 却水变成了供暖热媒，在热网系统中进行闭式循环， 可有效利用汽轮机凝汽所释放的汽化潜热。当需要 更高的供热温度时，则在尖峰加热器中进行二级加 热。该系统的流程图见图１。
第２６卷第１０期
２０１０年１０月
建
蠢
科
学
Ｖ０１．２６，Ｎｏ．１０ ０ｃｔ．２０１０
ＢＵＩＬＤＩＮＧ ＳＣＩＥＮＣＥ
［文章编号］１００２－８５２８（２０１０）１０－００１０－０５
电厂循环水余热利用技术综述
李 岩１”，付 林１，张世钢１，狄洪发１，肖常磊１（１．清华大学建筑学院建筑技术科学系，北京１０００８４；２．燕山
大学建筑工程与力学学院，泰皇岛０６６００４） ［摘要］本文介绍了电厂循环水余热回收利用对我国节能减排的意义，综述了电厂循环水余热利用的研究进展和技术 现状，并对各种电厂循环水余热利用技术进行了评述。 ［关键词】热电联产；集中供热；电厂循环水；余热网收 ［中图分类号］ＴＫｌｌ＋５；ＴＵ８３２．１＋１ ［文献标识码］Ａ
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建走科学
第２６卷
况（Ｂ）运行，具有背压供热汽轮机的优点，可做到最 大供热能力，低压缸部分处于低速盘车状态，可随时 投运。 通过确定合理的分缸压力，这种模式最大程度 地利用了品位适中的高中压缸排汽，将其用于加热 热网水可使冷源损失大大减少。显然，这是一种大 容量机组低真空背压运行的新思路，目前该技术仍 处于理论阶段。 ２．２热泵回收余热技术 电厂循环水与目前常用的低温热源相比，具有 显著的优势：１）蕴含的热量巨大，温度适中且稳定； ２）水质好，与地表水、城市污水相比，不会因腐蚀、 阻塞等因素影响传热效果；３）环保效果显著，由于 利用余热，可减少冷却塔向环境的散热和水分蒸发， 降低对电厂周边环境的热湿污染。近几年，热泵技 术在我国得到了普遍推广应用，热泵可以采用吸收 式，利用蒸汽、燃气等作为驱动能源；也可以采用压 缩式，利用电力作为驱动能源。
凝结水泵
安全运行，发电功率也不受用户热负荷的制约，因此
凝汽式汽轮机低真空运行系统流程图
图１
既适合于中小型机组，也适合于大容量机组。但此 供热方式存在２个缺点：一是供热温度低，不适于传 统的散热末端；二是可利用的温差有限，一般不超过 １０℃，小温差大流量必然会增大输送能耗，制约了 其合理的供热半径。这２个缺点可能会影响到热负 荷，如果热负荷不太大，考虑随天气变化的因素，循 环水的热量没有得到全部利用甚至利用的份额很
ｌ汽轮机 ２凝汽器 ３冷却塔 ４电动压缩 式热泵 ｌ汽轮机 ２凝汽器 ３冷却塔 ４电动压缩式 热泵
分布式电动热泵供热方式
如图３所示，将电动压缩式热泵分散置于各小 区热力站中，同时将电厂凝汽器出口的循环水引至 各小区的热力站，进入热泵机组降温后再返回电厂 凝汽器中被汽轮机排汽加热，完成循环；热泵回收循 环水余热加热二次网热水为用户供暖或提供生活热 水。
２．２．２ ２．３
电厂循环水余热回收技术评述 相对于吸收式热泵机组，压缩式热泵机组直接
使用电力驱动，其位置的设置更加灵活，相同容量下 机组的体积和初投资都小于吸收式机组。但是，在 相同的供热工况下，其综合能源利用率低于蒸汽驱 动的吸收式热泵，且由于电和蒸汽价格的巨大差异， 压缩式热泵机组的供热运行成本显著高于吸收式。 因此在具备蒸汽等热源的区域应优先考虑使用吸收
２．２．１
机排汽加热，完成循环；将一次网７０℃回水由热泵 一级加热至８０—９０℃，再由汽一水换热器二级加热 至１３０℃后送人城市热网中。
◆歉
图４集中式电动热泵供热系统流程图
热泵机组集中设置，回收的低位余热量直接进 入城市热网，不需新建循环水管网，能节省大量初投 资和时间成本；但是热网回水温度较高，热泵处于较 高的制热温度，能效较低，循环水余热回收的经济性 较差，同时给电厂带来了用电增容的巨大压力。
２．２．３
集中式吸收热泵供热方式
如图５所示，集中式吸收热泵供热方式的流程 与集中式电动热泵供热方式相似。热泵机组集中设 置，利用汽轮机供暖蒸汽驱动热泵回收循环水余热 来增加电厂的供热能力。循环水余热在电厂加热环 节进入城市热网，无需建设专门的输送管道；同样由 于热网回水温度较高，热泵的能源利用效率低下，系 统运行的经济性不佳，同时热网水在热泵加热段的 升温幅度不大，回收循环水余热的能力受电厂蒸汽
ＭＷ，如能将这部分
余热回收用于供热，现有电厂的供热能力可提高
３０％Ｃ２］。
电厂循环水余热利用存在的问题是循环水的温 度通常比较低（冬季约为２０～３５℃），达不到直接 供热的品位要求，需设法适当提高温度，可采用的方 法有２个：一是降低排汽缸真空，提高乏汽温度，即 通常所说的汽轮机组低真空运行；二是以电厂循环 水为低位热源，采用热泵技术吸取其中余热实现供 热。 汽轮机低真空运行供热技术在理论上可以实现 很高的能效，国内外都有很多成功的研究成果和运 行经验。但传统的低真空运行技术因发电功率受用 户热负荷的制约，需对汽轮机结构做出相应的改造， 因而不适合应用于大容量、高参数的供热机组¨引。
热电联产集中供热”的新技术¨“埔ｏ。如图６所示， 流程涉及２个新型关键技术：一是于小区热力站内 设置吸收式换热机组，大幅度降低热网回水温度，一 方面使热网的供回水温差由６０℃增加到１１０℃，增 加管网的输送能力，另一方面为电厂余热回收争取 了更低的制热能级和更大的升温幅度；二是于电厂 内设置电厂余热回收专用机组，利用供暖蒸汽作为 驱动能源回收循环水余热，将２０℃的一次网回水 “温度对口”的逐级加热到１３０ ｏＣ，供暖蒸汽供热量 与循环水余热量的比例在２：１左右，这与大容量供 热机组额定工况下抽汽与凝汽的比例趋近吻合，从 整个供暖季来看，余热供热量占了总供热量的近一 半左右。该项技术有如下突出特点：１）可将系统供 热能力增加３０％以上；２）可将管网输送能力提高 ８０％，大幅度节约新（改）建管网的投资，降低热网 循环水泵的电耗；３）回收热电厂循环水余热，节省 的供暖蒸汽可在低压缸继续作功发电，增加汽轮机 的发电能力，提高热电联产系统的整体能效，系统供 热能耗可降低约４０％左右。
温度水平恰好在一些高效散热器（如地板辐射供 暖）要求的温度范围内。对此，有学者提出了一种 适合于现代大型机组的低真空运行方式：保持机组 排汽压力不超过设计值，以４０℃左右的循环水直接 供给热用户的辐射供暖系统，如果凝汽器排热负荷 大于用户热负荷，多余的热量通过循环冷却水系统 排放到环境中，实现热电负荷的独立调节。当然，该 系统也可以按“以热定电”的方式运行，即汽轮机排 汽释放的汽化潜热全部用于供热，此时热效率无疑 是最高的。这种系统称为低真空运行低温供热系 统‘１引。 低真空运行低温供热方式不会影响机组的正常