汽輪機旁路系統在調峰過程中提高熱源輸出的技術研究

吳小杰

（京能（赤峰）能源發展有限公司，內蒙古 赤峰024000）

1 引言

本項目將圍繞熱電解耦關鍵技術展開研究，通過汽輪機低壓旁路改造，獲得汽輪機旁路系統可以在保障安全性的前提下具備深度調峰能力。重點針對抽汽機組深度調峰時通過旁路系統滿足工業抽汽能力的靈活性改造開展研究，并開展低壓缸小流量運行可靠性研究、調峰最佳工況等試驗，最終獲得汽輪機旁路系統在深度調峰背景下實現熱電解耦的技術改造及關鍵技術應用。通過該項目的研究，為深度調峰技術的應用提供了參考，對推動火電機組的深度調峰以及實現熱電解耦具有重要意義。

2 項目背景

京能（赤峰）能源發展有限公司汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產的2×150MW 超高壓一次中間再熱、單軸、雙缸、雙抽汽供熱、凝汽式汽輪機，2 個工業抽汽口位于中壓缸第12 級后，設計抽汽壓力：0.98MPa，設計抽汽溫度：346.9℃，額定工業抽汽量：50t/h，2 臺機組嚴寒期工業抽汽量約70t/h。機組參與深度調峰時，為滿足鍋爐及環保相關參數要求，只能采取將2#機電負荷降至50MW，1#機組降至110MW，由1#機帶動工業抽汽的運行方式，此時，1#機電負荷110MW，工業抽汽壓力0.6MPa，勉強滿足用戶要求。但隨環境溫度的降低，供熱量增加，電負荷也隨之增加，使2 臺機組的總上網電量無法滿足東北能源監管局《東北電力輔助服務市場運營規則（征求意見稿）》采暖季調峰期不大于150MW 的要求，使調峰考核增加，給公司經營帶來了巨大的壓力。

3 應用前景

目前，國內火電機組深度調峰靈活性改造研究開發工作十分活躍，深度調峰靈活性改造技術大體可以分為4 大類：（1）蓄熱供熱技術；（2）電鍋爐供熱技術；（3）低壓缸零出力技術；（4）汽輪機旁路供熱技術。而汽輪機旁路供熱技術是目前最有前途的靈活性改造技術之一，它利用汽輪機高、低旁聯合供汽機理，達到機組深度調峰的同時，又能滿足工業抽汽的需求。這一技術的最大特點是初投資低，系統投、切運行操作簡單。如果能實現旁路供汽工藝，則能夠取得較高的經濟效益。

4 解決問題的思路

為解決機組深度調峰過程中工業抽汽難以安全穩定輸出的問題，擬采用低旁后蒸汽改造后供工業抽汽，以保障工業抽汽用戶需求。

低壓旁路設計容量為30%BMCR （Boiler Maximum Continue Rate），流量163t/h。低旁減溫減壓后的蒸汽參數可維持在0.75MPa，溫度300℃，與工業抽汽設計參數相當，可將此系統改造用于低負荷下供工業抽汽的供應，高旁系統的投入可以將高排蒸汽減溫至約300℃，使鍋爐再熱器冷卻效果更好，間接地在低負荷下保護了鍋爐再熱器，且現場設備安裝空間有利于系統改造。

5 改造方案

在低旁出口至三級減溫器之間加裝電動球閥，電動球閥前設置異徑三通，同時將新增電動球閥至低旁出口間管材由原Q235A 螺旋縫管升級為20#鋼無縫管，從新增三通處鋪設管道引接至工業抽汽母管，并曾設疏水點。改造后系統流程如圖1 所示。

圖1 改造后系統流程圖（云線范圍為改造部分）

6 系統改造后試運行情況

6.1 試投運高、低旁聯合供工業抽汽（2019 年8 月31 日2#汽輪發電機組）

8：30：2#機負荷80MW，旁路系統開始暖管。

9：15：2#機負荷60MW，開始逐漸投入低旁，主蒸汽壓力8.0MPa，溫度508℃；再熱蒸汽壓力1.7MPa，溫度510℃；軸向位移0.38mm；高壓脹差2.75mm，低壓脹差3.28mm；1#機三抽供工業抽汽，供汽壓力0.62MPa，溫度300℃，供汽流量40t/h；2#機低旁調節閥開度10%，穩定運行10min，無異常現象。

9：55：2#機負荷60MW，主蒸汽壓力7.8MPa，溫度514℃；再熱蒸汽壓力1.5MPa，溫度501℃；軸向位移0.36mm；高壓脹差2.96mm，低壓脹差3.15mm；低旁調節閥開度50%；1#機三抽供工業抽汽全停，供汽壓力0.60MPa，溫度300℃，供汽流量36t/h；

10：30：2#機開始投運高旁。

14：00：2#機負荷40MW，主蒸汽壓力7.4MPa，溫度476℃，流量180t/h；再熱蒸汽壓力1.17MPa，溫度465℃；軸向位移0.39mm；高壓脹差2.96mm，低壓脹差2.87mm；低旁調節閥開度67%，高旁調節閥開度42%。1#機三抽供工業抽汽全停，供汽壓力0.60MPa，溫度300℃，供汽流量37t/h；鍋爐環保參數都能控制在合格范圍內。

6.2 數據對比分析

6.2.1 高旁必須投運

低旁供工業抽汽試驗時，最大供汽量36t/h，軸向位移并未發生明顯變化，但冬季最大工業抽汽供熱量達到60t/h，所以，為確保安全，還要配合投運高旁。

6.2.2 調整主再熱汽溫，控制脹差

機組負荷降低后，汽缸的膨脹會減小，所以，必須適當降低主再熱蒸汽溫度，減小轉子的膨脹，控制脹差在正常范圍內。負荷50MW 以下時，汽溫480～500℃，能滿足要求。

6.2.3 高低旁壓力調節閥開度控制

高旁減溫減壓閥額定流量144t/h，低旁減溫減壓閥額定流量163t/h，根據高低旁流量匹配基于“低旁蒸汽流量=高旁蒸汽流量+高旁減溫水流量”原則，調整過程中要保證低旁電動調節門開度大于高旁電動調節門開度5%～10%。

7 系統改造后運行效果

非供熱期調峰：深度調峰時，投入旁路系統，機組負荷可降至50MW，能滿足工業熱用戶及調峰要求。

供熱初、末期調峰：深度調峰時，2#機電負荷降至50MW，通過旁路系統，帶50t/h 的工業抽汽。1#機投入采暖抽汽，控制電負荷不超過100MW，采暖供熱量能達到650GJ/h；這樣雙機負荷可以控制150MW 以下，不被電網考核。

供熱高峰期調峰：根據目前的機組運行情況，通過高低旁聯合供工業抽汽，尋求滿足最大工業和采暖供熱量及深度調峰的最佳工況。

8 結語

高、低旁聯合供工業抽汽系統實現了低成本熱電解耦，解決以熱定電困局，滿足調峰需求的同時，又保障了工業抽汽系統的安全穩定輸出，達到了能源梯度利用、分級輸出的作用。系統運行穩定可靠，可靈活切換、快速調峰。在機組參與深度調峰時，在滿足工業抽汽用戶需求的情況下實現了機組最低負荷由85MW 降至40MW。依據東北能源監管局《東北電力輔助服務市場運營規則（征求意見稿）》，同時可獲得較高的調峰收益，經濟效益顯著。