凝汽式機組工業供熱改造方案分析和比較

柴國旭，鄭莆燕，張躍進，任建興，羅 晶

（1.上海電力學院能源與環境工程學院，上海 200090；2.臺州發電廠，浙江 臺州 318016）

隨著地方經濟的快速發展，一些工業園區的熱需求增長很快。建設小型鍋爐或小型熱電廠將面對效率低、環保性差等問題；建設大型熱電聯產機組面臨投入過多資金等問題。對工業園區附近大型發電廠的純凝汽式機組進行供熱改造，既能充分利用大型機組的環保設備降低環境污染，又能提升發電機組的能源利用效率，因此能夠取得更好的綜合效益，這已經成為解決工業園區供熱需求的一條有效途徑。

1 工業供熱方案

1.1 供熱需求分析

近年來，某發電廠周圍的化學工業園區不斷擴大生產規模，園區的工業用熱一直由發電廠的135 MW機組提供。由于135 MW機組裝機容量較小、效率低，受國家政策的影響而面臨關停，致使園區用熱出現缺口，影響企業的正常生產。

對園區用汽量進行統計和預測得知，未來10年的基本用汽量將從目前100 t/h增加到250 t/h以上。工業園區熱用戶用汽壓力處于0.3～1.6 MPa之間，用汽溫度為180℃，最大供汽半徑14 km，最大供汽長度16.5 km。考慮管道平均壓降不大于0.05 MPa/km，以及管道平均溫降不超過7℃/km等技術性要求，通過對熱網主干線熱力管道的計算，確定廠界處的供熱參數為壓力1.6 MPa、溫度290℃。考慮管網接頭等壓力損失，為確保供汽的可靠性，選擇2.0 MPa，300℃作為熱源提供的出口參數。

為了滿足園區生產和發展的需要，發電廠擬對現存的4臺亞臨界330 MW容量的純凝汽式機組進行供熱改造。綜合分析汽輪機出力、系統可靠性等因素，選取單臺機組提供蒸汽量為100 t/h進行分析和設計。通過改造4臺機組來滿足近10年的基本用汽需求，同時預留一定的供汽余量。

1.2 改造方案

依據機組的設計和運行參數，選擇恰當部位進行供熱改造，該機組可行的供熱方案有3種：

方案一：采用再熱冷段抽汽供熱。在高壓缸排汽蝶閥之后的合理位置開孔抽汽，由于抽汽量的大小將引起高壓缸排汽壓力的變化，需要對高壓缸末級動、靜葉柵進行安全校核。另外，抽取大量供熱蒸汽后，將影響再熱器金屬管壁溫度，因此必須通過事故減溫噴水才能確保再熱器的運行安全[1]。

方案二：采用再熱熱段抽汽供熱。在再熱器出口至中壓缸進汽閥之間蒸汽管道的恰當部位開孔抽汽[2]，但由于該處蒸汽的能級較高，減溫減壓過程的損失較大。

方案三：采用壓力匹配器供熱。利用壓力匹配器合理組合高壓蒸汽和低壓蒸汽，也可達到供熱參數和流量的要求[3]，但壓力匹配器的選用費用較高。對高壓汽源和低壓汽源點進行可行性綜合分析后，可以選取再熱冷段抽汽作為驅動蒸汽，中壓缸排汽作為引射蒸汽。

2 改造方案對比與分析

2.1 “以熱定電”的方案設計

機組采用“以熱定電”的方式進行改造設計，要求改造后的供汽量能夠滿足園區熱需求。在確保機組運行安全的基礎上，結合客觀條件、工程投資額度及改造難易度等情況，對上述3個方案進行了對比分析。

以機組100%和75%額定負荷工況的設計蒸汽參數為基礎，在100 t/h供熱抽汽流量條件下對機組工作情況進行熱力學分析計算，3個改造方案之間的差別如表1所示。

表1 供熱改造方案的熱力計算數據

由表1可以看出，在供熱量保持100 t/h不變的條件下，機組低負荷時的熱化發電比增加，各方案的燃料利用系數均有增加。在方案三中的兩股抽汽流均屬于熱電聯產，由于引用了低壓蒸汽供熱，因而具有最高的燃料利用系數。但是，壓力匹配器的運行會受到蒸汽負荷參數的變化影響，當機組負荷降低時將影響壓力匹配器正常工作。方案一和方案二能在變負荷運行過程中，保持供熱量相對穩定，供熱可靠性好，但是由于采用高品質蒸汽供熱，系統的燃料利用系數不高。尤其是方案二，供熱蒸汽在再熱器中吸收的熱量僅用于供熱而未發電，對高品位的能量沒有分級利用，所以該方案的燃料利用系數最低。

由表1數據可以看出，若機組核準采取“以熱定電”的運行方式，則在不超過汽輪機最大進汽量、保證低壓缸最小通流量、滿足汽輪機安全運行的條件下，采用各個供熱改造設計方案都可以最大限度地滿足園區熱負荷需求。

2.2 “保電供熱”對供熱能力的影響

無論采取何種抽汽供熱方式，100 t/h抽汽供熱所形成的熱電比都沒有達到國家對供熱機組所規定的比例，因此電網對完成供熱改造的機組在運行調度時并不按“以熱定電”方式進行負荷分配，使得此類機組在運行時需同時滿足發電和供熱兩方面的要求，這就是“保電供熱”的原由。

發電機組日常接受電網的負荷調度，當電網要求的機組負荷偏離額定負荷較遠時，可以滿足發電與供熱兩者的要求；但接近額定電負荷要求時，二者并不能同時滿足，為此需要確定運行中發電和供熱相互約束的極限條件。

基于汽輪機最大連續出力工況（TMCR）的進汽量，針對發電機額定發電功率及最大供熱負荷這兩種特殊工況，進行計算分析，分別確定以發電機額定負荷為條件的供熱蒸汽量和以100 t/h最大供汽量為條件的發電功率，有關計算結果如表2所示。

表2 基于TMCR工況進汽量下的抽汽供熱能力計算數據

表2中的計算數據表明，機組處于“保電供熱”時，為了滿足機組帶額定發電功率的電網負荷調度要求，單臺機組的供熱蒸汽量始終達不到100 t/h的最大需求值；若需滿足100 t/h最大抽汽供熱量時，發電功率只能達到額定狀態的90%～93.3%，即必須縮小電負荷調整范圍。在確保發電機額定負荷的前提下，方案二中由于減溫水量的使用量較大，使供汽量增加，造成燃料利用系數的提升。在確保最大供熱負荷的前提下，方案三中由于引入了低壓蒸汽供熱，機組發電功率大，燃料利用系數高，因此采用此方案改造的機組擁有相對較為寬裕的發電功率調節范圍。

2.3 應急供熱改造措施

根據發電廠的設備配置實際情況，鍋爐的最大連續蒸發量為1 004 t/h，汽輪機最大連續出力工況的進汽量為980 t/h，因此鍋爐滿足汽輪機用汽量時依然存在富裕量（24 t/h），可以考慮對新蒸汽減溫減壓以補充對外供汽不足。此時考慮減溫水量后，可增加供熱蒸汽28.44 t/h。采取鍋爐產出的主蒸汽經減溫減壓器直接供熱的應急供熱改造措施后，各方案在確保額定發電功率時均可增加供汽負荷調節范圍：方案一可達到46.47%的最大供汽負荷，方案二可達到56.3%的最大供汽負荷，而方案三可達到50.94%的最大供汽負荷。

3 多臺機組的供熱分配方案

經過以上的分析，為了在確保發電需求的條件下滿足對外供汽的總量要求，需要對機組間的負荷進行優化分配。以表2中額定發電功率下供熱量最大的方案二為例，分析4臺機組改造的效果。以平均供電負荷系數（以對外供電總負荷改造后與改造前相比表示，%）來度量多臺供熱改造機組的綜合“保電供熱”能力。

（1）全廠供汽量為100 t/h時，1臺機組處于最大的供汽量狀態，3臺可保持純凝汽式運行，4臺機組的平均供電負荷系數可達97.24%。

（2）當供汽量達到150 t/h時，1臺機組處于最大的供汽量狀態，2臺機組采取“保電供熱”運行要求來補充供汽差額，1臺機組處于凝汽運行工況，平均負荷率可達94.96%。

（3）供汽量達到200 t/h時，2臺機組處于最大的供汽量狀態，2臺機組處于凝汽運行工況，平均負荷率為94.06%。

（4）當全廠供汽量為300 t/h時，3臺機組處于最大的供汽量狀態，1臺可保持純凝汽式運行，平均負荷率為90.87%。

（5）全廠供汽量為400 t/h時，4臺機組均處于供熱狀態，平均負荷率仍可達到87.69%。

考慮到當前純凝汽式機組的年平均負荷率低于85%，則供熱改造后機組能夠滿足全廠供電負荷的正常要求。由此可見，結合改造后的供熱方案，對多臺機組進行廠內供電負荷和供熱負荷的重新分配有助于增強全廠的綜合“保電供熱”能力。

4 結論

（1）供熱改造設計時，“以熱定電”是設計的基本原則，但針對機組運行中“保電供熱”的需要，電功率變動與供熱抽汽量相互約束的特殊性需要在改造方案論證階段引起特別關注。

（2）機組采取“保電供熱”運行方式下，為了滿足電網的負荷需求而讓機組帶較高的負荷時，單臺機組的供熱能力無法滿足100 t/h的供熱需求，因此必須考慮對2臺或2臺以上機組進行供熱改造以便更好解決熱用戶的最大用汽需求。

（3）在多臺機組完成供熱改造后，通過機組間熱電負荷的合理分配，可以減少供熱負荷對供電負荷的制約影響。

（4）鑒于該型機組的鍋爐容量大于汽輪機最大連續出力蒸汽通流量的設備配置情況，可采取鍋爐產出的主蒸汽經減溫減壓器直接供熱作為供汽量不足時的應急補充措施。

[1]錢瑾，王培紅，曹祖慶.中間再熱機組再熱前后抽汽供熱方案研究[J].華東電力，2010，38（1）:118-122.

[2]許琦，馬駿馳.國產300 MW機組高再抽汽供熱改造[J].華東電力,2008，36（6）:102-103.

[3]王汝武.壓力匹配器在大型凝汽機組改造成供熱機組中的應用[J].節能，2009（6）:35-36.