200MW級機組供熱改造分析

張新雷　姜迪　董蕾

摘要：200MW級機組供熱改造方案主要包括抽汽供熱和低真空供熱兩個方向，抽汽供熱改造方案總體上具有機組冷源損失少、能源利用率高、調控靈活等特點，但改造涉及熱網系統、凝結水系統、循環水系統、回熱系統等多個熱力系統；低真空供熱改造方案改造涉及系統少、管道布置簡單，但其供熱調控不夠靈活。文章對200MW級機組供熱改造進行了分析。

關鍵詞：200MW級機組；供熱改造；低真空供熱；抽汽供熱；火力發電廠 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM611 文章編號：1009-2374（2017）01-0033-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.01.016

1 概述

隨著我國大型、清潔、高效的火力發電廠大量建設，以水力發力、風力發電、核能發力為主的清潔能源電站迅速發展，我國電力的供應量已超過社會對電力的需求。2011年以來，全國火電設備利用小時數整體處于加速下降趨勢，2015年甚至僅為4329小時，如果單純用于發電，全國火電設備相當于全年處于60%以下負荷運行，發電能力已屬嚴重過剩。然而與發電能力過剩的境況相反，我國三北地區供熱機組實際供熱量大部分未能達到額定供熱能力。2013年，我國供熱量增長率為-1.78%，隨著三北地區城鎮人口的增加，供熱量的缺口有增大的趨勢。

200MW及以下中小型火電機組，由于能耗較高，國內近些年已少有再建。然而國家在20世紀八九十年代曾大量建起的該類型機組，有些經過節能環保的改造，仍處于良好運行狀態。如果將三北地區該部分機組進行供熱改造，將大幅提高其能源利用率，既可以在不增加發電量的基礎上提高供熱能力，又能解決由于新建供熱機組所帶來的成本問題。

2 供熱改造方案

國內200MW級超高壓機組，通常以一次中間再熱、單軸、三缸三排汽、凝汽式汽輪機為主，該機組高壓缸獨立，中壓缸與#1低壓缸合缸，#2、#3號低壓缸對稱布置，其系統流程如圖1所示：

2.1 抽汽供熱方案

常見的汽輪機采暖抽汽供熱改造，一般是在汽輪機組中壓缸排汽連通管上連通閥前打孔，進行抽汽供熱，通過調節連通閥開度控制抽汽量。由于中壓缸與低壓缸合缸的設計，導致通過中壓缸排汽管道的中壓缸排汽約為全部排汽量的一半，而且要保證#2、#3低壓缸不產生鼓風工況，影響機組發電效率，還需要維持一定排汽至兩低壓缸內，所以該方案可抽出的最大汽量一般為150t/h左右，甚至更低。如果要進一步增大抽汽量，就需要在打孔抽汽方案基礎上，對低壓缸進行改造，使排入#2、#3低壓缸的汽量最大限度減少，以增加抽汽量進行供熱。

2.1.1 背壓機方案。背壓機方案是指取消機組2個獨立的低壓缸及機組凝汽器，將中低壓合缸排汽全部用于供熱，此時供熱能力將大幅增加。由于不存在低壓缸鼓風工況以及低壓缸冷卻等問題，機組最大抽汽量可擴大至500t/h，幾乎不存在冷源損失。

不過雖然將機組改背壓機可以最大限度地增加采暖抽汽量，但在非采暖期由于中壓缸排汽無熱用戶，只能處于停機狀態，限制了其發電能力。

2.1.2 低壓轉子“光軸”改造。“光軸”改造是指為現有的機組低壓缸合缸部分另外再設計一根軸承，無需安裝葉片，該軸承只用于傳遞扭矩，不對外作功發電。雖然沒有葉片，但高速轉動過程中仍會由于與空氣摩擦產生熱量，所以需要保證低壓缸最小冷卻用蒸汽流量，通常需要5～10t/h，其余均可作為采暖抽汽供熱。最大抽汽量可達330t/h。雖然抽汽量較改成背壓機的方案有所減少，存在一定的冷源損失，但由于非采暖期可以更換為原有低壓缸轉子進行純凝工況運行，使得機組運行更具靈活性。不過由于每年需要更換二次轉子，對設備存在一定損傷。

對于抽汽供熱方案，從改造難度方面來看，因抽取中壓缸排汽用于供熱，凝汽器排汽量大幅減小甚至沒有排汽，使得循環冷卻水系統、凝結水系統、回熱系統都需要重新設計。而且設計過程中還要考慮到凝汽器為防止結垢所需要的最小流速要求、軸封加熱器所需要的最小冷卻水量等一系列問題。另外，如果是做過打孔抽汽改造的機組，想進一步增加抽汽量改造時，對于現存的熱網系統設備，由于供汽量增加近一倍以上，所需增加或更換的設備及管道較多，改造相對復雜。

2.2 低真空供熱方案

低真空供熱是指機組在非采暖期時以常規純凝機組運行，但進入采暖期后，改用熱網循環水回水作為凝汽器的冷卻水源，低壓缸排汽用于加熱熱網水回水的供熱改造方案。由于該方案從理論上講幾乎消除了機組的冷源損失，所以機組能源利用率非常高。

凝汽器的背壓取決于飽和凝結水溫度所對應壓力，采用熱網循環水回水作為凝汽器的冷源來冷卻低壓缸排汽，由于冷卻水的溫度較高，一般為60℃左右（根據地區及供暖時期不同有所區別），考慮到溫升及傳熱端差，由其冷卻下來的飽和凝結水水溫一般可達68℃或更高。對應飽和壓力為28.5kPa左右，顯著高于普通濕冷機組HRL工況的11.8kPa，故稱為低真空供熱或高背壓

供熱。

由于低壓缸排汽背壓升高，導致其容積流量減少，低壓轉子末級葉片容易產生鼓風工況。另外，低壓轉子由于偏離設計背壓，自然垂度會發生變化，在高速轉動過程中，容易導致葉片顫振、軸系振動等問題，所以通常需要針對低壓轉子進行改造。

2.2.1 換轉子改造方案。換轉子改造方案是指針對高背壓工況專門另設計一套低壓轉子，該轉子比正常轉子減少l～2級葉片，末級葉片葉高適當縮短，以滿足冬季低真空供熱要求，重新設計一套末級隔板和導葉與之匹配。而在夏季純凝工況時則恢復使用原機的轉子和隔板。該方案能夠保證汽輪發電機組全年都滿負荷運行，滿足供熱與發電的不同需求。與“光軸”改造一樣，每年需要開缸兩次更換轉子，在每次更換時需要鉸孔或使用液壓螺栓，對設備存在一定損傷。

2.2.2 單轉子改造方案。單轉子改造方案是指將機組現存低壓缸轉子去掉末級葉片，并將次末級葉片加固，制成可供低真空供熱使用的轉子，冬季低真空工況和夏季純凝工況均采用該轉子。這種低壓缸轉子改造方式簡單，花費資金少，轉子不需要經常更換。但由于低壓轉子減少一級，機組的額定出力將受到影響。

2.2.3 不改變轉子改造方案。如果確實需要在不改變低壓缸轉子的情況下進行高背壓改造，則需要汽輪機廠家認真核算低壓轉子安全性，運行中也要嚴密監查機組運行狀態，以防出現安全事故。

從改造難度方面來看，與抽汽供熱改造相比，因低真空供熱幾乎不需要更改各熱力系統，所以具有系統簡單、造價低、改造后能源利用率高等優點。

不過，低真空供熱采用的是熱網循環水冷卻低壓缸排汽，由于熱源與冷源傳熱端差小，所以所需的熱網循環水水量較大，熱網循環水溫升也較低，通過凝汽器僅能將大量熱網循環水進行初步加熱，所以如果缺少進一步對其進行加熱的熱源，則會因為無法將熱網水加熱至供出時所需溫度而影響供熱量。

另外，如果機組作過打孔抽汽改造，在進行低真空改造后，因低壓缸防止鼓風工況所需最小通流量增加的原因，抽汽量也會有所降低，所以高背壓改造必須配合其他供熱機組才能夠發揮其高能效的作用，如果缺少輔助汽源，低真空供熱改造不僅無法有效增加供熱面積，甚至有可能低于改造前的供熱能力。

3 結語

200MW級純凝火電機組能源利用效率較低，屬于高污染、高能耗機型。通過有效的供熱改造后，可以將其能源利用效率由原來的不足50%提升至90%以上，既可以滿足國家對燃煤電廠超低排放和節能改造的要求，又能切實滿足三北地區對供熱的需求。

目前常用的供熱改造主要有抽汽供熱和低真空供熱兩個方向，抽汽供熱總體上具有效果直接、調控靈活、供熱效果不受其他機組制約的特點。但常規的打孔抽汽供熱改造抽汽量較少，為了增大抽汽量，還需要進一步對機組進行背壓機改造或者對低壓轉子進行“光軸”改造。因抽汽供熱改造涉及多個系統，需要重新設計大量設備與管線，改造難度大，造價較高。低真空供熱改造則與抽汽供熱相反，改造簡單、造價低，但其供熱能力受其他熱源制約，供熱調控不夠靈活。

參考文獻

[1] 戈志華，楊佳霖，何堅忍.大型純凝汽輪機供熱改造

節能研究[J].中國電機工程學報，2012，32（17）.

[2] 孔令先，李繼偉，李宏偉.220MW汽輪機組供熱改造

研究與應用[J].節能技術，2010，28（4）.

[3] 朱奇，陳鵬帥，侯國棟.低真空循環水供熱改造[J].

熱力發電，2013，（3）.

作者簡介：張新雷（1985-），男，吉林長春人，中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司工程師，碩士，研究方向：熱能與動力。

（責任編輯：黃銀芳）