350MW超臨界燃煤供熱機(jī)組凝抽背（NCB）裝機(jī)方案及經(jīng)濟(jì)性分析

鄭立文

[摘要]凝抽備（NCB）技術(shù)在燃?xì)夤釞C(jī)組上已經(jīng)得到應(yīng)用，350MW超臨界燃煤供熱機(jī)組采用NCB技術(shù)可大大提高對外供熱能力，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。本文對2×350MW超臨界燃煤機(jī)組采用NCB裝機(jī)方案的可行性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。

[關(guān)鍵詞]NCB 裝機(jī) 方案 分析

[中圖分類號]U223 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1672-5158（2013）06-0220-03

1 前言

隨著國家節(jié)能降耗產(chǎn)業(yè)政策不斷深化，為降低冷源損失，增大供熱機(jī)組的供熱能力，國內(nèi)采用的新技術(shù)有熱泵、雙轉(zhuǎn)子、NCB（凝抽背）等。350MW超臨界供熱機(jī)組采用NCB機(jī)型技術(shù)可有效增加對外供熱能力，技術(shù)可行，安全可靠，指標(biāo)優(yōu)良，可有效增大供熱能力，具有耗煤及污染物排放量低等明顯優(yōu)勢，符合國家節(jié)能環(huán)保政策，具有良好的節(jié)能和環(huán)保減排效益。

2 裝機(jī)方案

2.1 2×350MW超臨界凝抽背供熱機(jī)組（NCB機(jī)型）本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案選擇

以常規(guī)350MW超臨界汽輪機(jī)為母型，將低壓缸軸端通過3s離合器與發(fā)電機(jī)（或高中壓缸）連接，使低壓缸可在線解列和并列：

采暖季低壓缸通過3S離合器與發(fā)電機(jī)（或高中壓缸）脫開，中壓缸排汽蝶閥關(guān)閉，低壓缸解列，汽輪機(jī)背壓運(yùn)行，單臺汽輪機(jī)最大排汽量不小于730t/h，最大供熱出力可達(dá)780t/h。

當(dāng)采暖抽汽量小于550t/h的情況下，在運(yùn)行狀態(tài)下將低壓缸通過3S離合器與發(fā)電機(jī)（或高中壓缸）軸端連接，部分開啟中壓缸排汽蝶閥，汽輪機(jī)變?yōu)槌槠⒛\(yùn)行，且采暖抽汽可通過中壓缸排汽蝶閥調(diào)節(jié)。

非采曖工況下，將低壓缸通過3S離合器與發(fā)電機(jī)（或高中壓缸）軸端連接，全部開啟中壓缸排汽蝶閥，汽輪機(jī)純凝運(yùn)行。

機(jī)組采用SSS離合器的結(jié)構(gòu)布置方案后，低壓缸可以停運(yùn)，能量損失少，運(yùn)行方式靈活。熱力系統(tǒng)較常規(guī)機(jī)組復(fù)雜，投資略增。

2.2 機(jī)組布置方案

常規(guī)300MW級汽輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)布置在低壓缸外側(cè)，一旦低壓缸故障，則發(fā)電機(jī)就要停機(jī)。本方案要求機(jī)組背壓運(yùn)行時(shí)，低壓缸解列，則發(fā)電機(jī)有兩種布置方案：

2.2.1 布置在汽輪機(jī)機(jī)頭側(cè)

發(fā)電機(jī)布置在汽輪機(jī)機(jī)頭側(cè)的優(yōu)點(diǎn)是：發(fā)電機(jī)便于檢修抽轉(zhuǎn)子。

這種布置方式的缺點(diǎn)是：由于發(fā)電機(jī)位于機(jī)頭側(cè)，汽輪機(jī)機(jī)頭側(cè)的管道，如主蒸汽管、高溫再熱蒸汽管、套裝油管、軸封供汽管、軸封漏汽管、抽汽管道等要鉆到發(fā)電機(jī)基座下方布置，而發(fā)電機(jī)下方需布置主封母、發(fā)電機(jī)定子冷卻水管、發(fā)電機(jī)氫冷器冷卻水管和發(fā)電機(jī)本體潤滑油管等，已占用基座下方大部分空間，機(jī)頭前管道布置將非常緊張。

2.2.2 布置在高中壓缸和低壓缸之間

這種布置方式可以避免機(jī)頭側(cè)管道布置與發(fā)電機(jī)下方封母布置沖突的問題，汽輪機(jī)機(jī)頭側(cè)的管道布置與常規(guī)機(jī)組相同，主廠房布置的難度降低。

將發(fā)電機(jī)放到高中壓缸和低壓缸之間，發(fā)電機(jī)無法抽轉(zhuǎn)子，檢修時(shí)需考慮由兩臺行車一起抬吊發(fā)電機(jī)。單臺汽機(jī)房行車最大起重量將從按80t增大至約150t，造價(jià)大幅提高。

本方案暫采取發(fā)電機(jī)布置在機(jī)頭側(cè)的方案進(jìn)行布置。

3 SSS離合器的基本工作原理

3S（“Synchro-Self-Shifting”的首字母）離合器是一種單向傳遞扭矩的裝置，當(dāng)離合器的主動、從動齒輪轉(zhuǎn)速完全相等時(shí)兩者相位同步、自動軸向移動而嚙合。而一旦輸入轉(zhuǎn)速低于輸出轉(zhuǎn)速時(shí)離合器脫開。3s離合器的基本工作原理可比擬為螺母擰在螺栓上。如果螺栓轉(zhuǎn)動時(shí)螺母是自由的，則螺母將隨螺栓一同轉(zhuǎn)動，如果螺母受限制而螺栓繼續(xù)轉(zhuǎn)動，則螺母將沿螺栓作直線運(yùn)動（圖1）。

4 相關(guān)主要系統(tǒng)變化情況

4.1 主蒸汽系統(tǒng)

按汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)容量不低于40%BMCR。而當(dāng)?shù)蛪焊捉饬?，機(jī)組背壓運(yùn)行時(shí)，處于備用狀態(tài)的汽輪機(jī)低壓缸可能無法承受旁路排汽熱負(fù)荷。因此，現(xiàn)階段控制系統(tǒng)暫按低壓旁路閥在汽輪機(jī)背壓運(yùn)行時(shí)不連鎖開啟，且過熱器和再熱器的安全閥容量應(yīng)按100%BMCR考慮，以滿足機(jī)組超壓排放的要求。

4.2 抽汽系統(tǒng)

汽輪機(jī)純凝運(yùn)行或抽汽凝汽運(yùn)行工況下，抽汽系統(tǒng)配置及運(yùn)行方式與常規(guī)機(jī)組無異。汽輪機(jī)純背壓運(yùn)行工況下，低壓缸解列，相應(yīng)的6號和7號低加也要解列。

背壓工況下，由于熱井出口的凝結(jié)水含氧量無法保證，且未經(jīng)6、7號低加加熱，高壓除氧器的進(jìn)汽量需要加大，約為常規(guī)設(shè)計(jì)的兩倍。四段抽汽管道規(guī)格由常規(guī)DN350加大到DN500，相應(yīng)閥門的口徑均需增大。

4.3 凝結(jié)水系統(tǒng)

純凝工況或抽凝工況下，排汽裝置對凝結(jié)水有預(yù)除氧的功能，熱井出口凝結(jié)水含氧量小于30 μg/L；機(jī)組背壓運(yùn)行工況下，凝結(jié)水（包括熱網(wǎng)加熱器疏水、高加事故疏水、經(jīng)常疏水、啟停疏水、系統(tǒng)補(bǔ)水及減溫水）在排汽裝置中除氧效果差，含氧量在50～100μg/L。除氧器的容量、噴嘴數(shù)量和進(jìn)入除氧器的蒸汽量均需增加。

4.4 供熱系統(tǒng)

由于采暖抽汽量加大，采暖抽汽口及抽汽管道規(guī)格由常規(guī)機(jī)組的2×DNl000增大為2×DN1200，相應(yīng)閥門的口徑均需增大。

熱網(wǎng)首站的設(shè)備和管道容量由于采暖供熱量加大均需加大，包括：熱網(wǎng)加熱器換熱面積增大40%；熱網(wǎng)疏水泵流量增大25%；熱網(wǎng)循環(huán)泵流量增大25%；熱網(wǎng)系統(tǒng)管道及附件規(guī)格增大，管道總重增加約40%。

熱網(wǎng)加熱器的疏水可經(jīng)熱網(wǎng)循環(huán)水或凝結(jié)水冷卻至80～120℃后，進(jìn)入排汽裝置，一方面疏水全部進(jìn)入凝結(jié)水精處理裝置，保證鍋爐有足夠水質(zhì)合格的補(bǔ)給水，同時(shí)回收部分熱量；另一方面可以使空冷島有足夠的熱負(fù)荷滿足防凍要求。

采暖抽汽管道上應(yīng)設(shè)100%容量的安全閥，并設(shè)置100%容量的旁路管道。當(dāng)背壓運(yùn)行下故障停機(jī)或熱網(wǎng)系統(tǒng)故障，快速開啟采暖抽汽旁路閥，對空排汽。

5 工況變化情況

5.1 背壓工況切換至抽凝工況

由于低壓缸處于備用狀態(tài)，溫度較低，需采用輔助蒸汽對低壓缸進(jìn)行沖轉(zhuǎn)、暖機(jī)，輔助蒸汽參數(shù)：壓力0.15～0.2MPa（a），溫度～200℃，流量～50t/h：

當(dāng)滿足低壓轉(zhuǎn)子暖機(jī)時(shí)間后，開啟低壓啟動閥門，采用中壓排汽使低壓缸升速至3000r/min，3s聯(lián)軸器嚙合并鎖定；

逐步開啟中低壓連通管閥門，關(guān)閉低壓啟動閥門，之后汽輪機(jī)切換為抽凝工況運(yùn)行。

5.2 汽輪機(jī)背壓運(yùn)行停機(jī)后啟動

汽輪機(jī)背壓運(yùn)行故障停機(jī)后，需要重新啟動時(shí)，必須將3s聯(lián)軸器鎖定，高中低壓缸以純凝啟動，達(dá)到一定負(fù)荷后再向抽凝或背壓切換。根據(jù)停機(jī)時(shí)間的長短，汽輪機(jī)高中壓缸和低壓缸可能會處于不同的狀態(tài)，高中低均為冷態(tài)時(shí)，啟動過程與正常啟動相同；高中壓熱態(tài)、低壓冷態(tài)時(shí)，啟動過程如下：

投入低壓盤車，使3s聯(lián)軸器嚙合并鎖定；

先通過輔助蒸汽對低壓缸進(jìn)行低速暖機(jī)，高中壓暫時(shí)不進(jìn)汽，由于3S聯(lián)軸器鎖定，高中壓缸將跟隨低壓缸空轉(zhuǎn)，高排通風(fēng)閥及中排通風(fēng)閥保持開啟，防止高排、中排超溫；

當(dāng)滿足低壓轉(zhuǎn)子暖機(jī)時(shí)間后，高中壓缸開始進(jìn)汽，按熱態(tài)純凝方式啟動。

5.3 供熱能力

該方案供熱能力可承擔(dān)2000萬m²的采暖供熱面積。

5.4 發(fā)電能力

與常規(guī)同等級超臨界機(jī)組相當(dāng)。

6350Mw超臨界供熱機(jī)組采用NCB機(jī)型的可行性與可靠性

6.1 機(jī)組技術(shù)可靠性分析

6.1.1 NCB機(jī)型技術(shù)可靠，運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)日趨成熟

該技術(shù)來源于燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，目的為了增加供熱能力和提高項(xiàng)目盈利能力，目前國內(nèi)各大主機(jī)廠已在起步實(shí)施階段。經(jīng)調(diào)研，華能北京高碑店熱電廠的二期擴(kuò)建的燃?xì)鈾C(jī)組首次采用NCB方案，目前項(xiàng)目在建設(shè)中，計(jì)劃今年投運(yùn)。350MW超臨界供熱機(jī)組是在300MW亞臨界供熱機(jī)組的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，技術(shù)上是成熟的。其供熱可靠性是有保證的，且電廠建設(shè)、安裝、運(yùn)行和檢修均有成熟經(jīng)驗(yàn)，其安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是有把握的。

帶3S離合器的凝背式超臨界汽輪機(jī)在火電機(jī)組已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，國內(nèi)三大主機(jī)廠在設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)行方面正逐步成熟，該選型方案設(shè)計(jì)思想先進(jìn)，技術(shù)成熟，符合國家節(jié)能環(huán)保的能源政策，在熱負(fù)荷大且穩(wěn)定的情況下可為企業(yè)帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景預(yù)期良好。

6.1.2 采用NCB技術(shù)運(yùn)行方式靈活

由于3S離合器的切換，實(shí)現(xiàn)了可凝可背，給機(jī)組的運(yùn)行方式帶來了較大的靈活性，并相應(yīng)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，為下一步探討整機(jī)優(yōu)化、輔機(jī)運(yùn)行方式優(yōu)化等各種可行性方案提供了可能。

6.2 方案風(fēng)險(xiǎn)因素及應(yīng)對措施

6.2.1 NCB技術(shù)目前在超臨界燃煤機(jī)組上應(yīng)用業(yè)績較少，正處于產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造階段，但還沒有實(shí)際投運(yùn)，可靠性有待防范。

防范措施：在設(shè)計(jì)、制造、監(jiān)造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行組織等各個(gè)環(huán)節(jié)加強(qiáng)管理和控制，在安全、質(zhì)量、指標(biāo)等方面做到可控、在控。加強(qiáng)重要設(shè)備、重點(diǎn)環(huán)節(jié)監(jiān)督；嚴(yán)格控制安裝及調(diào)試質(zhì)量，保證落實(shí)各項(xiàng)設(shè)計(jì)意圖和設(shè)計(jì)指標(biāo)；借鑒已經(jīng)投運(yùn)的燃機(jī)NCB的成熟運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提高設(shè)備管理水平和可靠性。

6.2.2 采用NCB技術(shù)增大了供熱能力，只有在供熱負(fù)荷有保證的前提下才能保證機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對：保證足額、穩(wěn)定的熱負(fù)荷是確保NCB方案安全經(jīng)濟(jì)的前提。這樣一可真正實(shí)現(xiàn)NCB方案的經(jīng)濟(jì)性，二可降低機(jī)組在背壓運(yùn)行工況和抽凝工況間切換的頻率，從而降低對汽輪機(jī)、低壓缸、凝汽器及相關(guān)動力管道承受短時(shí)的熱沖擊的風(fēng)險(xiǎn)，并相應(yīng)提高3s離合器自身壽命。

6.2.3 NCB技術(shù)應(yīng)用3S聯(lián)軸器軸系相應(yīng)加長，對機(jī)組的安全運(yùn)行存在潛在影響。

軸系穩(wěn)定性：NCB技術(shù)應(yīng)用3S聯(lián)軸器相應(yīng)機(jī)組軸系加長2米，經(jīng)咨詢，目前三大主機(jī)廠通過增加輕載軸承的方式可以保證整個(gè)軸系的穩(wěn)定性。因此，軸系穩(wěn)定性是有技術(shù)支撐的。

7 凝抽背（NCB）裝機(jī)方案經(jīng)濟(jì)性分析

7.1 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較優(yōu)

從（表1）可以看出，在采用超臨界機(jī)組+3S離合器方案后，機(jī)組的平均供熱標(biāo)煤耗率比常規(guī)超臨界350MW機(jī)組方案要減少1.63 kg/GJ，按可研一個(gè)采暖季546萬GJ/a計(jì)算，每年采暖期間可以節(jié)約供熱標(biāo)煤8150噸（兩臺機(jī)組），按目前市場上每噸標(biāo)煤價(jià)885元計(jì)算，每年可以節(jié)約成本721萬元。

此外根據(jù)上表可以看出，機(jī)組的年平均全廠熱效率提高約10%，機(jī)組的熱效率優(yōu)于現(xiàn)有的純凝超超臨界百萬機(jī)組（平均熱效率約為45%），其熱經(jīng)濟(jì)性較好。其發(fā)電煤耗比常規(guī)350MW超臨界機(jī)組減少約14g/K.wh，提高了項(xiàng)目的盈利水平。

7.2 投資變化情況

NCB方案在熱負(fù)荷變化較大時(shí)，需要在背壓運(yùn)行工況和抽凝工況間切換，因此，需在軸系間加裝3S聯(lián)軸器，而加裝3S聯(lián)軸器使得軸系增加2米左右，兩臺機(jī)組可使主廠房總長度增加4米左右。單獨(dú)3S聯(lián)軸器增加費(fèi)用約1500萬元/臺。因熱力系統(tǒng)變化、土建引起的費(fèi)用變化估算費(fèi)用800-1000萬元/臺，總造價(jià)約計(jì)增加4000萬元（兩臺機(jī)）。但項(xiàng)目資本金內(nèi)部收益率可大幅提高，項(xiàng)目盈利能力可大大增強(qiáng)，在供熱價(jià)格有望上漲的情況下，投資可很快收回。

8 結(jié)束語

NCB機(jī)型方案可大大提高對外供熱能力，符合國家節(jié)能環(huán)保的能源政策，有利于企業(yè)在當(dāng)前煤價(jià)高企的條件下提高盈利能力。

常規(guī)350MW燃煤超臨界機(jī)組采用凝抽背（NCB）裝機(jī)方案，雖會增加一定的初投資，但其技術(shù)成熟可行，安全可靠，指標(biāo)優(yōu)良，大大增加了供熱能力，可很快收回投資，在供熱負(fù)荷有保證的前提下，值得大力推廣。

NCB機(jī)型的經(jīng)濟(jì)性建立在足額、穩(wěn)定的熱負(fù)荷上，也就是供熱負(fù)荷至少在600噸以上才能體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性，因此，確?；竟嶝?fù)荷是選擇NCB的關(guān)鍵。

350MW超臨界燃煤熱電NCB機(jī)型方案還沒有應(yīng)用業(yè)績，下一步需要對各種運(yùn)行方式下軸系系統(tǒng)、通流部分、調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)真研究，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備、管道布置方案，合理選擇控制系統(tǒng)和小機(jī)背壓值，確保機(jī)組安全可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)（References）

[1]雕吉義SSS離合器及其在燃?xì)廨啓C(jī)上的應(yīng)用《燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)》，1997年，第3期，32-35

[2]哈爾濱汽輪機(jī)廠有限公司《哈汽公司NCB供熱機(jī)組介紹》