蔡興初， 朱一鳴， 郭悅

（中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司， 南京 211102）

碳達(dá)峰、 碳中和背景下， 以發(fā)電為主的傳統(tǒng)火電廠建設(shè)將放緩， 但為滿足化工、 紡織、 印染、 食品等產(chǎn)業(yè)用熱需求， 以天然氣、 潔凈煤為燃料的背壓式機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)電廠（以下稱背壓式熱電廠）還將有進(jìn)一步的發(fā)展。 背壓式熱電廠沒有汽輪機(jī)（主機(jī)）循環(huán)冷卻水系統(tǒng)， 設(shè)有輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)［1］，其輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水量相對(duì)較小， 與化學(xué)生水需求量相近， 但兩者對(duì)水溫、 水質(zhì)有不同要求［2］。 如果輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水和化學(xué)生水的水質(zhì)相同， 兩者存在互相利用的條件。 本文以某工程為例， 探討將輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)與化學(xué)生水供水系統(tǒng)耦合設(shè)計(jì)， 通過梯級(jí)利用冷熱水和合理利用工業(yè)水來水的余壓， 設(shè)計(jì)兼具直流及循環(huán)供水功能的耦合供水系統(tǒng)， 并分析其節(jié)能效益。

1 背壓式熱電廠供水系統(tǒng)

基于不同的水量和水質(zhì)的需求， 背壓式熱電廠輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和化學(xué)生水供水系統(tǒng)通常是2 套獨(dú)立系統(tǒng)。

1.1 輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)用于冷卻全廠輔機(jī)或輔機(jī)閉式冷卻水， 通過循環(huán)水泵將開式冷卻水（以下稱開式水）升壓后送到全廠各輔機(jī)或主廠房水-水換熱器進(jìn)行換熱， 升溫后的開式水經(jīng)過管道回至機(jī)力通風(fēng)冷卻塔（以下稱機(jī)力塔）冷卻降溫， 然后經(jīng)循環(huán)水泵繼續(xù)循環(huán)使用［3］。 輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)施包括： 輔機(jī)循環(huán)水泵房、 循環(huán)水泵、 機(jī)力塔、 控制閥門及輔機(jī)循環(huán)冷卻水管道等。 輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)對(duì)補(bǔ)充水的水質(zhì)要求相對(duì)不高， 按DL／T 5339—2018《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》要求， 其懸浮物質(zhì)量濃度不超過50 mg／L 即可［2］。

1.2 化學(xué)生水供水系統(tǒng)

化學(xué)生水供水系統(tǒng)屬于化學(xué)制水系統(tǒng)的一部分， 負(fù)責(zé)將經(jīng)過凈化處理后的工業(yè)水（或市政工業(yè)水）存儲(chǔ)， 并通過化學(xué)生水泵輸送至化學(xué)制水系統(tǒng)的除鹽水處理裝置。 化學(xué)生水對(duì)水溫、 水質(zhì)都有一定的要求。 水溫對(duì)反滲透除鹽裝置的產(chǎn)水量、 產(chǎn)水水質(zhì)、 設(shè)備壽命等均有影響。 水溫每升高1 ℃， 在系統(tǒng)條件不變的情況下， 其產(chǎn)水通量大致增大3%［4］；水溫降低時(shí)， 則需要通過提高運(yùn)行壓力來提高產(chǎn)水量［4］。 因此， 反滲透除鹽工藝一般考慮生水加熱措施［5］， 但考慮到膜材料的溫度承受能力及壽命， 最高設(shè)計(jì)水溫不宜超過30 ℃， 最佳的設(shè)計(jì)水溫約為25 ℃。 水質(zhì)上一般要求化學(xué)生水的懸浮物質(zhì)量濃度不大于3 mg／L［6］。

2 耦合供水系統(tǒng)

大型背壓式熱電廠的供水系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①熱電廠基本建設(shè)在工業(yè)園區(qū)， 工業(yè)園區(qū)通常給包括熱電廠在內(nèi)的園區(qū)工業(yè)用戶統(tǒng)一供給凈化后的工業(yè)水， 熱電廠輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和化學(xué)生水供水系統(tǒng)的補(bǔ)充水水質(zhì)一致。 ②熱電廠沒有汽輪機(jī)（主機(jī)）循環(huán)冷卻水系統(tǒng)， 其輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水量相對(duì)較小， 而熱電廠的供熱量大， 其化學(xué)生水需求量較大， 因此輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水量和化學(xué)生水量較為接近。 ③輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水需要低溫水［7］，而化學(xué)生水的水溫不宜過低， 兩者存在互用的可能性。 ④園區(qū)工業(yè)水來水可能有可觀的余壓可供利用。

基于以上特點(diǎn)， 可以將輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和化學(xué)生水供水系統(tǒng)耦合為1 套供水系統(tǒng)， 通過閥門啟閉切換實(shí)現(xiàn)以下功能： ①在園區(qū)工業(yè)水水溫較低的時(shí)候， 工業(yè)水梯級(jí)利用到輔機(jī)冷卻和化學(xué)生水。 與化學(xué)生水量同流量的園區(qū)工業(yè)水先供熱電廠輔機(jī)冷卻使用， 經(jīng)換熱升溫后的回水供化學(xué)生水。該工況下， 輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用直流供水， 直接利用了工業(yè)水的冷能， 同時(shí)機(jī)力塔停用，循環(huán)水泵運(yùn)行參數(shù)降低， 節(jié)約大量電耗。 而化學(xué)生水則利用了輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水回水的熱能， 可減少大量升溫所需的蒸汽等能源耗量。 ②在工業(yè)水水溫較高時(shí)（如夏季）， 輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和化學(xué)生水供水系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。 輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用帶冷卻塔的循環(huán)供水方式， 化學(xué)生水則由園區(qū)工業(yè)水直供。 ③在達(dá)產(chǎn)過渡期， 化學(xué)生水需水量可能遠(yuǎn)小于輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水量， 兩者匹配較困難， 輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用帶冷卻塔的循環(huán)供水方式， 夏季時(shí)的化學(xué)生水由工業(yè)水直供， 冷季時(shí)則由輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)以旁流的方式供應(yīng)部分換熱后的開式水回水作為化學(xué)生水（此時(shí)輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補(bǔ)水量中包含了化學(xué)生水量）。 ④園區(qū)工業(yè)水來水有一定的余壓， 可以通過抬高蓄水構(gòu)筑物內(nèi)設(shè)計(jì)水位， 將工業(yè)水余壓轉(zhuǎn)換為勢能蓄能， 從而利用工業(yè)水余壓。 通過以上系統(tǒng)的耦合， 可以梯級(jí)使用冷熱水， 同時(shí)合理利用工業(yè)水來水的余壓， 節(jié)能效果可觀。

3 工程案例

3.1 工程概況

某工程位于江蘇省某大型石化產(chǎn)業(yè)基地， 為滿足產(chǎn)業(yè)基地供熱需求， 擬建設(shè)9 × 800 t／h 循環(huán)流化床鍋爐， 配置9 × 35 MW 級(jí)背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組。 全廠無汽輪機(jī)（主機(jī)）循環(huán)冷卻水系統(tǒng)， 設(shè)輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)用于冷卻全廠輔機(jī)閉式冷卻水。 機(jī)組設(shè)計(jì)年運(yùn)行8 000 h， 額定工況的供汽量為4 200 t／h， 采用超濾-反滲透膜法制除鹽水。

3.2 設(shè)計(jì)條件

3.1.1 氣象條件

廠址所在地累年平均氣溫為14.5 ℃， 夏季頻率10%日平均濕球溫度為26.8 ℃。

3.1.2 水源

電廠水源為產(chǎn)業(yè)基地統(tǒng)一提供的凈化后工業(yè)水（以下稱工業(yè)水）， 項(xiàng)目業(yè)主與供水方簽訂的協(xié)議約定廠界水壓不小于0.20 MPa（±0.00 m 處， 下同），各月的平均水溫見表1。

表1 工業(yè)水各月水溫資料Tab. 1 Temperature data of industrial water in different months

3.1.3 設(shè)計(jì)水量

（1） 輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水量。 設(shè)計(jì)全廠輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水量為7 500 m3／h， 設(shè)計(jì)進(jìn)出熱交換器的水溫差為5 ℃， 其中設(shè)計(jì)出水水溫不超過38 ℃。全年平均氣象條件下， 開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水量為65 m3／h（按濃縮倍率為3 倍計(jì)）， 用于補(bǔ)充冷卻塔的蒸發(fā)、 風(fēng)吹和排污水量損失［8］。

（2） 化學(xué)生水需水量。 全廠額定工況設(shè)計(jì)供汽量為4 200 t／h， 采用超濾-反滲透膜法制除鹽水。考慮超濾的反沖洗用水和反滲透裝置的回收率［6］，化學(xué)生水需水量約為5 600 m3／h。

3.3 獨(dú)立型供水系統(tǒng)

采用獨(dú)立型供水系統(tǒng)時(shí)， 輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)配4 臺(tái)循環(huán)水泵、 3 臺(tái)機(jī)力塔， 供回水母管管徑為DN 1 200 mm， 設(shè)進(jìn)水前池和半地下式循環(huán)水泵房。 化學(xué)生水供水系統(tǒng)配置2 座5 000 m3化學(xué)水池， 鋼混結(jié)構(gòu)， 池高4 m， 半地下布置； 配置6 臺(tái)生水泵， 設(shè)1 座半地下式生水泵房。 機(jī)力塔、 循環(huán)水泵房、 化學(xué)水池、 生水泵房等均布置在水務(wù)區(qū)。獨(dú)立型輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和高程示意見圖1、圖2， 獨(dú)立型化學(xué)生水供水系統(tǒng)和高程示意見圖3、圖4， 主要設(shè)備參數(shù)見表2。

圖1 獨(dú)立型輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)Fig. 1 Open circulating cooling water system of independent auxiliary engine

圖2 獨(dú)立型輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)高程Fig. 2 Elevation of open circulating cooling water system of independent auxiliary engine

圖3 獨(dú)立型化學(xué)生水供水系統(tǒng)Fig. 3 Independent chemical water supply system

圖4 獨(dú)立型化學(xué)生水供水系統(tǒng)高程Fig. 4 Elevation of independent chemical water supply system

表2 獨(dú)立型供水系統(tǒng)主要設(shè)備及參數(shù)Tab. 2 Main equipments and parameters of independed water supply system

3.4 耦合型供水系統(tǒng)

通過將輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)回水管道與化學(xué)生水儲(chǔ)水設(shè)施補(bǔ)水管（廠外工業(yè)水來水管）連通， 增設(shè)大口徑機(jī)力塔水池補(bǔ)給水管， 構(gòu)成1 套耦合供水系統(tǒng)。 耦合型供水系統(tǒng)和高程示意分別見圖5、 圖6。

圖5 耦合型供水系統(tǒng)Fig. 5 Coupled mode water supply system

圖6 耦合型供水系統(tǒng)高程Fig. 6 Elevation of coupled mode water supply system

3.4.1 工業(yè)水余壓利用措施

通過抬高蓄水構(gòu)筑物內(nèi)設(shè)計(jì)水位， 可以將工業(yè)水余壓轉(zhuǎn)換為勢能蓄能， 從而利用工業(yè)水余壓。 結(jié)合供水系統(tǒng)高程（圖6）分析， 抬高蓄水構(gòu)筑物（機(jī)力塔水池、 化學(xué)水箱）水位不影響循環(huán)水泵幾何揚(yáng)程， 但化學(xué)水箱的水位決定著生水泵的幾何揚(yáng)程：水箱水位越高， 生水泵幾何揚(yáng)程越小。 本工程考慮一定的富裕水頭， 擬利用工業(yè)水余壓0.15 MPa， 確定化學(xué)水箱、 機(jī)力塔水池的設(shè)計(jì)水位為15 m。 考慮可能會(huì)出現(xiàn)的工業(yè)水來水水壓不足工況， 在工業(yè)水進(jìn)入廠區(qū)的供水總管上設(shè)置旁路， 安裝2 臺(tái)提升水泵作為備用措施。

3.4.2 系統(tǒng)連通切換措施

在輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水回水管上增設(shè)支管（AB段， 見圖5， 下同）與化學(xué)水箱的工業(yè)水進(jìn)水管連通， 新增相應(yīng)的控制閥門Va。 增設(shè)1 條管徑為DN 1 000 mm 的機(jī)力塔水池補(bǔ)水管， 化學(xué)水箱設(shè)溢流管至機(jī)力塔水池。 通過該措施實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的連通和切換。

3.4.3 系統(tǒng)運(yùn)行方式

（1） 達(dá)產(chǎn)期運(yùn)行方式。 鑒于超濾-反滲透裝置入口的水溫不宜超過30 ℃， 結(jié)合表1 的各月工業(yè)水水溫， 在1 ～5 月份和10 ～12 月份， 輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和化學(xué)生水供水系統(tǒng)耦合為1 套供水系統(tǒng)運(yùn)行。 此時(shí)， 關(guān)閉閥門Vb 和機(jī)力塔的進(jìn)水閥門， 同時(shí)其他閥門全開， 與化學(xué)生水需求量等量的工業(yè)水（5 600 m3／h）進(jìn)入機(jī)力塔水池， 經(jīng)過循環(huán)水泵升壓供熱電廠換熱器冷卻， 換熱（折算升溫6.7 ℃）后通過回水支管（AB 段）至化學(xué)水箱供化學(xué)生水用。 該工況， 機(jī)力塔不運(yùn)行， 2 臺(tái)循環(huán)水泵變頻運(yùn)行。

工業(yè)水水溫較高時(shí)（6 ～9 月份）， 開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和化學(xué)生水供水系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行， 此時(shí)關(guān)閉閥門Va 和Vc， 其他閥門全開。 開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用帶冷卻塔的循環(huán)冷卻供水方式， 循環(huán)冷卻水量為7 500 m3／h。 化學(xué)生水（5 600 m3／h）則由工業(yè)水直供。 該工況3 臺(tái)機(jī)力塔全部投運(yùn)， 3 臺(tái)循環(huán)水泵工頻運(yùn)行。

（2） 達(dá)產(chǎn)過渡期運(yùn)行方式。 本項(xiàng)目作為石化產(chǎn)業(yè)基地的基礎(chǔ)設(shè)施， 先于熱用戶工程建成。 受外界需求影響， 項(xiàng)目初始對(duì)外供熱量將達(dá)不到設(shè)計(jì)值。此時(shí)化學(xué)生水需水量可能遠(yuǎn)小于開式循環(huán)冷卻水量， 兩者匹配較困難。 該階段， 夏季（6 ～9 月份）的運(yùn)行方式同達(dá)產(chǎn)期夏季運(yùn)行方式。 其他月份運(yùn)行方式如下： 關(guān)閉閥門Vb， 切斷園區(qū)工業(yè)水直接進(jìn)入化學(xué)水箱； 同時(shí)其他閥門全開。 輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用帶冷卻塔的循環(huán)供水方式， 部分經(jīng)換熱后的循環(huán)冷卻水通過回水支管（AB 段）以旁流的方式至化學(xué)水箱供化學(xué)生水用。 在運(yùn)行時(shí)， 需要通過調(diào)整化學(xué)水箱的進(jìn)水閥門開度來控制其進(jìn)水量。此時(shí)進(jìn)入機(jī)力塔水池的補(bǔ)給水量（工業(yè)水量）是機(jī)力塔的蒸發(fā)、 風(fēng)吹損失水量、 化學(xué)生水量之和。

（3） 備用提升水泵運(yùn)行。 當(dāng)廠外工業(yè)水來水水壓不足0.15 MPa 時(shí)， 備用的提升水泵通過設(shè)置在管道上的壓力開關(guān)自動(dòng)啟動(dòng)， 按泵出口壓力0.15 MPa 恒壓變頻運(yùn)行； 當(dāng)廠外工業(yè)水來水水壓大于0.15 MPa 時(shí)， 提升水泵自動(dòng)停泵。

3.4.4 主要構(gòu)筑物

機(jī)力塔水池兼具調(diào)蓄廠外工業(yè)來水量的功能，需要一定的容積， 在平面尺寸（L × B ＝48 m × 19 m）確定的情況下， 適當(dāng)加大其有效水深至4 m， 池底高程為11 m， 有效容積約為3 600 m3。 循環(huán)水泵和提升水泵均布置在冷卻塔水池下部空間， 并設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)。 該布置方案在減少占地的同時(shí)， 省去了通常設(shè)計(jì)中的循環(huán)水泵房前池及相應(yīng)輔助設(shè)備。

化學(xué)水箱采用鋼制水箱， 有效容積為5 000 m3。 運(yùn)行中可能出現(xiàn)化學(xué)生水需水量短時(shí)波動(dòng)， 將和開式水供水量不匹配， 過量的開式水需要從化學(xué)水箱溢流回至冷卻塔水池。 考慮溢流水頭差需要，設(shè)定溢流水位為18 m， 確定水箱實(shí)際高度為19 m，水箱直徑為21 m。

3.4.5 主要設(shè)備參數(shù)

系統(tǒng)設(shè)備的配置兼顧耦合運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行工況， 主要設(shè)備參數(shù)見表3。

表3 耦合型供水系統(tǒng)主要設(shè)備及參數(shù)Tab. 3 Main equipments and parameters of coupled mode water supply system

3.5 節(jié)能效益分析

與獨(dú)立型供水系統(tǒng)相比， 耦合型供水系統(tǒng)通過冷熱水的梯級(jí)使用及利用工業(yè)水來水的余壓， 產(chǎn)生較大的節(jié)能收益， 以達(dá)產(chǎn)期為計(jì)算工況， 節(jié)能效益分析如下。

3.5.1 蓄能（工業(yè)水余壓利用）

據(jù)前文所述， 工業(yè)水余壓利用主要降低的是生水泵的幾何揚(yáng)程。 化學(xué)生水量約為5 600 m3／h，設(shè)計(jì)利用工業(yè)水余壓為0.15 MPa（15 mH2O）。 水泵配套電機(jī)功率按公式（1）計(jì)算。

式中： N 為水泵配套電機(jī)功率， kW； γ 為水的密度， kg／m3； Q 為水量， 取1.56 m3／s（5 600 m3／h）； ΔH 為節(jié)省的水泵揚(yáng)程， mH2O； η1、 η2分別為水泵和電機(jī)的效率， 分別取0.85 和0.93。

計(jì)算得知， 生水泵配套電機(jī)降低功率約290 kW， 全年（12 個(gè)月）節(jié)約電耗約232 萬kW·h， 按上網(wǎng)電價(jià)0.475 元／（kW·h）計(jì)， 年節(jié)約電費(fèi)110 萬元。

3.5.2 節(jié)電

（1） 機(jī)力塔在直流供水工況不運(yùn)行。 機(jī)力塔按運(yùn)行2 臺(tái)， 全年（8 個(gè)月）運(yùn)行5 333 h 計(jì)， 全年節(jié)約風(fēng)機(jī)電耗約141 萬kW·h（按風(fēng)機(jī)銘牌功率）。

（2） 開式水在直流工況不上機(jī)力塔， 循環(huán)水泵揚(yáng)程降低10 m， 按公式（1）計(jì)算循環(huán)水泵電機(jī)降低功率為191 kW， 直流工況（8 個(gè)月）節(jié)約電耗約103萬kW·h。

全年共節(jié)約開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中機(jī)力塔風(fēng)機(jī)和循環(huán)水泵電機(jī)電耗約244 萬kW·h， 按上網(wǎng)電價(jià)0.475 元／（kW·h）計(jì)， 年節(jié)約電費(fèi)116 萬元。

3.5.3 節(jié)汽

輔機(jī)循環(huán)冷卻水回水溫升Δt ＝6.7 ℃（折算后）后供化學(xué)生水， 可降低化學(xué)生水加熱耗汽量68 t／h（加熱用蒸汽參數(shù)： P ＝0.6 MPa， t ＝180 ℃）， 全年（8 個(gè)月）節(jié)省蒸汽量約363 萬t， 折合標(biāo)煤37.4 萬t，按標(biāo)煤價(jià)800 元／t 計(jì)， 年節(jié)約燃料費(fèi)2 992 萬元。

3.5.4 節(jié)水

直流供水工況， 開式水不上機(jī)力塔， 無機(jī)力塔蒸發(fā)、 風(fēng)吹和排污水量損失。 按直流工況（8 個(gè)月）平均干球溫度9 ℃為計(jì)算工況， 節(jié)水量約為60 m3／h， 全年共節(jié)水約32 萬m3， 按工業(yè)水價(jià)2 元／m3計(jì)， 年節(jié)約水費(fèi)約64 萬元。

4 結(jié)語

供熱量較大的大型背壓式熱電廠輔機(jī)開式冷卻水量與其化學(xué)生水需水量相差較小， 兩者對(duì)水溫有不同要求。 將輔機(jī)開式循環(huán)冷卻水供水系統(tǒng)與化學(xué)生水供水系統(tǒng)耦合設(shè)計(jì)， 通過梯級(jí)使用冷熱水， 同時(shí)合理利用工業(yè)水來水的余壓， 設(shè)計(jì)兼具直流及循環(huán)供水功能的輔機(jī)開式冷卻水供水系統(tǒng)， 可產(chǎn)生較大節(jié)能效益。