黃 蒙，趙亮宇，張淑娟

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

基于卡琳娜循環(huán)的電廠機組降耗提效技術

黃 蒙，趙亮宇，張淑娟

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

隨著火電機組規(guī)模擴大，常規(guī)火電廠產能熱效率利用已達瓶頸。且受到朗肯循環(huán)參數(shù)限制，發(fā)電過程中水蒸氣熱損耗較高，并會伴隨著一定程度上的環(huán)境污染。文中基于卡琳娜循環(huán)技術，提出一種針對火電機組的降耗提效方案。通過深入分析卡琳娜循環(huán)工作原理，將其與火電機組循環(huán)發(fā)電過程結合應用，充分發(fā)揮循環(huán)優(yōu)勢，突破熱轉化效率瓶頸，進一步提升火電機組管道余熱及排氣凝結熱利用率。此外，該種技術可深度利用化學能轉化熱能循環(huán)過程中存在的各類固有熱損，完成降低熱耗、提升發(fā)電效率的雙向優(yōu)化。經實際運行測試結果表明：此技術能在不影響原電場循環(huán)熱效率的前提下，提升機組發(fā)電功率近1%。

卡琳娜循環(huán)；火電機組；降耗提效；汽輪機；管道余熱；凝結熱發(fā)電

近年來，隨著居民用電和商業(yè)用電量急劇增加，火電廠機組參數(shù)也不斷提升，常規(guī)機組轉化效率已達瓶頸：循環(huán)效率亞臨界、超臨界、超超臨界機組分別為38%，40%，43%[1]。盡管如此，受限于朗肯循環(huán)高參數(shù)要求，熱轉化效率始終難以實現(xiàn)較大提升。熱損在增加能源成本的同時，還會造成一定的環(huán)境污染問題。煤炭作為火力發(fā)電的主要能源，占國民發(fā)電總量的70%。此外，煤炭屬于不可再生資源，需要合理高效分配利用，且為了迎合我國低碳經濟的主流發(fā)展要求，電力生產方案亟待改良?；谝陨媳尘?，本文分析了卡琳娜循環(huán)的原理和優(yōu)勢，并將其引入到電場機組發(fā)電流程中，深度利用煙氣余熱和凝結熱來減少熱耗，提高電力產能[2]。

1 卡琳娜循環(huán)機理

1.1 朗肯循環(huán)熱損

火電機組發(fā)電中，水蒸汽工質普遍存在的朗肯循環(huán)工作如圖1所示。

圖1 朗肯循環(huán)過程

基于水蒸氣的物理特性，熱能儲存困難。因此，火電機組的燃料化學能轉化為熱能后在水汽階段將出現(xiàn)大量流失。大部分熱能通過空氣介質傳導到空氣中，僅30%～40%的熱能得以利用，進一步轉化為電能，這也是朗肯循環(huán)實際工作中參數(shù)的主要限制[3]。整個循環(huán)能損主要來源分為：(1)燃料化學能向熱能轉化過程存在的熱傳遞損失、動力損耗、物理損失及燃燒不充分能損；(2)熱能轉化為水蒸氣后，做功轉化為電能過程中存在的蒸汽壓力損失、凝結熱損失、系統(tǒng)管道熱發(fā)散損失等；(3)動力發(fā)電過程存在的機械損失和系統(tǒng)損失；(4)輔助機械供電和其他設備用電消耗。

以上能損中，朗肯循環(huán)蒸汽轉化過程中的損失程度最高，且由于是供能源頭，在系統(tǒng)整個轉化流程中的能損比重還會相應提升。為此，文中從熱力動力學角度分析，熱能的可利用性及限制條件如圖2所示。

圖2 熱能可利用性分析

由圖2可知，三角梯形所圍面積代表了熱能在高低溫度下的最大作功。然而，朗肯循環(huán)水汽工質轉化過程存在的物理損耗，決定了效率上限。而在系統(tǒng)運作狀態(tài)下，工質平衡過程產生的損失主要來源于：熱源參數(shù)及材料溫度條件等內在因素；熱源低溫下的熱能物理揮散損耗此類技術處理因素[4]。

1.2 卡琳娜循環(huán)原理

分析了水工質存在的主要能損來源后，得知改善低溫熱能揮散處理損失是一種提高能源利用率的有效方式。而我國在低溫熱能利用研究中，歷經了閃蒸、雙壓及三壓的技術開發(fā)歷程，逐漸轉化為特殊工質開發(fā)領域[5]。卡琳娜循環(huán)將純水蒸氣工質替換為水氨混合液，適合進行低溫熱能的高效循環(huán)回收利用。其工作的原理流程，如圖3所示。

圖3 卡琳娜循環(huán)原理流程

卡琳娜循環(huán)工作時，熱源通過蒸發(fā)器進入系統(tǒng)，熱能傳遞給水氨混合液，混合液蒸發(fā)進入分離器，進行氣體、液體分離。蒸汽部分進入氨氣汽輪機，膨脹增壓做功驅動發(fā)電機發(fā)電；液體稀氨水混合物回流進入回熱器，進行低溫部分的熱量回收。高溫蒸汽部分做功完畢后與低溫回收部分匯合流入冷凝器，凝結得到水氨混合物。再泵入蒸發(fā)器及回熱器冷端，吸收兩部分擴散的傳遞熱能。循環(huán)進行，這一過程稱為卡琳娜循環(huán)[6]。

2 機組卡琳娜循環(huán)應用

圖2中在描述低溫下做功能力曲線時，特別標注有結構損失。結構損失具體指：由于工質降溫、升溫同熱源的差值造成的損失。因此，在火電廠機組工作流程中，想要減少朗肯循環(huán)中的結構損失，須從兩部分入手：其一，深度利用煤炭鍋爐余熱；其二，回收利用汽輪機凝結熱。

對于利用煤炭鍋爐余熱項，文中取樣600 MW超臨界機組鍋爐工作狀況進行監(jiān)測研究，全面評估卡琳娜循環(huán)引入的節(jié)能降耗成效。通常鍋爐尾部需要連接尾氣脫硫裝置，將煙氣導入脫硫塔進行處理，凈化后經GGH以80 ℃排出。這一流程常伴隨著嚴重的管道結垢、腐蝕。煙氣流通受阻，內壓過大會導致增壓風機電耗提升，嚴重的還會影響機組安全運行[7]。為此，本文引入了卡琳娜循環(huán)對脫硫系統(tǒng)和鍋爐煙道進行改造及再利用，設立3個不同熱源接口構建相應的方案。

(1)充分利用脫硫系統(tǒng)煙氣降溫過程的余熱進行熱電轉換。采用卡琳娜循環(huán)裝置替換原有GGH裝置，可進行管道熱耗的再利用發(fā)電。但低溫排出的冷煙氣，會直接影響煙氣上升排放的高度，易造成煙囪堵塞，加劇管道腐蝕。從而造成材質要求提升，增加部分投資成本[8]。此方案流程設計，如圖4所示。

圖4 接口方案1設計流程圖

(2)第二方案取消了GGH，可減少電耗930 kW，增壓風機同步電耗降低260 kW，可較大程度上增加電功率，方案流程如圖5所示。

(3)在第二方案的基礎上，鍋爐省煤器和除塵器煙氣后引入卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)的氨蒸汽進行過熱利用，可以進一步提升氨蒸汽蘊能，提高循環(huán)機組發(fā)電量，方案流程如圖6所示。

經統(tǒng)計，600 MW容量機組產生的煙氣流量約為

200萬 ，3種方案的發(fā)電功率數(shù)據如表1所示。對比可知，3種方案在相同生產參數(shù)下，相對效率及電耗均有大幅優(yōu)化，第三方案綜合效能最佳，機組發(fā)電功率凈增量穩(wěn)定在1%以上。

圖5 接口方案2設計流程圖

圖6 接口方案3設計流程圖

方案冷卻水煙氣溫度/℃相對效率發(fā)電效發(fā)電功電耗減電功率機組功率溫度/℃省煤氣出口空預器進口除塵器出口進口率/%率/kW少/kW增加/kW增加/%115/20--140800.810/9.54570/4320--0.76/0.72215/20--140800.810/9.54570/432011905760/55100.96/0.92315/20360360130800.811/10.5-11906300/59651.05/0.99

3 方案再優(yōu)化分析

在朗肯循環(huán)約束下，實際生產環(huán)境中電廠發(fā)電效率約為38%～45%，有大量的汽輪蒸汽熱損。因此，在煙氣余熱利用及設備增壓電耗優(yōu)化的基礎上，還可進行凝汽式汽輪機的深度改造。提高汽輪機的排汽參數(shù)，將管道乏汽凝結混合液作為卡琳娜動力熱源進行二次發(fā)電[9-15]。由此，可進一步增加循環(huán)發(fā)電效率。

若基于卡琳娜循環(huán)工作原理，對200 ℃的汽輪熱損回收利用，可再回收近50%的凝結熱能。因此，在常規(guī)火電汽輪低溫排氣高熱轉化技術中具備廣闊的應用前景。同時，具備大量可挖掘的生產效益。

4 結束語

本文基于國內當前火電發(fā)電環(huán)境，提出了一種低碳環(huán)保的機組降耗提效技術。充分發(fā)揮出了卡琳娜循環(huán)的熱耗回收技術優(yōu)勢，根據火電發(fā)電過程中存在的汽輪凝結熱損、煙氣余熱和管道壓耗，相應提出了不同機組裝置結合方案，良好地解決了工業(yè)污染及發(fā)電功率瓶頸問題。經數(shù)據實測，在減少能源熱損基礎上，各方案均可提升整體機組近1%的發(fā)電產能，并具備良好的適應性和擴展性。

[1] 花秀峰,李曉明.火力發(fā)電廠煙氣余熱利用的分析與應用[J].節(jié)能,2011,30(z2):89-91.

[2] 李奕辰.氨水吸收式制冷系統(tǒng)的模擬[D].重慶:重慶大學,2016.

[3] 秦文戈.低溫余熱回收技術在芳烴聯(lián)合裝置中應用[D].廣州:華南理工大學,2014.

[4] 馮慧生,徐菲菲,劉葉鳳.工業(yè)過程余熱回收利用技術研究進展[J].化學工業(yè)與工程,2012(1):56-61.

[5] 付文成.中低溫地熱能雙吸收Kalina循環(huán)系統(tǒng)熱力學優(yōu)化與實驗研究[D].天津:天津大學,2014.

[6] 邵振華,鄭子輝,于文遠,等.,基于正逆循環(huán)的節(jié)能技術[J].新能源進展,2015(4):12-18.

[7] 張俊鋒.煤礦煙氣余熱回收利用技術研究[D].武漢:武漢理工大學,2012.

[8] 羅瓊.火災工況下介質汽化潛熱的估算[J].中國石油和化工標準與質量,2013(14):222-226.

[9] 宋忠源,李林星,陳盼盼,等.基于EES的一級蒸餾Kalina循環(huán)的熱力學分析[J].發(fā)電與空調,2015(4):66-69.

[10] 岳秀艷,韓吉田,于澤庭,等.設置富氨蒸氣回熱器的固體氧化物燃料電池/燃氣輪機/卡琳娜聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的熱力性能分析[J].中國電機工程學報,2014,34(26):4483-4492.

[11] 趙洪濱,楊倩,江婷,等.SOFC—聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)性能分析[J].工程熱物理學報,2014(5):848-853.

[12] 彭爍.塔式太陽能間冷-回熱燃氣輪機與卡林那聯(lián)合循環(huán)熱力特性研究[D].武漢:華中科技大學,2011.

[13] 彭爍,洪慧,金紅光.太陽能燃氣輪機與卡林那循環(huán)聯(lián)合的熱發(fā)電系統(tǒng)[J].工程熱物理學報,2012,33(11):1831-1835.

[14] 趙洪濱,江婷,楊倩.3種新型煤層氣集輸系統(tǒng)增壓驅動方案[J].熱能動力工程,2015,30(5):708-714.

[15] 許臣.煤基SOFC/IGCC聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)性能研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇科技大學,2011.

Power Consumption Reduction and Efficiency Improvement of Power Plant Units Based on Karina Cycle

HUANG Meng, ZHAO Liangyu, ZHANG Shujuan

(Shandong Electric Power Engineering Consulting Co., Ltd., Ji’nan 250013, China )

With the expansion of thermal power unit, the utilization of thermal efficiency of conventional thermal power plant has reached the bottleneck. The limit parameters of Rankine cycle power generation process, water vapor heat loss is higher, and will be accompanied by a certain degree of environmental pollution. In this paper, based on the Karina cycle technology, a scheme for reducing consumption of thermal power units is proposed. By analyzing the working principle of Karina cycle and combining it with the cycle generating process of thermal power units, we should give full play to the advantages of circulation and break through the bottleneck of thermal transformation efficiency, and further improve the utilization of heat and exhaust condensing heat of thermal power units. Besides, this technology can make full use of chemical energy to transform all kinds of inherent heat loss existing in heat cycle process, and complete two-way optimization of reducing heat consumption and improving power generation efficiency. The test results show that the power generation power of the lifting unit can be nearly 1% without affecting the thermal efficiency of the original electric field cycle.

Karina cycle; thermal power unit; consumption reduction and efficiency improvement; steam turbine; pipeline waste heat; condensation heat power generation

2017- 09- 07

黃蒙(1983-)，男，碩士，工程師。研究方向：大容量、高參數(shù)火電機組系統(tǒng)優(yōu)化。

TP273；TM930

A

1007-7820(2018)01-083-04