基于背壓小汽輪機方案的大型燃煤電站供熱改造

李 靖，陳 海，劉 健，魏運軍，程 鋒，駱 超

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基于背壓小汽輪機方案的大型燃煤電站供熱改造

李 靖1，陳 海1，劉 健1，魏運軍1，程 鋒1，駱 超2

（1.中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南 長沙 410000；2.中國科學院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640）

通過對國內供熱改造技術現狀的對比分析，選出背壓小汽輪機供熱改造方案作為靖遠第二發電有限公司7號、8號機組供熱改造方案。從7號、8號機組中低壓聯通管抽汽，一部分進入背壓小汽輪機帶動發電機發電，排汽分別進入2臺前置加熱器，將熱網循環水加熱至95 ℃；另一部分進入尖峰加熱器，進一步將熱網循環水加熱至130 ℃來對外供暖。在非采暖期可以將供熱系統解列，停止從主汽輪機中低壓連通管抽汽，主汽輪機恢復純凝工況運行。結果表明，在近期采暖負荷為107.2 MW，采暖期為150天的條件下，供熱改造后，年總供熱量為1 389 826 GJ，年總節約標準煤量為36 068.7 t，CO2、SO2、NOx、年煙塵減排量分別為144 007.6、167.7、196.6、196.4 t。實際投產后的運行情況證明：背壓小汽輪機供熱改造方案系統清晰且運行穩定，節能減排收益可觀，同時可以有效降低廠用電率，提高電廠發電上網量，為電廠創造了可觀的效益；背壓小汽輪機供熱改造方案技術已成熟，在北方存在穩定采暖熱負荷的城市值得推廣。

供熱改造；背壓小汽輪機；熱電聯產；采暖系統；節能減排；靈活性

隨著國家經濟發展與社會的進步，我國北方以及部分中部城市的采暖需求逐年增加；而由于環保要求，原先城市采暖用的低效率、高排放的小鍋爐必須全部關停：這樣會出現采暖熱源不足的現象。對此，國家大力支持城市周邊具備采暖供熱條件的純凝機組發電廠進行熱電聯產改造[1-2]。

相對于分散小鍋爐供熱，燃煤熱電聯產機組集中供熱時鍋爐熱效率高且產生的煙氣經脫硫處理及吸附處理后，粉塵和SO2的排量可減少90％以上，同時可以大大降低煤耗，節約大量煤炭資源。因此，采用熱電聯產集中供熱，在節能減排方面將產生巨大的經濟效益、環境效益及社會效益。

靖遠縣集中供熱面積約280萬m2，現有的采暖小鍋爐大多數管理不善、熱效率低、除塵器閑置不用或超負荷運行，有的小鍋爐甚至沒有消煙除塵設備且低空排放，造成大量的能源浪費和嚴重的大氣污染。靖遠第二發電有限公司距靖遠縣城27 km。電廠7號、8號機組汽輪機為N300-16.7/538/538型亞臨界純凝式機組。電廠具有集中供熱的優勢，是該地區的重要集中熱源。7號、8號汽輪機實施供熱改造后，不僅可滿足靖遠縣未來400多萬m2的采暖需求，還可以顯著改善城市的環境狀況。本文就靖遠第二發電有限公司7號、8號機組供熱改造工程的技術方案和節能減排效果進行介紹分析。

1 供熱改造技術方案比選

國內常見的供熱改造技術有以下幾種：

1）傳統的純凝改供熱技術 一般在中低壓缸連通管直接打孔調節抽汽，進入熱網加熱器加熱熱網循環水。熱網循環水泵將熱網循環水輸送到集中供暖的城市，而抽汽進入熱網加熱器后形成的疏水利用疏水泵輸送回除氧器[3-5]。該改造技術不足在于，中低壓連通管抽汽壓力較高，直接去熱網加熱器加熱熱網循環水，在一定程度上浪費了高品質蒸汽。

2）吸收式熱泵供熱改造技術 將電站循環水作為低溫熱源，利用熱泵提高其品位，實現向用戶供熱[6-9]。該技術回收了循環水余熱，提高供熱系統的供熱量，但是改造工作量大，投資成本較高。

3）高背壓余熱供熱改造技術 機組在高背壓下運行，提高汽輪機排汽溫度，利用排汽余熱加熱熱網循環水的供熱方式[10-12]。這種改造技術需要更換汽輪機的低壓缸轉子，成本較高，且在非供暖期機組發電出力會降低。

4）雙轉子互換高背壓改造技術 汽輪機在采暖期使用高背壓供熱的低壓缸轉子，在非采暖期恢復為原純凝運行的低壓缸轉子[13-15]。這種改造技術的采暖適應性強，但是需要為機組低壓缸備2根不用的轉子，并且在采暖期與非采暖期要定期更換轉子，檢修工作量大，投資成本高。

5）背壓小汽輪機供熱改造技術 中低壓連通管抽汽先經過背壓小汽輪機做功發電，然后再利用背壓小汽輪機的排汽去加熱熱網循環水來對外供暖，以實現蒸汽能量梯級利用。在非采暖期可以將供熱系統解列，停止從主汽輪機中低壓連通管抽汽，主汽輪機恢復純凝工況運行。這種改造技術供熱能力強，運行靈活性好，但初期投資成本較高。

綜合投資成本及節能環保效果，靖遠第二發電有限公司采用背壓小汽輪機供熱改造方式。

2 背壓小汽輪機供熱改造內容

具體實施方案為：從7號、8號機組中低壓聯通管抽汽，一部分進入2臺背壓小汽輪機，帶動發電機發電，排汽分別進入2臺前置加熱器，將熱網循環水從70 ℃加熱至95 ℃；另一部分進入3臺尖峰加熱器（兩運一備）將熱網循環水從95 ℃加熱至130 ℃。當2臺背壓小汽輪機停運時，3臺尖峰加熱器可以保證將熱網循環水直接從70 ℃加熱至130 ℃。本工程在8號機組固定端就近新建了一座供熱首站，上述設備全部布置在供熱首站內。背壓小汽輪機供熱改造方案流程如圖1所示。

本工程供熱改造的設計參數見表1。2臺背壓小汽輪機進汽參數為0.75 MPa、330 ℃，進汽量分別為66 t/h，排汽參數為0.12 MPa、153 ℃，內效率>80%，銘牌功率為5 500 kW。

表1 供熱改造設計參數

Tab.1 Design parameters for the heating retrofit

正常運行時，系統中的3臺尖峰加熱器（兩運一備）將熱網循環水從95 ℃加熱到130 ℃，蒸汽側進口參數為0.75 MPa、330 ℃，出口為疏水，即0.75 MPa壓力下的飽和水。根據換熱計算得到尖峰熱網加熱器總進汽量為178 t/h。

綜上可知，要滿足靖遠縣城熱負荷需求，需要主汽輪機中低壓連通管抽汽132+178=310 t/h。當2臺背壓小汽輪機停運時，系統中的3臺尖峰加熱器可以保證將熱網循環水直接從70 ℃加熱到130 ℃。相關加熱器換熱計算見表2。

表2 加熱器換熱計算

Tab.2 The heat transfer calculation of peak-load calorifier

這種供熱工況即為中低壓連通管抽汽直接換熱供暖方案，這種模式需要主汽輪機抽汽312 t/h。

對比上述正常工況和極端工況（同時也是2種供熱方案）發現：為滿足靖遠縣城熱負荷，2種供熱方案所需主汽輪機中低壓連通管抽汽量幾乎相同；但是背壓小汽輪機方案可以拖動2臺異步發電機，額定出力可以達到2×5 500 kW，所發電量接入6 kV廠用電系統，可以降低廠用電率，增加全廠發電上網量，進一步提高全廠熱效率。

3 供熱改造后節能環保收益

根據熱負荷調研分析，靖遠縣城近期供熱平均熱負荷為107.2 MW，采暖期為150天。采暖期的節煤量計算見表3。

表3 采暖期的節煤量計算

Tab.3 The calculation of coal saving during heating period

注：供電標準煤耗率降低值根據廠用電率6%、鍋爐效率92%、管道效率99.5%核算得出。

由表3可知：供熱改造之后，可以降低發電標準煤耗率，整個采暖期能節約標準煤31 343.3 t；同時，集中供暖之后，靖遠縣城內的小鍋爐都可以逐步關停，因此能節約標準煤4 725.4 t，采暖期總計節約標準煤36 068.7 t，按電廠燃用煤種平均熱值18 828 kJ/kg折合節約原煤量56 106.9 t。

按照煤的碳質量分數為70%計算，每年減少CO2排放量為44÷12×0.7×56 106.9=144 007.6 t。

電廠燃煤鍋爐硫的轉化率取0.9，燃煤平均硫分取0.83％，平均脫硫效率取80％，則項目實施后，每年減少SO2排放量為0.9×56 106.9×0.83%×2×（1–80%）＝167.7 t。

燃煤中氮質量分數平均取1.3%，普通燃燒條件下煤粉爐燃燒氮向燃料型NO的轉化率取25%，脫硝效率取80%，則每年減少NO排放量為1.63×56 106.9×（1–80%）×（0.25×0.13%+0.000 938）=196.6 t。

燃煤平均灰分為10%，電除塵器平均除塵效率取96.5%，則該項目實施后每年較少煙塵排放量為56 106.9×10%×（1?96.5%）＝196.4 t。

4 項目投產后實際運行情況

本項目于2017年年底正式投產。投產之前，電廠到靖遠縣城來回共54 km管道充滿水，分段沖洗且完成水壓試壓用時約15天；之后啟動熱網循環水泵以及靖遠縣城循環泵，利用電廠端和縣城端的除污器對全管段進行沖洗排污，直至熱網循環水水質達到進入熱網加熱器的要求，用時約20天。

熱網系統運行1臺熱網循環水泵、1臺尖峰熱網加熱器，通過主汽輪機中低壓聯通抽汽約100 t/h，對全管段熱網循環水進行預熱，用時約3天將熱網循環水水溫提升至70 ℃。之后根據靖遠縣城的實際熱負荷，供熱系統中實際運行了1臺熱網循環水泵，流量約1 800 t/h。實際供水溫度110 ℃，回水溫度60 ℃，熱負荷高峰時期，中低壓連通管抽汽量約為190 t/h。

靖遠縣城每年采暖期為11月1日到第2年3月31日，當采暖期進入尾期后，2臺背壓小汽輪機滿負荷運行工況下，排汽進入前置熱網加熱器即可滿足供暖熱負荷要求。

本項目將2臺額定功率為5 500 kW、出口電壓為6.3 kV的STMKS630型異步發電機分別從4號啟動/備用變壓器低壓側A、B分支出線處接入電廠原有廠用電系統。

由于目前國內330 MW凝汽機組中極少有將異步發電機直接并入廠用電系統，而是采用新增一段6 kV母線段用于連接異步發電機系統，從而避免異步發電機系統出現故障時導致擴大故障范圍及廠用電負荷的突增造成廠用變運行存在風險。因此本項目在經過多次并網試驗操作后，采取當異步發電機轉速達到3 002 r/min時，4號啟動/備用變壓器低壓側A、B分支為空載的情況進行并網操作。并網成功后逐步恢復4號啟動/備用變壓器低壓側A、B分支廠用電負荷，并增加異步發電機的出力。然后實測各分支開關的電流參數，以確定異步發電機成功帶載廠用電負荷。

供熱改造前廠用電率為6%；供熱改造之后，供暖期內背壓小汽輪機可以穩定提供11 MW的廠用電，使得廠用電率降到了4%，提高了電廠發電上網量，為電廠創造了可觀的效益。當供熱期結束后，將供熱系統解列，停止從主汽輪機中低壓連通管抽汽，主汽輪機恢復純凝工況運行。

5 結 論

1）背壓小汽輪機供熱改造方案能夠達到蒸汽能量的梯級利用，相比于當前的其他供熱改造方案供熱效率更高，且運行靈活性更好。

2）通過對靖遠第二發電有限公司7號、8號機組供熱改造工程的技術方案和項目投產后的實際運行情況的分析可知，背壓小汽輪機供熱改造方案技術已成熟，值得推廣。

［1］ 中華人民共和國國家發展和改革委員會, 國家能源局, 中華人民共和國財政部, 等. 熱電聯產管理辦法[Z/OL]. [2018-07-16]. http://www.ndrc.gov.cn/zc fb/zcfbtz/ 201604/ t20160418_798342.html.

National Development and Reform Commission, National Energy Administration, Ministry of Finance of the People’s Republic of China. Measures for the management of combined heat and power[Z]. [2018-07-16]. http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/20160 4/t20160418_798342.html.

［2］ 國家發展改革委. 關于印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》的通知: 發改能源[2014]2093號[A/OL]. (2014-9-12)[2018-07-16]. http: //www. zhb.gov.cn/gkml/hbb/gwy/201409/t20140925_ 289556.htm.

National Development and Reform Commission. Notifications of printing and distributing: National Development and Reform Commission [2014]Reference No.2093[A/OL]. (2014-9-12)[2018-07-16]. http://www.zhb.gov.cn/gkml/ hbb/gwy/201409/t20140925_289556.htm.

［3］ 戈志華, 楊佳霖, 何堅忍, 等. 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): 25-30.

GE Zhihua, YANG Jialin, HE Jianren, et al. Energy saving research of heating retrofitting for large scale condensing turbine[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(17): 25-30.

［4］ 胡軍. 300 MW純凝機組供熱改造[J]. 山東電力技術, 2010(4): 53-54.

HU Jun. The application for 300 MW co-generation power unit reconstructed from pure condensing one[J]. Shandong Electric Power, 2010(4): 53-54.

［5］ 王明軍. 利用汽輪機進行供熱的方法探究[J]. 熱力透平, 2014, 43(2): 124-126.

WANG Mingjun．Investigation of heating supply by using steam turbine[J]. Thermal Turbine, 2014, 43(2): 124-126.

［6］ 張學鐳, 陳海平. 回收循環水余熱的熱泵供熱系統熱力性能分析[J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(8): 1-8.

ZHANG Xuelei, CHEN Haiping. Thermodynamic analysis of heat pump heating supply systems with circulating water heat recovery[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(8):1-8.

［7］ 周賢, 許世森, 史紹平, 等. 回收余熱的熱電聯產 IGCC電站研究[J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(增刊1): 100-104.

ZHOU Xian, XU Shisen, SHI Shaoping, et al. Study on heat and power cogeneration IGCC plant with waste heat recovery[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(Suppl.1): 100-104.

［8］ 孫健, 付林, 張世剛. 國內外吸收式熱泵強化傳熱傳質研究綜述[J]. 制冷空調, 2010, 10(2): 7-10.

SUN Jian, FU Lin, ZHANG Shigang. Review of enhancement of heat and mass transfer in absorption heat pump at home and abroad[J]. Refrigeration and Air-Conditioning, 2010, 10(2): 7-10.

［9］ 呂煒, 陳曉峰, 左川. 循環水余熱利用在火力發電廠的應用[J]. 華北電力技術, 2011(11): 27-28.

LV Wei, CHEN Xiaofeng, ZUO Chuan. Utilization of recycled water waste heat in thermal power plant[J]. North China Electric Power, 2011(11): 27-28.

［10］ 戈志華, 孫詩夢, 萬燕, 等. 大型汽輪機高背壓供熱改造適用性分析[J]. 中國電機工程學報, 2017, 37(11): 3216-3222.

GE Zhihua, SUN Shimeng, WAN Yan, et al. Applicability analysis of high back-pressure heating retrofit for large-scale steam turbine unit[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(11): 3216-3222.

［11］ 石德靜, 姜維軍. 300 MW 汽輪機高背壓循環水供熱技術研究及應用[J]. 山東電力技術, 2015, 42(4): 8-11.

SHI Dejing, JIANG Weijun. Circulating water heating technology for 300 MW steam turbine with high back-pressure[J]. Shandong Electric Power, 2015, 42(4): 8-11.

［12］ 張攀, 楊濤, 杜旭, 等. 直接空冷機組高背壓供熱技術經濟性分析[J]. 汽輪機技術, 2014, 56(3): 209-212.

ZHANG Pan, YANG Tao, DU Xu, et al. The economy analysis of the high back pressure heating technology on direct air-colled unit[J]. Turbine Technology, 2014, 56(3): 209-212.

［13］ 邵建明, 陳鵬帥, 周勇. 300 MW 濕冷汽輪機雙轉子互換高背壓供熱改造應用[J]. 能源研究與信息, 2014, 30(2): 100-103.

SHAO Jianming, CHEN Pengshuai, ZHOU Yong. An application of double-rotor interchange technology in the retrofit for a high back pressure heat supply system with 300 MW condensing turbine[J]. Energy Research and Information, 2014, 30(2): 100-103.

［14］ 何堅忍, 徐大懋. 節能增效的NCB新型專用供熱機[J]. 熱電技術, 2009(3): 1-4.

HE Jianren, XU Damao. NCB model for energy efficiency of heating machine[J]. Thermoelectric Technology, 2009(3): 1-4.

［15］ 閆森, 王偉芳, 蔣浦寧. 300 MW汽輪機供熱改造雙低壓轉子互換技術應用[J]. 熱力透平, 2015, 44(1): 10-12.

YAN Sen, WANG Weifang, JIANG Puning. Application of double LP rotor interchangeable technology for heating improving in 300 MW steam turbines[J]. Thermal Turbine, 2015, 44(1): 10-12.

Heating retrofit for large-scale coal-fired power stations based on small back-pressure turbine scheme

LI Jing1, CHEN Hai1, LIU Jian1, WEI Yunjun1, CHENG Feng1, LUO Chao2

(1. China Machinery International Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Changsha 410000, China; 2. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)

Based on comparative analysis on domestic heating retrofit technologies, the heating retrofit scheme of small back-pressure turbine was selected as the heating retrofit scheme for No.7 and No.8 unit of Jingyuan Second Power Co., Ltd.. In this scheme, the heating steam is extracted from the connection pipe between the medium and the low pressure cylinder of the No.7 and No.8 steam turbine generator unit. Part of the steam is sent into the back-pressure steam turbine generators to produce electricity, and the exhaust steam is sent into two primary heaters to heat the circulating water to 95 ℃. The other part of the steam is sent into the peak-load heaters to further heat the circulating water to 130 ℃ so as to supply heat. In the non-heating period, the heating system can be decomposed, and the extraction of steam from connection pipe of the main steam turbine can be stopped. The result shows that, under the condition with heating load of 107.2 MW and heating period of 150 days, after the heating retrofit project was carried out, the annual total heating supply is 1 389 826 GJ, the total reduction of standard coal consumption is 36 068.7 t/a, the reduction of CO2, SO2, NOx and dust emissions is 144 007.6 t/a, 167.7 t/a, 196.6 t/a and 196.4 t/a, respectively. The actual operation situation proves that, the small back-pressure turbine heating retrofit scheme, of which the system is clear and can stably operate, the energy conservation and emissions reduction of the project are profitable. Additionally, it can effectively reduce the auxiliary power consumption rate and increase the on-grid energy, which creates objective benefit for power plants. It is confirmed that the heating retrofit scheme technology of small back-pressure turbine is mature, and it is worth promoting in cities with stable heating load in North China.

heating retrofit, small back-pressure turbine, heat-electricity co-generation, heating system, energy saving and emission reduction, flexibility

Science and Technology Planning Project of Guangdong Province (2013B091500087)

TM 621.4

B

10.19666/j.rlfd.201807137

李靖, 陳海, 劉健, 等. 基于背壓小汽輪機方案的大型燃煤電站供熱改造[J]. 熱力發電, 2019, 48(2): 132-136. LI Jing, CHEN Hai, LIU Jian, et al. Heating retrofit for large-scale coal-fired power stations based on small back-pressure turbine scheme[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(2): 132-136.

2018-07-16

廣東省科技計劃項目(2013B091500087)

李靖(1982—)，男，高級工程師，主要研究方向為燃煤電廠節能改造、燃氣燃油發電及分布式能源領域的工程設計，lijing-cmie@qq.com。

（責任編輯 劉永強）