高參數供熱背壓式小汽輪機研究及效益分析

唐星君 徐亦淳

1.上海上電漕涇發電有限公司2.上海電力股份有限公司

高參數供熱背壓式小汽輪機研究及效益分析

唐星君1徐亦淳2

1.上海上電漕涇發電有限公司2.上海電力股份有限公司

為滿足地區供熱，某大型企業2×1 000 MW超超臨界燃煤機組向該地區供高壓和中壓蒸汽的基本情況，介紹了（抽）背式小汽輪供熱的兩個改造方案及該兩方案的熱力參數，最后給出了采用背壓式小汽輪機改造后的經濟效益與社會效益。

大型燃煤機組；供熱潛力；背壓機；經濟效益

Some large enterprise’s 2×1 000 MW super critical coal-fired unit supply high pressure and middle pressure steam to meet regional heating need. The article introduces two renovation solution of (pumping) back pressure turbine and related thermal parameters, final puts forward economic benefit and social benefit after renovation.

Large Scale Coal-Fired Unit, Heating Potential, Back Pressure Turbine, Economic Benefit

隨著坑口大型燃煤機組的興建、特高壓西電東送、新能源比例的加大，很多沿海、沿江地區超超臨界機組的利用小時逐年下降。同時這些超超臨界機組大都地處經濟發達地區，電廠周邊存在大量的化工、冶金、紡織、食品等行業，隨著國家環保、能耗等指標的不斷提高，這些企業的自備小熱電、小鍋爐逐漸被關停，電廠周邊的用汽需求逐年上升，供汽參數范圍廣，基本在0.5MPa～5MPa、200～450℃的范圍。在此背景下，取消分散小鍋爐，采用高參數、低煤耗、低排放的大機組進行集中供熱的方式既滿足經濟發展的要求，又滿足環境保護的要求。由于大部分超超臨界機組由于長期中低負荷運行，受到汽輪機本身抽氣壓力和流量限制無法滿足高壓力、大流量的供熱需求，但鍋爐的富余量較多，研究超超臨界機組主蒸汽作為進汽的高背壓式小汽輪機，可增大高參數的供熱量，增加鍋爐負荷，同時降低廠用電，整體提高機組發電、供熱的經濟性，可成為超超臨界機組集中供熱的典范。

1 概況

上海市某化工區有數10家大型跨國化工企業，有較大的供熱需求，高壓管網參數5.0MPa330℃，中壓管網參數3 MPa290℃，總最大供熱量需求550 t。

某2×1 000 MW超超臨界燃煤發電機組，鍋爐為上海鍋爐廠有限責任公司生產的超超臨界參數變壓運行螺旋管圈水冷壁直流爐，單爐膛、一次中間再熱、采用四角切圓燃燒方式、平衡通風、固態排渣、全鋼懸吊結構、塔式、露天布置燃煤鍋爐。汽輪機為上海汽輪機廠有限責任公司生產的超超臨界、一次中間再熱、凝汽式、單軸、四缸四排汽汽輪機，型號N1000-26.25/600/600。該超超臨界機組已經在0抽、1抽和冷再進行打孔抽汽，經過減溫減壓站減溫減壓后向外供應高壓（5.0 MPa330℃）或中壓蒸汽（3.0 MPa290℃）兩檔蒸汽，不同時供應兩檔蒸汽，由于抽汽對機組軸向推力的控制和軸向位移控制產生較大影響，經過制造廠核算，單機最大抽汽量100 t/h，單機常規抽汽量60～80 t/h。根據環保要求，上海市政府安排該工業區內2×120 t工業供熱鍋爐于2017年底關停，為了替代該部分供熱量，超超臨界燃煤發電機組需要再新增200 t左右供熱量。

2 （抽）背壓小汽輪機供熱方案選擇

2.1 背壓式和抽背式的基本特性

背壓式汽輪機的排汽壓力高，通流部分的級數少，結構簡單，不需要龐大的凝汽器和冷卻水系統。排汽用于供熱時，能量得到充分利用。背壓機的功率與供熱需要的蒸汽量相關，不能同時滿足熱負荷和電（或動力）負荷變動的需要。

抽背式汽輪機從汽輪機的中間級抽取部分蒸汽，供需要較高壓力等級的熱用戶，同時保持一定背壓的排汽，供需要較低壓力等級的熱用戶使用或進入機組回熱系統，該型機組的經濟性與背壓式機組類似，設計工況下的經濟性較好，但是對負荷變化的適應性較差。圖1 為主汽壓力隨負荷變化的曲線，圖2為主汽蒸汽隨溫度隨負荷變化曲線。

圖1 主汽壓力隨負荷變化的曲線

圖2 主汽蒸汽隨溫度隨負荷變化曲線

由圖1、圖2可以看出，在50%負荷時主汽壓力降低為13.9 MPa，負荷低于50%時，排汽參數會相應地降低。目前，漕涇電廠平均電負荷率在70%左右，采用小汽輪機供熱方案，主汽參數從19.7 MPa，600℃減壓減溫到13.5 MPa，535℃，該過程存在能量品質的損失，蒸汽作功能力下降。

2.2 背壓式小汽輪機（發電）

見圖3，該方案設置一臺背壓式小汽輪機及發電機，抽取部分主汽，經過減溫減壓后，進入小汽輪機。小汽輪機的額定進汽參數為13.5MPa，535℃，額定排汽參數可選擇高壓（5 Mpa、395℃）或中壓（3.2 MPa，325℃）兩檔，額定進汽流量為100 t/h，最大進汽流量為120 t/h，排汽供熱，發電進入廠高壓變母線。

2.3 抽背壓式小汽輪機（發電）

見圖4，該方案設置一臺抽背式小汽輪機及發電機，小汽輪機設置一個中間抽汽口，抽汽量為100 t/h。小汽輪機為定速運行，功率可達20MW，發電進入廠高壓變母線。該型小汽輪機的排汽進入機組回熱系統，包括除氧器、低加、高加或輔汽系統。

圖3 背壓式小汽輪機供熱的示意圖

圖4 抽背式小汽輪機方案示意圖

表1 不同類型小機的熱力參數

2.4 方案對比

根據制造廠提供的熱平衡圖，在熱力計算軟件Ebsilon中建立100%THA工況的熱力平衡圖。根據3種改造方案，在Ebsilon中建立了相應的熱力系統圖，在不影響發點機發電的情況下（1000MW，THA工況），計算得到了改造后的熱力特性參數，2種方案的計算結果見表1所示。

電廠要同時滿足發電和供熱的安全穩定性，保證改造后，在額定供熱量下不影響發電能力；同時，在低負荷下要保證供熱的安全穩定性。

背壓式小汽輪機將供熱與發電解耦，小機的供熱與大機的發電不會產生相互的影響。小機可以保持額定的進汽參數和流量，小機的排汽供熱，不會對大機的回熱系統產生影響。在背壓發電小機中，若選擇排汽壓力5 MPa的小機，因小機的總焓降少，級數較少（約6～7級），小機效率偏低，僅能達到71%左右，小機出力6 MW，經濟性不顯著，改造后預估全廠熱耗7271 kJ/kWh。若選擇排汽壓力3.2MPa的小機，級數能達到11～12級，小機效率78%，小機出力9.8 MW，經濟性要好于排汽壓力5MPa的小機，改造后預估全廠熱耗7245kJ/kWh。

抽背壓式小汽輪機排汽進入除氧器、低加、高加或者輔汽系統，額定排汽壓力為0.5～0.8 MPa，而除氧器在額定負荷下為1 MPa左右，排汽壓力可能與除氧器或高加等回熱裝置不匹配。經過向制造廠核實，要保證汽輪機能抽出100 t/h的蒸汽，進汽量最低需要達到170 t/h，則排汽量最小為70 t/h，在機組負荷變化時，合理有效地分配70 t/h的排汽較為困難。抽背發電的機組總熱耗為7 296 kJ/kWh，抽背發電機組對熱耗的降低不明顯，同時采用抽背發電后主蒸汽流量達到2 922 t/h，汽機側若要新增加100 t/h的抽汽則會影響發電機的正常發電。

通過對以上兩種小機方案的論述和比較，背壓式小汽輪機是比較適合的方案。

國外小機調研中，符合項目要求的有西門子SST-060號緊湊型小汽輪機，該型小機的進汽參數13.1 MPa，530℃，背壓可達2.9 MPa，輸出功率6MW。國內各主要汽輪機制造廠商均有生產（抽）背壓式小汽輪機的成熟業績，杭州汽輪機廠HG40/25緊湊型小汽輪機，汽輪機進汽13.5MPa，535℃，排汽3.2 MPa，120 t/h，最大發電量約11 MW。

3 背壓式小汽輪機（發電）工程設想

3.1 系統規劃

背壓機方案中小機汽源采用主蒸汽，由汽機廠房17m2平臺主蒸汽管道抽出，抽汽管道管徑DN150，材質采用P92，減溫減壓裝置布置在給煤機平臺，減溫減壓后管道管徑DN200，材質12Cr1MoV。減溫減壓裝置將鍋爐主蒸汽減溫減壓至13.5MPa、535℃進入小機。新增小發電機的接入該電廠廠用電6 kV母線。

3.2 閥門及減溫減壓器選型需注意的問題

背壓汽輪機汽源采用主蒸汽減溫減壓至超高壓參數進入小機，減溫減壓裝置的選型對整個方案至關重要。對整個市場上的減溫減壓裝置進行了調研，目前僅有Flowserve（英國福斯）的減溫減壓裝置能夠滿足26.5 Mpa、600℃蒸汽參數要求，且無使用業績，減壓閥材質為P91，與主蒸汽管道P92材質間需采用過渡段來保證裝置的可靠性。

針對以上情況，推薦采用先減溫后減壓的方案，減溫至580℃以下則其它一些減壓閥品牌，如Fisher、CCI均可使用。采用該方案需保證減溫水裝置的可靠性，同時在減溫后留足直管段，保證進入減壓閥前蒸汽品質。

無論采用以上哪種方案，對超超臨界、600℃參數的蒸汽進行減溫減壓，均是第一次實施，需確保減溫減壓裝置的可靠性。

4 效益分析

4.1 經濟效益

從整個供熱系統的經濟性來分析，采用背壓機方案供應高壓蒸汽可以減少減壓的幅度，同時采用汽輪機抽汽來供應中壓蒸汽，提高了汽輪機高壓缸的效率。但是采用背壓機供應高壓蒸汽，背壓汽輪機級數小、效率低，排汽需減溫后供熱，經濟性大打折扣。

根據以上分析，對可能的供熱方案均進行了收益分析，如表所示。收益分析的基礎數據如下：蒸汽價格100元/t，電價0.33元/kWh，煤價750元/t，年運行小時6 500 h。改造方案之前兩臺機組按單機供應100 t/h計算，改造后單機能夠供應高壓、中壓兩檔蒸汽，兩臺機組最大供汽量400 t/h。表2為背壓機不同排汽參數的單機收益比較。

如表2所示，背壓機方案減少了廠用電量，在發電量恒定的情況下上網電量增加，有一定的發電收益。同時采用汽輪機供中壓蒸汽相比供高壓蒸汽也有一定的發電收益，這主要是因為汽輪機抽汽供高壓減少了高壓缸的做功能力和效率，供電煤耗相比供中壓參數有一定的上升，經過熱平衡計算，影響供電煤耗約0.3 g/kWh。

4.2 社會效益

從環保方面考慮，供熱改造后，提高機組熱經濟性，折算降低電廠的碳排放。如果實現大機組增加供熱，可減少CO2排放量約4 960 t/年；NOx按照200 mg/Nm3，減少排放約1.632 t/年；SOx按照132 mg/ Nm3，減少排放約0.72 t/年。

表2 背壓機不同排汽參數的單機收益比較萬元

[1]王新雷,周云,徐彤,張鋒. 發展背壓機供熱替代分散鍋爐[J]. 節能技術,2015,(03):271-274

[2]劉吉臻,王琪,田亮,劉鑫屏. 供熱機組負荷-壓力簡化模型及特性分析[J]. 動力工程學報,2012,(03):192-196+228

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10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.12.007

唐星君：（1969-），男，助理工程師，本科， 從事發電計劃管理工作。徐亦淳：（1979-），男，工程師，本科，從事發電技術管理工作。