F級聯(lián)合循環(huán)機組供熱方案研究

張濤

摘要：截至2014年底，全國電力裝機容量約13.6億kW，其中火電裝機容量為9.2億kW。在火電裝機容量9.2億kW中，燃機裝機容量約5567萬kW，這其中又有相當一部分機組在我國北方城市，兼具著居民采暖供熱的社會義務(wù)。文章充分吸收借鑒國內(nèi)采暖供熱煤電機組和聯(lián)合循環(huán)采暖供熱機組的成熟設(shè)計經(jīng)驗和運行反饋經(jīng)驗，提出了F級聯(lián)合循環(huán)機組的幾種供熱方案。

關(guān)鍵詞：F級；聯(lián)合循環(huán)機組；供熱方案；熱電聯(lián)產(chǎn) 文獻標識碼：A

中圖分類號：U664 文章編號：1009-2374（2015）21-0067-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.21.034

1 熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀

熱電聯(lián)產(chǎn)是熱能和電能聯(lián)合生產(chǎn)的一種高效能源生產(chǎn)方式，目前我國熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)模位居世界前列，自20世紀80年代后先后出臺了一系列的熱電聯(lián)產(chǎn)的相關(guān)政策，積極推動熱電聯(lián)產(chǎn)的發(fā)展。最近幾年在國家實施上大壓小及節(jié)能減排政策的影響下，主要發(fā)展大型熱電聯(lián)產(chǎn)供熱機組，裝機容量一般在300MW級及以上，可以更好的提高機組效率，降低冷源損失，節(jié)約燃料，減少污染物排放量，改善生活環(huán)境。

目前現(xiàn)有以下四種熱電供熱技術(shù)：

1.1 抽汽供熱技術(shù)

目前熱電聯(lián)產(chǎn)供熱機組多數(shù)采用抽汽供熱，即將在汽輪機內(nèi)做過功的蒸汽抽出對外供熱，降低冷源損失，提高機組效率。但由于汽輪機低壓缸在高速轉(zhuǎn)動過程中需要有最低的冷卻流量，因此并不能完全將所有蒸汽抽出，仍有部分冷源損失。

1.2 吸收式供熱技術(shù)

2007年清華大學率先提出了“基于吸收式循環(huán)的新型熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術(shù)”，通過吸收式換熱機組、大溫差等技術(shù)，可增大一次網(wǎng)的溫差，增大熱網(wǎng)輸配能力，進一步降低冷源損失，提高熱電廠的熱效率。

1.3 高背壓供熱技術(shù)

高背壓供熱技術(shù)，也即低真空供熱技術(shù)，是近年為適應(yīng)北方采暖供熱而出現(xiàn)的改造型技術(shù)，大都是由純凝或抽凝式機組經(jīng)改造而成。該技術(shù)最早于20世紀80年代出現(xiàn)在我國東北地區(qū)，而后逐步發(fā)展到華北地區(qū)。迄今為止，國內(nèi)在低真空供熱改造方面包括汽輪機本體、凝汽器和系統(tǒng)的改造設(shè)計及工程實施等都積累了豐富的經(jīng)驗。采用低壓缸雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換改造方案、消除冷源損失，增大供熱能力，提高熱電廠的熱效率。

高背壓供熱技術(shù)具有投資較低，供熱量大，熱效率高等優(yōu)勢，是未來大型熱電聯(lián)產(chǎn)機組的重要發(fā)展方向。

1.4 背壓供熱技術(shù)

背壓供熱技術(shù)是近年來以聯(lián)合循環(huán)機組為基礎(chǔ)興起的供熱技術(shù)。通過在汽輪機中、低壓缸之間設(shè)置SSS自動同步離合器，形成NCB（抽凝背）機組，可以在純凝、抽凝、背壓三種不同狀態(tài)下運行。機組可根據(jù)熱負荷的情況靈活切換運行方式，其熱負荷和電負荷適應(yīng)性都很強。

2 F級聯(lián)合循環(huán)機組供熱方案的研究

2.1 聯(lián)合循環(huán)供熱機組配置方案

單軸方案：即燃氣輪機、發(fā)電機和汽輪機三大主機均連接在一根軸系上。此方案必須協(xié)調(diào)三大主機轉(zhuǎn)子的彎曲振動和扭振特性，使得軸系的動態(tài)特性要求高，對差脹、推力瓦設(shè)計及潤滑油系統(tǒng)設(shè)計等方面都比較高，需要技術(shù)支持方協(xié)調(diào)，因此單軸方案除燃機進口外還需引進國外技術(shù)在國內(nèi)生產(chǎn)配套的汽輪機和發(fā)電機，國產(chǎn)化程度不高，設(shè)備的初投資高，且單軸機組目前沒有供熱運行的業(yè)績。

多軸方案：即聯(lián)合循環(huán)分軸布置，設(shè)燃氣輪機發(fā)電機組及汽輪機發(fā)電機組。多軸方案規(guī)避了單軸方案需要整體保證性能的風險，采用國產(chǎn)余熱鍋爐、汽輪機和汽輪發(fā)電機，設(shè)備初投資低。

對于供熱機組，一般采用多軸方案，即設(shè)燃氣輪機發(fā)電機組及汽輪機發(fā)電機組。

2.2 聯(lián)合循環(huán)機組供熱方案優(yōu)化

2.2.1 熱網(wǎng)加熱器加熱蒸汽參數(shù)優(yōu)化。目前集中供熱一般是在電廠內(nèi)設(shè)置一級換熱站，廠外設(shè)置二級換熱站。用中壓缸排汽加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，一次熱網(wǎng)的供回水溫度一般為130℃/70℃。

一般機組的中壓缸排汽的壓力在0.4～0.5MPa.a之間，對應(yīng)的飽和溫度在143℃～152℃之間，用此蒸汽將一次熱網(wǎng)的回水由70℃加熱至130℃，熱網(wǎng)加熱器的端差較大，經(jīng)濟性較差。若進一步降低中壓缸排汽參數(shù)至0.3MPa.a，其飽和溫度為134℃，用此蒸汽將一次熱網(wǎng)的回水由70℃加熱至130℃，熱網(wǎng)加熱器的端差在考慮蒸汽過熱段換熱的影響和蒸汽壓降后仍能超過5℃，經(jīng)濟性較高。同時蒸汽在中壓缸做功，增加發(fā)電量。

以東方電氣集團M701F4型燃機為例，對0.5MPa和0.3MPa兩種中壓缸排汽參數(shù)進行熱平衡計算，分析對比經(jīng)濟指標。熱平衡計算采用抽凝工況（設(shè)計熱負荷200MW/臺機組）和全背壓工況兩種工況分別進行。從表1中可以看出，采用0.3MPa的中排壓力，機組的熱效率更高，經(jīng)濟性更好，但機組的最大供熱能力略有降低。因此，推薦汽輪機的中低壓缸分缸壓力采用0.3MPa。

2.2.2 煙氣余熱利用方案優(yōu)化。

（1）余熱利用方案簡介。排煙熱損失是鍋爐各項熱損失中最大的一項，影響排煙熱損失的主要因素是排煙溫度，一般情況下，排煙溫度每增加10℃，排煙熱損失增加0.6%～1.0%。因此，降低排煙溫度對于節(jié)約燃料、降低污染具有重要的實際意義。

對于熱電聯(lián)產(chǎn)機組的余熱鍋爐，由于其給水溫度變化較大，尾部受熱面優(yōu)化是保證機組高效運行的關(guān)鍵。在采暖供熱工況時，進入余熱鍋爐的熱網(wǎng)加熱器的疏水溫度較高，排煙溫度會相應(yīng)提高，因此余熱鍋爐尾部還有很大的煙氣余熱利用空間。如果充分利用尾部煙氣余熱加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，則可以回收煙氣余熱，提高采暖供熱能力。

為了盡可能利用尾部煙氣余熱，進一步降低排煙溫度，采用了以下兩種煙氣余熱利用方案：

方案一：采用內(nèi)置熱網(wǎng)加熱器，利用煙氣加熱熱網(wǎng)循環(huán)水。

方案二：采用擴大低壓省煤器，抽取高溫凝結(jié)水加熱熱網(wǎng)循環(huán)水。

（2）余熱利用方案比較。在供熱期初期，機組抽凝運行，給水由凝結(jié)水及熱網(wǎng)加熱器疏水組成，給水溫度介于25℃～80℃之間；當供熱需求較大時，機組背壓運行，給水由熱網(wǎng)加熱器疏水組成，溫度高達80℃。

圖5為純凝運行工況，給水溫度較低，凝結(jié)水加熱器受熱面全部投運即可達到設(shè)計的排煙溫度，熱網(wǎng)加熱器處于干燒狀態(tài)。圖6為機組抽凝/背壓運行工況，由于給水溫度較高，凝結(jié)水加熱器只能部分投運，部分處于干燒狀態(tài)，否則凝結(jié)水加熱器出口將有汽化現(xiàn)象，影響機組的安全運行，同時投運熱網(wǎng)加熱器以降低排煙溫度。

優(yōu)化后一體化方案可有效提高供熱品質(zhì)，且更便于利用，可提供150℃以上的熱網(wǎng)水，而傳統(tǒng)方案只能提供130℃左右的熱網(wǎng)水。在部分負荷時，優(yōu)化方案仍可提供140℃以上的熱網(wǎng)水。而且可根據(jù)不同的供熱需求，靈活調(diào)節(jié)供熱品質(zhì)和供熱量。

低壓省煤器與熱網(wǎng)加熱器合并設(shè)置，可避免非供暖期熱網(wǎng)加熱器干燒問題，有利于余熱鍋爐安全運行。

為了增加余熱利用供熱量，采取的措施為增加鍋爐供熱水量，但增加供熱水量的同時會造成凝結(jié)水再循環(huán)泵的出力增加及低壓主蒸汽產(chǎn)汽量的減少。在采用余熱鍋爐供熱時，高壓主蒸汽、中壓主蒸汽的流量及參數(shù)并不受余熱鍋爐抽取熱水的量的影響，因此對機組的發(fā)電功率幾乎沒有影響。

技術(shù)經(jīng)濟比較：兩種方案的技術(shù)經(jīng)濟對比見表2。

由表2可以看出，方案一初投資較高，且由于尾部煙氣換熱器水質(zhì)較差，存在由于受熱面腐蝕的潛在危險；尤其是在非采暖季，煙氣換熱器需在干燒狀態(tài)下運行；方案二雖增加了換熱面積，造成阻力增加，但影響較小，同時增加的運行成本也較低，經(jīng)濟性更好，更加安全可靠。

3 結(jié)語

通過以上經(jīng)濟技術(shù)比較，F(xiàn)級聯(lián)合循環(huán)供熱機組的推薦供熱方案有以下關(guān)鍵因素：

（1）機組多軸布置。根據(jù)熱負荷的情況，在汽輪機中、低壓缸之間設(shè)置SSS離合器，增強機組的靈活性及供熱能力。

（2）汽輪機中低壓分缸壓力設(shè)為0.3MPa.a，降低熱網(wǎng)加熱器加熱蒸汽參數(shù)，提高機組的熱效率及經(jīng)

濟性。

（3）余熱鍋爐設(shè)置擴大低壓省煤器及外置水水換熱器，降低余熱鍋爐排煙溫度，提高機組熱效率及經(jīng)濟性，運行靈活，安全可靠。

（責任編輯：秦遜玉）