吸收式热泵和高背压双转子供热技术在300 MW湿冷机组的应用

武进猛

(大唐清苑热电有限公司，河北 保定 071100)

1 机组概况

某厂1、2号汽轮机是由上海汽轮机有限责任公司制造的300 MW亚临界参数、一次中间再热、高中压合缸、单轴、双缸双排汽、抽汽凝汽式汽轮机，型号为C300/226-16.7/0.43/537/537，发电机为QFSN-300型水-氢-氢冷式，采用静态励磁[1-2]。于2012年11月和12月相继投产发电，同时向市区供热，设计总供热能力为656 MW，能满足1 200万m2供热需求。随着市区的快速发展，热负荷需求不断增加，2016年11月，2号机组进行高背压双转子供热改造，供热期为高背压供热工况运行，机组型号为C(B)300-16.67/0.43/0.054/537/537，全厂供热能力为774 MW，能满足1 550万m2供热需求。2017—2018年市区的集中供热需求扩大，该厂供热期将承担供热面积达1 700万m2。2017年8月，1号机组进行余热回收热泵供热改造，吸收循环水余热85 MW，增加供热面积约170万m2。

2 技术方案

目前国内外汽轮机组余热回收利用改造项目除吸收式热泵供热技术以外，主要有高背压双转子技术、低压转子光轴技术、“NCB”新型供热机组技术。综合考虑发电和供热能力、煤耗要求及技术成熟性，力求实现改造收益最大化。经过对不同供热技术分析，结合该厂实际情况，认为高背压双转子供热技术提升供热能力最大，经济性最高；吸收式热泵供热技术具有更高的灵活性和稳定性，均符合该厂的生产要求[3-4]。该厂2016年已完成2号机组高背压双转子供热改造，为了降低机组对供热外网依赖性，避免双机同时更换转子工期交叉消除机组双停风险，1号机组选取更加灵活、稳定的吸收式热泵技术回收循环水余热进行供热能力提升改造[5-7]。

3 技术路线

3.1 高背压双转子改造

2016年11月，该厂已经完成2号机组高背压双转子供热改造，改造后热网循环水回水直接进入2号机组凝汽器，将汽轮机排汽余热吸收，再并联流经1、2号机组4台热网加热器进行二次加热，进入热网母管混合后，将满足参数要求的热网循环水供至厂外热用户。考虑到机组经济性，采用1号机组采暖抽汽对流经其热网加热器的热网循环水进行加热后提温，2号机组不进行采暖抽汽供热，只进行凝汽器供热。

3.2 吸收式热泵改造

2017年11月，该厂实施1号机组余热回收热泵供热改造，在冬季供热期，热网供回水母管并联接入1号机热泵机组，并实现1号机组独立供热、1号机组热泵—抽汽联合供热、2号机组高背压独立供热等方式灵活切换，从而实现了1号机组热泵—2号机组高背压—尖峰加热器联合最大化供热方式，达到余热回收的目的。吸收式热泵参数确定如下。

3.2.1 基础工况确定

首先保证2号机组高背压双转子供热安全稳定运行，满足热网循环水供水温度达到90 ℃，最大程度回收1号机组汽轮机排汽余热，同时保证供热抽汽和工业用汽需求。确定1号机组以额定抽汽工况为设计工况，发电负荷为211.103 MW，主汽流量为980 t/h，采暖抽汽流量为500 t/h；采暖抽汽参数为压力0.45 MPa、温度263 ℃；工业抽汽流量为55 t/h，背压为5.6 kPa，此时1号机组凝汽器余热量为85.6 MW。

3.2.2 循环水参数确定

根据1号机组循环水系统的运行情况进行分析，同时考虑冬季运行工况的汽轮机排汽余热，1号机组冬季供热期循环水泵单泵低速运行。

1号机组循环水系统包括1号机组开式水、2号机组开式水及脱硫等用户。使用超声波流量计测量1号机组循环水泵出口流量为14 400 t/h，1号机组开式水系统使用流量为1 900 t/h，对辅机进行冷却后回到1号机组循环水回水母管，2号机组开式水系统流量1 900 t/h，对辅机进行冷却后回到1号机组冷却塔塔池，1号机组循环水回水流量约12 500 t/h通过上塔冷却，凝汽器循环水流量为10 600 t/h。

根据1号机组基础工况，考虑由于背压升高对机组发电能力的影响，凝汽器背压取5.6 kPa，凝汽器设计端差小于3 ℃，本次按端差3 ℃计算，则凝汽器循环水出口温度为31.9 ℃，凝汽器循环水流量为10 566 t/h，凝汽器循环水进水温度为24.9 ℃。

吸收式热泵从10 151 t/h的循环水中吸收循环水余热85 MW，循环水温由31.9 ℃降至24.9 ℃。1号机组投入热泵系统运行，可通过调整抽汽量与低压缸进汽量，寻找平衡点，尽量使1号机组凝汽器循环水的余热回收利用，未能回收的部分循环水仍然上塔冷却，在其他工况可以通过调整主蒸汽的进汽量或循环水上塔流量等措施满足机组和热泵安全、平稳运行，保证供热需求。

3.2.3 热网水参数确定

该厂2014—2017年供热期的一次热网循环水供水温度平均为85 ℃，其中初、末期较低为83 ℃，中期较高为88 ℃，热网循环水回水温度为50 ℃左右。同时考虑到2号机组高背压运行安全性，确定热网回水温度50 ℃为设计温度，在极寒期热网供水温度90 ℃可以满足供热要求。

2014—2015年供热期热网循环水流量平均在8 000 t/h左右，2015—2016年供热期热网循环水流量平均在10 000 t/h左右，2016—2017年供热期热网循环水流量基本稳定在12 500 t/h左右，最大约15 000 t/h。由于热网循环水供回水母管已经由原来DN1200更换为DN1600，最大热网循环水流量约21 000 t/h，确定吸收式热泵热网循环水流量6 000 t/h为设计流量。

两机组共7台热网循环水泵，单台热网循环水泵设计流量为2 550 t/h，本次改造在热泵厂房内增加3台热网循环水泵(2运1备)满足热网循环水流量需求。

3.2.4 驱动蒸汽参数确定

对于热泵机组来说，提供稳定工况的驱动蒸汽，有利于热泵稳定出力和疏水水位控制。因此热泵投运后，需要运行时提供一个稳定驱动汽源。该厂2015—2017年两个供热期，1号机组采暖抽汽流量在450 t/h时，采暖抽汽压力在0.40 MPa左右，考虑采暖抽汽至热泵房的管道压损，热泵驱动蒸汽压力/温度选定为0.35 MPa/263 ℃。

3.2.5 热泵性能参数确定

机组吸收余热85 MW，循环水余热进出温度31.9 ℃/24.7 ℃，循环水量10 000 t/h，热网供回水温度78.4 ℃/50 ℃，热网循环水量6 000 t/h,热泵驱动蒸汽参数0.35 MPa、263 ℃。

4 方案实施

1号机组余热回收热泵供热改造主要是通过8台溴化锂吸收式热泵将机组的循环水余热回收用于加热热网循环水，同时匹配高背压机组的联合运行，实现能量的充分利用，获得更高供热量的高效节能技术。

溴化锂吸收式热泵包括蒸发器、吸收器、冷凝器、发生器、热交换器、屏蔽泵和其他附件。在蒸发器中输入低温热源，发生器中输入驱动热源，从吸收器和冷凝器中输出中高温热水，其中需对循环水系统、热网水系统和蒸汽疏水系统进行升级改造，具体内容如下。

4.1 循环水系统

该厂1号机组2台循环水泵为立式、湿井式斜流泵，型号1600HLC5.05-25.7，夏季2台全部运行，冬季为1用1备。单台高速泵运行时流量为21 348 t/h，低速泵运行时为16 560 t/h。

本方案从1号机组凝汽器循环水出水至1号机组冷却塔管道上引出1根DN1300钢管循环水管道，连接至热泵房作为低温余热回收热源，循环水经循环水升压泵进入热泵组吸热后单独引出1根DN1300钢管至1号机组循环水母管至冷却塔。其供水流程为凝汽器出水→循环水出水管(原机组)→热泵供水管→循环水升压泵→热泵供水管→热泵机组→热泵出水管→循环水母管(原机组)→冷却塔→循环水供水管(原机组)→凝汽器。

将1号机组循环水回水至塔池电动蝶阀更换为可调节阀门，通过调节该电动调节蝶阀控制水塔上水量，从而控制凝汽器循环水出水温度。

4.2 热网水系统

本方案在原有DN1600热网回水母管引一路DN1000热网水管道进入热泵机组，经热泵机组升温后回到DN1600热网循环水供水母管。通过调整热泵机组8个热网循环水电动调节蝶阀，控制2号机组的热网循环水安全流量，同时满足热泵机组的热网水流量需求。

4.3 蒸汽疏水系统

该厂1号机组采暖抽汽管道连接至2台热网加热器，通过3台热网疏水泵引至1号机组除氧器的凝结水进水管道。本方案在1号机组采暖抽汽母管上引出2根DN600的管道汇至1根DN800的蒸汽母管管道经由管架引接至热泵房，在热泵房内经喷水减温后，作为吸收式热泵的驱动汽源。驱动蒸汽经过吸收式热泵换热后形成疏水先进入6 m3疏水罐，通过新增2台热泵疏水泵(1运1备)输送到1号机组热网加热器疏水泵出口母管。

5 经济性分析

该厂1号机组余热回收热泵供热改造项目于2018年1月投产，在冬季供热期，热网供回水母管并联接入1号机组，并实现1号机组独立供热、1号机组热泵—抽汽联合供热、2号机组高背压独立供热等方式灵活切换。确定热泵机组并联高背压机组联合运行为最佳方案，从而实现了1号机组热泵到2号机组高背压—抽汽联合最大化供热方式，达到余热回收目标。符合城区供热“平峰转供”的发展趋势。

1号机组热泵吸收循环水余热85 MW，增加供热面积约170万m2。在发电负荷210 MW，热泵全部投运工况下，试验热耗率平均为4 592.7 kJ/kWh，供电煤耗平均为187.6 g/kWh。相比热泵未投运时，供电煤耗平均值降低40.1 g/kWh，整个供热期热泵未全部投运时，供电煤耗平均降低26 g/kWh，折合节约标煤量1.966万t。每个供热期可减少二氧化碳排放量5.112万t，二氧化硫排放量471.9 t，氮氧化物排放量137.6 t，烟尘排放量39.3 t，有效改善了城市环境，该厂成为行业内首家同时并联运行热泵机组和高背压集中供暖的示范企业。

6 结束语

该厂结合实际情况，选用吸收式热泵与高背压双转子供热技术，对机组进行升级改造，在不增加电厂燃煤量、环保排放量等基础上，回收2台300 MW机组汽轮机的余热向城市供热，实现汽轮机冷源近零损失，提高电厂对外供热能力，扩大供热面积，增加电厂收入，减少污染物排放量，可为同类机组供热改造提供可靠依据。