超臨界NCB機組在熱電聯產中的應用

郝云燕

(華北電力設計院有限公司，北京 100120)

隨著我國城鎮化建設的快速發展和環保要求的日益嚴格，集中供熱需求一直在持續增長，而電力產能近年來嚴重過剩，這種熱電矛盾制約了熱電聯產項目的發展，因此最大化提升汽輪機供熱能力，同時減少對電網的壓力，成為新形勢下供熱機組發展的新方向，350 MW超臨界抽凝背式供熱汽輪機就是在這種思路下，由國內自主研發的一種新型節能高效的供熱機組，該機型結合了常規抽凝式供熱機組(簡稱CN型)和背壓供熱機組(簡稱B型)的優點，可實現凝汽、抽凝、背壓三種運行模式(簡稱NCB型)。該機型供熱能力更大，熱效率更高，且調峰能力強，是新一代技術升級型供熱機組。

1 超臨界NCB機組的主要技術特點

1.1 NCB機組技術特點及工作原理

超臨界NCB汽輪機是以常規350 MW超臨界抽凝式就汽輪機為母型機，在汽輪機的高中壓缸與低壓缸之間加裝3S同步離合器，通過3S離合器脫開和嚙合使機組實現低壓缸在線解列和并列。3S離合器是NCB機組的關鍵裝置。它是一種單向傳遞扭矩的裝置，通過棘爪定位、齒輪傳遞功率，屬于超越式純機械離合機構。3S離合器依靠輸入端和輸出端的齒輪轉速的變化自動進行切換，當離合器的輸入端、輸出端轉速完全相等時兩者相位同步、自動軸向移動而嚙合。而一旦輸入轉速低于輸出轉速時離合器脫開。

在NCB機組中，將3S離合器安裝在抽凝式汽輪機的高中壓缸與低壓缸轉子之間，3S離合器的功率輸入端連接低壓缸轉子，輸出端連接高壓缸轉子，每當低壓缸轉子轉速開始低于輸出端轉速時時，3S離合器逐漸自動脫開，使高、低壓轉子自動分離，從而使低壓缸解列，汽輪機轉為背壓運行，每當低壓缸轉子轉速上升至試圖超過輸出端轉速時，離合器便可自動嚙合，將高、低壓轉子自動連接，達到輸入端與輸出端的轉速同步，完成低壓缸的并列過程，汽輪機轉為抽凝或純凝運行。通過采用3S離合器裝置，可實現低壓缸的在線解列及并列，使汽輪機具備了凝汽、抽汽、背壓三種運行功能。

1.2 NCB供熱機組的結構特點簡介

NCB汽輪機是以常規的350 MW超臨界抽凝機(CN型)為母型機的基礎上改進而來，所不同的是在高中壓轉子與低壓缸轉子之間加裝了3S離合器，將發電機位置由常規的低壓缸末端改在高壓缸機頭前端，高壓轉子直接與發電機轉子相接。NCB汽輪機在機組外型以及高、中壓缸、低壓缸尺寸、通流設計等均可采用成熟的350 MW抽凝機組的設計模塊，供熱抽汽口位置仍可保留的中壓缸排汽口處，主汽閥、再熱主汽閥也可通用。

與常規350 MW超臨界抽凝式供熱汽輪機相比， NCB機組在結構型式及技術特點主要有以下幾個方面：

(1) 在高中壓轉子與低壓轉子之間設置自動同步離合器，實現低壓缸的在線脫開和并列。

(2) 發電機位置由常規的低壓缸末端改在高壓缸前端，發電機轉子直接與高壓轉子相接。

(3) 因發電機前置，汽輪機前軸承箱的長度略有縮短，原常規安裝在前軸承向內的主油泵取消，改為采用電動主油泵。

(4) 增加離合器和發電機前置，NCB機組的軸系長度增加約4～5m左右，軸系穩定性設計與常規供熱機組有所不同，在離合器與中壓轉子之間增加一個軸承，確保離合器在運行中有良好的對中性；防止高中壓轉子振動對自同步離合器產生的耦合效應。NCB機組的布置方式及軸系特點見圖1。

圖1 NCB機組布置方式及軸系示意圖

(5) 為保證低壓缸解列及嚙合過程中的安全穩定性，在中低壓連通管上增加關閉蝶閥和調節蝶閥，還設有低壓旁通管，旁通管上也設有調節閥和關斷閥，以到達準確控制低壓缸流量的目的。低壓缸連通管進汽閥門控制系統見圖2。

(6) 采用雙頂軸油系統設計，低壓模塊在解列模式下低壓轉子仍以大約200 rpm左右的被拖曳轉動，因此須在低壓模塊解列期間為低壓模塊支持軸承提供頂軸油壓。為此特別設有高壓轉子—發電機轉子和低壓轉子二套頂軸油系統。

(7) 純電超速保護設計：NCB機組由高壓端輸出功率，前軸承箱無法設置機械超速保護裝置(危急遮斷器)，因此采用純電超速保護設計。

2 NCB機組的技術優勢分析

與常規350 MW超臨界抽凝機組相比，NCB機組技術優勢主要體現在以下幾點：

2.3 運行方式更加靈活

NCB機組具有凝汽、抽凝、背壓三種運行模式，可根據熱負荷、電負荷不同的需求狀況調整機組的運行方式，對熱、電負荷間的不同需求特性的適應性更強，協調性能更好。

圖2 低壓缸進汽控制閥系統圖

2.4 機組供熱能力更大

在不增加燃煤量和排放量的條件下，與常規常規350 MW抽凝機組相比，NCB機組的供熱能力可提高20%～30%。常規350 MW抽凝機組的最大采暖抽汽量一般在550 t/h左右，在最大抽汽工況下，為防止低壓缸出現鼓風效應威脅低壓缸末級葉片的安全，低壓缸仍需保證一定的冷卻蒸汽通流，該部分蒸汽約在150 t/h左右，這部分蒸汽幾乎沒有作功能力，低壓轉子基本處于“陪轉”狀態。 NCB機組在背壓運行時，低壓缸解列，不需要再消耗冷卻蒸汽，該部分蒸汽可用來對外供熱，同時與低壓缸相關的低壓加熱器也停運，低加抽汽也可以節省用于供熱，其最大供熱抽汽量可達到700 t/h左右，增加供熱量約105 MW與同容量抽凝機組相比供熱能力可增加20%～30%。

以單抽采暖供熱機組為例，根據汽機廠提供的二種機型熱平衡圖數據，在汽輪機進汽量相同，供熱抽汽參數相同的條件下，二種機型的最大抽汽能力對比見表1。

從表1中的對比數據可以看出，在新蒸汽進汽量相同，供熱抽汽參數一致的條件下，NCB機組的供熱能力提高了28.3%，可多供采暖面積約210萬m2。

表1 二種機型的抽汽能力及供熱量對比(單臺機組)

2.3 具有較強的調峰能力

常規供熱機組受保證低壓缸冷卻蒸汽量限制，機組在供熱期間的輸出功率比背壓運行要高，因此機組的調峰能力相對也較小。NCB機組可在高負荷或低負荷的條件下轉入背壓運行模式，在背壓運行期間，機組的發電出力顯著減少。表2是以采暖抽汽量分別在400 t/h及500 t/h的工況為例，對二種機型的發電輸出功率的進行對比的結果 。

表2 二種機型供熱量與發電量比較

通過表中數據可以看出，在供熱量相同的條件下，NCB機組的發電輸出功率遠低于同容量的常規抽凝機組，對于我國目前電力市場飽和，而集中供熱缺口不斷增大的矛盾現狀來說，NCB機組在緩解電網壓力，增加機組深度調峰能力方面的優勢明顯。

2.4 具有更好的經濟性

常規超臨界抽凝汽輪機在最大抽汽能力工況下，由于存在低壓缸最小冷卻流量，仍存在一定的冷源損失，機組發電熱效率在65%～69%左右，NCB機組背壓運行沒有冷源損失，在背壓工況下，汽輪機發電熱效率都在80%以上，機組運行經濟性提高顯著。

二種機型在最大供熱能力下的熱經濟指標的比較見表3。

表3 最大供熱能力工況二種機型熱經濟指標

由表3中的幾個關鍵性經濟指標可看出：與常規抽凝機相比，NCB機組在供熱期間發電熱效率顯著提高，因此使機組全年平均發電標煤耗降低12.5 g/kw.h，全廠總熱效率提高5.3%。全年可節約標煤2.1萬t，節能效果十分明顯。

3 NCB機組的社會效益分析

與常規抽凝機組供熱相比，NCB機組的應用可作為提高熱源點尖峰時段供熱能力的一種手段，實現減少或取消尖峰鍋爐的目的。

NCB機組是在不增機組燃煤量的基礎上，通過節省常規抽凝機組低壓缸的冷卻蒸汽量來增加供熱能力的，這部分增加的供熱量可彌補常規抽凝機組在熱負荷尖峰時段供熱量不足的缺欠，從而減少機組供熱覆蓋范圍內尖峰鍋爐數量。NCB機型在采暖供熱期的發揮的作用見圖3。

圖3 采暖熱負荷曲線

圖3中：(Q1+Q2+Q3)為電站供熱機組的供熱范圍內全年采暖熱負荷總量，Q1為常規抽凝式供熱機組的采暖期供熱量，Q2+Q3則為區域尖峰鍋爐的補充供熱量。采用NCB機組可多供熱量Q2，相應區域尖峰鍋爐的供熱量Q3減小或為零.。

與電站先進的大型鍋爐相比，小型供熱鍋爐效率低，煙氣凈化設施也相對落后，屬于典型的高能耗高污染設備。以某熱電廠安裝2×350 M的NCB供熱機組為例，與常規2×35 MW抽凝式供熱機組相比，從節能、環保二方面分析NCB機組帶來的社會效益。

(1)節能效益

如前所述，與常規350 MW抽凝式機組相比， 2臺350 MW NCB機組是在不增加燃煤量的條件下，通過解列低壓缸，機組轉入背壓運行可增加供熱能力約105 MW，2臺機組可增加供熱量210 MW，相當于3臺70 MW的大中型區域供熱鍋爐的供熱能力，目前集中供熱鍋爐的效率一般在70%～80%，以區域供熱鍋爐效率80%考慮，其供熱標準煤耗率約45.19 kg/GJ，若210 MW供熱量全部由區域供熱鍋爐承擔，按冬季采暖期尖峰鍋爐投入時間為1個月(720 h)計算，則多消耗標準煤量約為2.46×104t。

(2)環保效益

以采暖期供熱小鍋爐多消耗燃煤2.46×104t計算，多產生的煙氣量約2.02×107Nm3(按普通煙煤計算)。我國2014年版的頒布的《鍋爐大氣污染排放標準》(GB 13271－2014)中，對于燃煤鍋爐的煙氣中粉塵、SO2、氮氧化物的排放標準分別為低于50、300、300(mg/m3)，重點地區為低于30、200、200(mg/m3)，目前新建的工業鍋爐及供熱鍋爐都能保證或低于國家標準。電站鍋爐的煙氣排放標準則要嚴格得多，目前實際大型電站煙塵、SO2、氮氧化物排放標準一般都控制在低于5、20、30 (mg/m3)。

供熱小鍋爐的排放指標按照國標《鍋爐大氣污染排放標準》中的規定值計算，在尖峰鍋爐投入時間720 h內統計的污染物排放結果見表4。

表4 720 h 供熱小鍋爐污染物排放量

由上述分析可看出，小鍋爐供熱即造成能源浪費，也是造成采暖期環境質量變差的主要根源之一，熱電聯產的目標就是取代小供熱鍋爐，用優質高效的熱源實現節能減排的目的，而NCB機組則是實現這一目的的最佳選擇。

4 結語

(1) NCB型汽輪機是新一代技術升級型供熱機組，該機型在不增加能源消耗的基礎上，可顯著提升供熱能力，具有運行方式靈活、熱效率高，調峰能力強等顯著的優勢。

(2) NCB機組增加的供熱能力可進一步減少和替代技術相對落后的供熱小熱鍋爐，節能環保的社會效益顯著，在熱電聯產領域中的有著非常好的應用前景。

(3) NCB型汽輪機目前在燃氣聯合循環供熱機組上已有運行實踐，但在燃煤機組上尚無實際應用業績，汽輪機的結構型式及控制系統與常規機組也有所不同，在NCB機汽輪機進入到具體的的工程實踐應用中時，還需要對相關的熱力系統、控制系統、以及汽輪機基礎設計，管道布置方案設計等進行多方位的研究和優化。