超超临界机组高温冷凝水热量回收系统研究

前言

随着能源结构调整和“双碳”目标推进，超超临界燃煤机组作为当前火力发电的主力机型，其能效提升与节能减排备受关注。在机组运行过程中，对外供汽后返回的高温冷凝水（温度在90℃左右）蕴含着可观的热能资源，但现有系统大多未能实现其有效回收利用，造成了显著的能量浪费。

90℃左右的热源属于典型低品位热能，采用生水或空气作为冷源，未能与机组热力系统形成有机整合，节能效果有限，特别是当采用冷却塔散热方式时，不仅浪费热量，还增加循环水系统负荷。近年来，国内外学者在相关领域开展了积极探索。某电厂采用热泵技术提升冷凝水余热品位后用于加热锅炉给水，但系统复杂且投资回收期较长。另一研究将冷凝水余热回收用于空调热源，则经济性不高，投资回收期较长。

因此，本文针对660MW 超超临界机组工业抽汽量 700t/h、高温冷凝水回水量 420t/h 且温度为 85℃的工况开展深入研究，提出高温冷凝水与凝汽器出口凝结水进行换热的系统方案，为超超临界机组的节能优化提供新的技术选择。

1.换热热力学分析

本文660MW 超超临界机组凝汽器采用自然通风冷却塔冷却方式，冷却后的凝结水温度在30-40℃，凝结水经过凝结水泵、凝结水精处理、轴封冷却器、低压加热器以及低温省煤器进入除氧器。具体流程图如下：

凝结水泵出口—凝结水精处理—轴封冷却器—8、9号低压加热器 →7号低压加热器—6号低压加热器—5号低压加热器—低温省煤器

一除氧器

高温冷凝水经过冷却、预处理后最终回至凝结水精处理前端进入热力系统，由于凝结水精处理系统的运行温度受高速混床中阴树脂的工作温度的影响，冷凝水温度需要降至60℃，根据凝结水系统流程，选用凝结水泵出口的凝结水作为冷源，换热后的凝结水进入精处理前端。

根据能量守恒定律，冷凝水释放的热量由凝结水吸收，并计算凝结水吸收热量后的温升，以此判断换热过程的可能性。

计算条件如下：

（1）选择机组对外供工业抽汽700t/h 的工况；

（2）回收蒸汽高温冷凝水420t/h，回收温度为85℃，冷凝水冷却后温度为60℃。

（3）热量计算公式：

Q = m₁×cp₁×(T₁,in - T₁,out) = m₂×cp₂×(T₂,out - T₂,in)

式中，Q 为换热量（kW）；

m₁和m₂分别为高温冷凝水和凝结水的质量流量 (kg/h) ）；

cp₁和 cp₂为相应比热（kJ/(kg·K)）cp₁=cp₂=4.18 kJ/(kg ⋅_K

T₁in、T₁,out 为高温冷凝水进出口温度 (^∘C) ；

T₂,in、T₂,out 为凝结水进出口温度 (^∘C) ）。

由上述条件计算得出：

420t/h 冷凝水由 85℃降至 60℃所释放的热量为 43890.7kW。

表 2-1 显示了超超临界机组在 700t/h 工业抽汽下的凝结水量、温度参数及换热后的凝结水温度参数，详见下表：

表 1-1 不同抽汽工况下凝结水换热前后参数由表1-1 可以看出，全部凝结水在不同工况下与冷凝水换热后的最高温度为48.8 度，低于凝结水精处理要求的限值，与冷凝水降温后的温度60℃端差大于5℃，能满足冷却要求，稳定可靠。

2.系统设计

本研究提出的高温冷凝水热量回收系统采用模块化设计理念，主要包含热交换单元、监测控制单元和安全保护单元三大部分。

（1）热交换单元

厂外来85℃的高温冷凝水经过 100 微米的管道过滤器过滤后进入100m3 缓冲水箱，提供10-15 分钟的缓冲时间以平抑流量波动，水箱出水通过变频高温冷凝水泵输送至换热器的热侧，换热后至高温冷凝水处理系统。

同时，从凝结水管道引出一定量的凝结水作为冷源，引入板式换热器的冷侧，换热后回至凝结水管道。流程如下：

其中换热器为该单元的核心设备，依据传热方式与结构特点可分为多种类型。其选型要综合考虑效率、成本以及工况适配性。常用的换热器有管式换热器、板式换热器等。

管式换热器结构坚固，水质适应性强，耐压高，然而换热效率相对较低，体积较大。板式换热器则传热效率高、结构紧凑、占地小、灵活性高，但普通的板式换热器承压能力较差，受板片和密封垫片材料质量和性能影响，通常适用于小于2.5Mpa 的场合，而凝结水压力一般在 4.0MPa 左右，普通的板式换热器无法满足运行要求，因此凝结水换热系统选择耐压性能强的316 不锈钢焊接板式换热器，设计压力可达4.5MPa，它采用先进的焊接工艺，将板片紧密焊接在一起，形成一个整体的换热结构，有效提高了承压能力。

板式换热器的换热面积计算还需要综合考虑热工参数、流体特性、结构限制等因素。基本输入条件：

冷凝水：洁净水；流量 420t/h；温度85℃，降温至60℃；

凝结水：洁净水；流量 550t/h(根据冷热比约1.3：1)；温度32℃，升温至 50℃。

对数平均温差（LMTD, ΔTm_m）

ΔTm = (T1-t2)-(T2-t1)) /[ln(T1-t2）/（T2-t1)]其中T1、T2 为热介质进出口温度，t1、t2 为冷介质进出口温度。

换热面积（A）计算公式：

A=U⋅ ΔTm/Q

其中U 为总传热系数，取值3000W/(m2⋅ K)；Q 为热量。

经计算得：

ΔTm=(35−28)/ln(35/28) =7/ln(1.25) ≈31.4℃A= 12191700/（ 3000× 31.4） ≈129.5m²

考虑设计余量 (10%～15%) ），A=129.5×1.15≈149m2 换热器的换热面积按照150m2 设计。因此本系统设计两台换热面积为 150m2 的316 不锈钢焊接板式换热器。

（2）监测控制单元

厂外来水管设置电导率表、氢电导率表、硅表、浊度表、TOC 表、氯离子表用于监测厂外来冷凝水的水质情况，符合水质要求的冷凝水由变频泵输送至板式换热器。凝结水进水管、高温冷凝水进、出水管设置温度变送器，用以控制冷却后的冷凝水温度；换热器冷凝水侧进出水管设置压力变送器，控制运行压差；凝结水出口设置电导率表，以便观察是否有泄漏。本系统通过设置在线监测仪表来对系统运行进行实时监控，并将监测数据实时上传至 DCS 系统，以实现自动控制的目的。

（3）安全保护单元

凝结水进水管设置电动调节阀门，在换热过程中，严格监测冷凝水和作为冷源的凝结水的温度变化，调整凝结水水量，确保高温冷凝水能够降至合适的温度范围。

为确保系统安全运行，设置备用换热设备，当系统出现泄漏或是冷凝水侧压差过大出现污堵时，开启备用设备，保证整个换热过程的稳定性和可靠性。

3.节能效益

本研究通过采用凝结水冷却系统对420t/h高温冷凝水进行热量回收，从而减少了低压加热器抽汽用量，降低了进组的运行煤耗，年运行小时数按照8000小时考虑，一年可回收热量3.5112×1011 KJ，相当于节约标准煤11980吨，标准煤价格按1000元/吨估算，折合费用为1198万元/年。除此之外，与传统的循环冷却水冷却相比，本方案年节约用水量达189000吨（冷却水进口温度：25℃，出口温度：35℃温度），按照工业水价3元/吨计算，年节水效益为56.7万元。综合考虑节能和节水，系统年综合节能效益达1254.7万元。

4.结论

本文针对 660MW 超超临界机组高温冷凝水与凝结水的换热展开了热力学分析。在此基础上，进行了模块化的换热系统设计。该系统从设备选型、运行监督控制等多方面进行考量，以确保系统能够高效运行且稳定可靠。此系统还具备显著的节能效益，系统年综合节能效益达1254.7 万元。这不仅为超超临界机组的节能优化提供了切实可行的新技术选择，还为其他类似机组的节能改造提供了宝贵的参考范例，对推动电力行业绿色低碳发展意义重大。

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