調整抽汽式機組高背壓供熱技術經濟性分析

毛 楠

（長春工程學院能源動力工程學院，長春130012）

調整抽汽式機組高背壓供熱技術經濟性分析

毛 楠

（長春工程學院能源動力工程學院，長春130012）

近些年來，熱電聯產在城市集中供熱的方式中所占比例逐漸增長，為了進一步提高熱電聯產機組在冬季供暖期間的經濟性，提高供熱機組的供熱能力，加強節能減排效果，在現有熱電聯產機組裝機容量基礎上，對汽輪機進行供熱節能改造是供熱機組的發展趨勢，而高背壓循環水供熱則是利用汽輪機低壓缸供熱改造而發展的一項節能環保技術，可使燃料利用率達90%以上。通過已經改造機組的運行情況看，高背壓供熱工況下機組具有較好的熱效率、發電煤耗等。通過理論計算分析，在不受供熱面積、供熱管徑等條件的限制下，對某廠兩臺300MW調整抽汽機組進行高背壓改造，改造后全廠的供熱能力可達到800MW，機組供熱能力和經濟性有較大的提升，為北方同類型機組提供借鑒意義。

集中供熱；高背壓改造；供熱能力；經濟效益

0 引言

隨著我國城鎮化的快速發展，建筑能耗已經占到社會總能耗的25．5%左右，而北方冬季采暖能耗又占了其中的40%左右，北方地區供熱主要采用熱電聯產集中供熱方式［1］。近年來，供熱負荷的需求量不斷加快，一些大中型城市供熱機組的供熱能力已達到飽和，發展小型燃煤鍋爐房會導致環境的嚴重污染，而新建大型熱源受資金、建設周期的限制，同時還要考慮環境污染等問題［2］。然而大容量、高參數的供熱機組低壓缸排汽的汽化潛熱目前沒有得到合理的回收利用，而是通過循環冷卻水系統直接排放到大氣中，產生冷源損失。據統計，這部分冷源損失可占燃料總發熱量的39%以上，如果把這部分余熱全部利用到供熱中去，將大大提高機組的循環熱效率和供熱能力。

高背壓循環水供熱機組是近年適應北方釆暖供熱而出現的改造型機組，大都是由凝汽式機組或調整抽汽式機組改造而成。從20世紀80年代起，沈陽發電廠、長春發電廠等供熱企業就開始了高背壓循環水供熱技術的嘗試，機組容量等級涵蓋6～50 MW，經過高背壓供熱改造后已運行多年，迄今為止機組運行情況穩定。20世紀90年代山東電力研究院在黃臺電廠1號機組率先開展高背壓循環水供熱的改造和應用。2013年華電青島電廠與哈爾濱汽輪機廠合作，首次在容量為300MW的機組上進行了高背壓循環水供熱改造，并取得了一些成功的經驗，為超高壓等級機組的高背壓循環水供熱改造進行了有益的探索。本文將介紹幾種集中供熱的方式，并對高背壓機組改造后的經濟效益進行分析。

1 集中供熱方式

熱電聯產機組是我國集中供熱的主要供熱方式，也是目前我國能源利用的有效方式，熱電聯產比熱電分產的燃料能耗節約1／3左右［3］。熱電聯產集中供熱有抽汽供熱、低真空供熱和循環水熱泵供熱，還有近幾年在中大型城市推廣與應用的高背壓循環水供熱等方式。

1．1 抽汽供熱

抽汽供熱是熱電聯產供熱中應用較為廣泛的供熱方式，抽汽供熱是指將做過功的一部分蒸汽從汽輪機中間抽出供給熱用戶，其余蒸汽繼續膨脹做功，最后排至凝汽器，相當于將背壓式汽輪機和凝汽式汽輪機并列運行，可同時滿足熱電兩種負荷的要求，抽汽供熱機組一般把調整抽汽作為加熱熱網回水的汽源。汽輪機抽汽供熱系統流程如圖1所示。

1．2 低真空供熱

低真空循環水供熱系統是在保持不超過設計的排汽壓力下，破壞真空度，將汽輪機的排汽溫度升高，將較高的循環水作為熱網的供熱媒質，直接供給熱用戶，從而節省了大量的供暖抽汽，但由于提高了排汽壓力也會使電功率減少。目前，對于中間再熱的供熱機組，從安全運行的角度看，不宜采用惡化真空供熱，低真空供熱只適合小型凝氣機組［4］。汽輪機低真空供熱系統流程如圖2所示。

圖1 抽汽供熱系統

圖2 低真空供熱系統

1．3 熱泵供熱

循環水熱泵技術是利用吸收式熱泵回收汽輪機排汽余熱，是以蒸汽和溴化鋰溶液作為工質，采用汽輪機低壓抽汽作為熱泵的低溫熱源，將低溫余熱提高品位進行供熱。當機組供熱能力達到飽和時，采用吸收式熱泵回收循環水余熱可有效增加機組對外供熱量，擴大供熱面積。循環水熱泵技術不但回收低品位的排汽余熱，減少電廠的冷源損失，提高機組循環熱效率，而且減少汽輪機的供熱抽汽量，增加機組的發電量，但更換溴化鋰溶液的成本較高。循環水熱泵供熱系統流程如圖3所示。

1．4 高背壓循環水供熱

高背壓循環水供熱改造是近年來適合北方地區的供熱機組，一般是由凝汽式機組和調整抽汽式機組改造而成。高背壓循環水供熱改造是將汽輪機低壓缸的排汽壓力升高，進而提高循環水出口溫度，熱網循環水經過凝汽器進行加熱，吸收汽輪機低壓缸排汽的汽化潛熱，使凝汽器成為供熱系統的基本加熱器，加熱后的循環水注入熱網，滿足采暖熱用戶的供熱需求。在供熱高峰期，可以利用本機或鄰機的熱網加熱器作為尖峰加熱器對熱網循環水進行二次加熱，將循環水溫加熱到供熱系統設計的供熱溫度值，向二次網供熱。該供熱技術是在不改變供熱機組的規模下，大大提高現有熱電聯產機組的供熱能力，節約汽輪機高位能蒸汽，符合能源的“溫度對口、梯級利用”原則。高背壓循環水供熱的能耗降低，節能效果較明顯。因此，高背壓循環水供熱技術是回收熱電廠汽輪機排汽余熱的先進供熱方式［5］。

圖3 熱泵循供熱系統

高背壓循環水供熱改造方案：冬季采暖供熱期間機組高背壓運行時，末級加熱器停止運行，并將原來的冷卻水塔和循環水泵等形成的循環水系統切換至新的“汽—水”交換系統，進入凝汽器的循環水量降至9 000～12 600t／h，凝汽器背壓由5．6kPa升至54kPa，低壓缸排汽溫度由35℃升至80℃左右，經凝汽器的首次加熱，熱網循環水溫度由50℃升至80℃，然后經過熱網循環泵升壓送入首站加熱器進一步加熱，供二次熱網。高背壓循環水供熱系統流程如圖4所示。

圖4 高背壓循環水供熱系統

由于汽輪機高背壓運行，導致汽輪機機組的焓降減少。通過理論計算汽輪機末兩級葉片將失去做功能力，產生嚴重的鼓風損失，使低壓缸的排汽溫度急劇增加，危及汽輪機的安全運行，故在冬季供熱期間需去掉末兩級葉片。為了滿足供暖期高背壓運行和非供暖期凝汽工況下運行的安全性和經濟性，改造后應重新設計加工一套新的轉子進行替換，即在冬季供暖期采用動靜葉片級數較少的低壓缸轉子（2× 4）運行（如圖5），非供暖期恢復原純凝工況運行（如圖6），實施“雙背壓雙轉子互換”循環水供熱方案。

圖5 低壓缸改造后純凝工況轉子示意圖

圖6 低壓缸改造后高背壓工況轉子示意圖

2 實例計算與分析

2．1 汽輪機發電機組

2．1．1 發電功率

式中：Pe為汽輪機發電功率，kW；D0為新蒸汽流量，kg／h；ΔHt為汽輪機理想比焓降，kJ／kg；ηm、ηg、ηri為汽輪機機械效率、發電機效率和內效率，%。

2．1．2 抽汽供熱

式中：Qg為抽汽供熱負荷，MW；Dgc為供熱抽汽量，kg／h；hgc、hs為供熱抽汽比焓和疏水比焓，kJ／kg。

2．1．3 循環水供熱

式中：Qc為循環水供熱負荷，MW；Dc為排汽量，kg／h； hc、hn為汽輪機排汽比焓、凝結水比焓，kJ／kg。

2．1．4 熱電廠的燃料利用率

式中：W為熱電廠的總發電量，（kW·h）／h；Qh為熱電廠的供熱量，kJ／h；Btp為熱電廠的煤耗量，kg／h；Qnet為標準煤的低位發熱量，kJ／kg。

2．2 改造前后供熱能力

某熱電廠汽輪機為上海汽輪機廠生產的C300—16．7／0．43／537／537型抽凝式汽輪機，回熱系統有八段抽汽，五段為調整抽汽，高中壓合缸，雙缸雙排汽，低壓缸的級數為2×6級，供熱期抽汽工況運行，非供熱期純凝工況運行，機組改造前后技術規范見表1。

表1 機組改造前后主要技術規范

對300MW供熱機組進行熱力計算可知，改造前的供熱能力為352MW左右，改造后無抽汽供熱可達約431MW，增加供熱負荷為131MW，機組改造后全廠的供熱能力可達到800MW左右，機組的燃料利用率達到90%以上。按50W／m2供熱綜合熱指標計算，供熱面積約為1 600萬m2。由當地熱力公司提供的供熱數據推測未來幾年該地區的供熱面積見表2，某熱電廠對300MW機組進行高背壓循環水供熱改造可以大大提高機組供熱能力，由表2可知，該機組實行高背壓改造后，彌補近幾年熱電廠供熱熱負荷空缺，解決熱力管網輸送能力不足等問題。

2．2．1 天氣對負荷的影響

在城市集中供熱系統中，供熱負荷是系統主要的熱負荷，甚至是唯一的熱負荷，供熱期間天氣變化對供熱負荷有一定影響，因此，通常按照供熱熱負荷隨室外溫度變化規律，作為供熱調節的依據［6］。在供熱初末期和供熱高峰期時，對外的供熱量是變化的，一般供熱初末期所需熱負荷僅僅是供熱高峰期熱負荷的30%。按供熱面積為1 200萬m2，熱網循環水回水溫度為50℃，熱網出口溫度為80．2℃計算，如圖7所示。

表2 某熱電廠供熱有關數據

圖7 天氣變化對供熱負荷的影響

供熱初末期時，綜合熱指標按26W／m2計算，需要熱負荷為312MW，此時，高背壓改造機組需要降負荷運行，帶電負荷為186MW，不需要鄰機抽汽供熱，即補充抽汽量為0。供熱高峰期時，綜合指標按50W／m2計算，尖峰負荷最大供熱量為600MW，該機組滿負荷運行時達到262MW，在沒有抽汽供熱時最大供熱可達431MW，需要鄰機再補充供熱量169MW，增加的抽汽量為238t／h。

如圖7所示：供熱期開始至供熱期結束，熱電廠以基本負荷運行，當室外溫度降低后，負荷增加到t1～t2區間內，在此區間內機組是變負荷運行，當運行到供熱高峰期時，鄰機要補充169MW的供熱量來滿足熱用戶的供熱需求。

2．2．2 機組改造后額定工況下效益分析

高背壓循環水供熱改造的基本條件：對于300MW機組的高背壓循環水供熱改造應具有1 200萬m2以上的供熱面積，否則機組出力將受到限制，運行經濟性無法達到預計效果。根據改造前后熱平衡圖可知，相同的主蒸汽流量980t／h時，本機抽汽量為0，低壓缸排汽供熱量為431MW，供電負荷為262MW。如機組供熱能力完全發揮，且不受當地供熱面積和供熱管網輸送能力的限制，保持高背壓改造前后汽輪機進汽流量不變，計算改造后供熱和發電的毛利潤，以機組改造前額定抽汽工況為基準計算，粗略計算改造后可增加的毛利潤約為5 694萬元，經濟效益計算見表3所示。

表3 機組高背壓改造前后熱經濟效益

3 結語

綜上所述，對某電廠300MW機組進行高背壓循環水供熱改造是可行的，該技術是在現有機組裝機容量基礎上，利用汽輪機排汽余熱供熱，使冷源損失降為0，進一步降低機組的煤耗量，增加集中供熱面積，提高熱電聯產機組熱源側供熱能力，削減小鍋爐的數量，實現“溫度對口，能源梯級利用”原則，就目前北方一些地區電力行業供大于需的情況下，在熱電廠調度允許的范圍內，滿足供熱需求急劇增長的要求，彌補近幾年來城市供熱缺口問題。因此，高背壓循環水供熱技術是節約能源、改善環境以及深化熱電聯產集中供熱的有利措施。

［1］清華大學建筑節能研究中心．中國建筑節能年度發展報告［M］．北京：中國建筑工業出版社，2008：3－46．

［2］閆維平，周月桂．潔凈煤發電技術［M］．北京：中國電力出版社，2008．

［3］康艷兵，張建國，張揚．我國熱電聯產集中供熱的發展現狀、問題及建議［J］．中國能源，2008，30（23）：8－13

［4］林振嫻．熱電聯產系統冷源領域節能及耦合機理研究［D］．北京：華北電力大學，2011．

［5］趙云凱，劉漢濤，張培華．高背壓供熱與吸收式供熱能耗分析對比［J］．煤炭技術，2015（2）：321－323．

［6］葉濤．熱力發電廠［M］．北京：中國電力出版社，2012．

［7］江浩，黃嘉駟，王浩．200MW高背壓循環水供熱機組熱力特性研究［J］．熱力發電，2015，4（44）：17－21．

The Economic Analysis to High Back Pressure Heating Technology Related to Adjust Steam Extraction Unit

MAO Nan
（School of Energy ＆Power Engineering，Changchun Institute of Technology，Changchun130012，China）

In recent years，proportion of combined heat and power generation in urban centralized heating has been increased year by year．In order to improve the economic benefit of cogeneration units during winter heating，increase the heating capacity of the units，and improve energy saving effect，the heating energysaving transformation to steam turbine on the basis of existing cogeneration units is trend of heating unit development．While the high back pressure circulating water heating is an energy－saving and environment protection technology that is to use heating transformation to low－pressure cylinder in steam turbine．It can make the fuel efficiency more than 90%．Through the operation of the transformed units，we got the conclusion that the units under high back pressure condition has better thermal efficiency，coal consumption，etc．．Through theoretical calculation and analysis，high back pressure transformation has been made on two 300MW adjust steam extraction unit without the limitation toheating area，heating pipe diameter and other conditions．The whole plant heating capacity has been up to 800MW after the transformation，the units heating capacity and economy have greatly improved，which will provide reference for the same type of unit in north part of China．

centralized heating；high back pressure transformation；heating capacity；economic benefits

TM621

A

1009－8984（2016）02－0051－05

10．3969／j．issn．1009－8984．2016．02．012

2016－04－06

毛楠（1988－），女（漢），黑龍江，在讀碩士主要研究熱能與動力工程。