汽輪機(jī)供熱能力提升改造方案對(duì)比分析

陳飛飛 俞 聰 雷炳成 唐樹芳

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江杭州310030）

0 引言

隨著國(guó)民生活水平的提高和人民群眾環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，區(qū)域鍋爐房和分散式小鍋爐已經(jīng)不符合時(shí)代發(fā)展的要求，必須用其他熱源對(duì)其進(jìn)行有效替代。諸如工業(yè)余熱、各類可再生能源、熱泵等雖能實(shí)現(xiàn)綠色供熱，但是受應(yīng)用條件限制，無法大范圍推廣，因此大力發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)事業(yè)，有效挖掘現(xiàn)有機(jī)組的供熱潛力是現(xiàn)實(shí)的迫切需求。

1 供熱能力提升改造方案

1.1 高背壓供熱技術(shù)

高背壓供熱技術(shù)是通過提高汽輪機(jī)低壓缸排汽壓力，將乏汽直接用來加熱熱網(wǎng)循環(huán)水的一種供熱方式，由于充分利用了汽輪機(jī)排汽的汽化潛熱，可以實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)冷源損失接近為零。高背壓供熱技術(shù)受熱網(wǎng)回水溫度影響較大，有一定的調(diào)峰能力，外部熱負(fù)荷越接近設(shè)計(jì)值，機(jī)組效益越好[1]。

1.2 光軸供熱技術(shù)

光軸供熱技術(shù)是在采暖期用光軸轉(zhuǎn)子替換原低壓缸轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)背壓供熱的方案，可以實(shí)現(xiàn)低壓缸不發(fā)電，中壓缸排汽全部用于加熱熱網(wǎng)循環(huán)水。此種方式也可以實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)冷端近乎為零的熱量損失，但是每年都需要停機(jī)更換轉(zhuǎn)子，工程量巨大。

1.3 熱泵供熱技術(shù)

熱泵分為吸收式熱泵和壓縮式熱泵，前者利用工質(zhì)溶液非共沸特性實(shí)現(xiàn)熱量交換，后者則利用工質(zhì)在不同壓力下相變溫度不同的特性實(shí)現(xiàn)熱量交換。

1.4 新型凝抽背技術(shù)

新型凝抽背技術(shù)則通過采用增加冷卻蒸汽旁路、低壓缸噴水系統(tǒng)、末級(jí)葉片溫度監(jiān)測(cè)、汽輪機(jī)葉片防水蝕等技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)低壓缸在極低流量下安全運(yùn)行[2]。該技術(shù)具有投資少、建設(shè)周期短、供熱能力強(qiáng)、調(diào)峰能力強(qiáng)、調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點(diǎn)。

1.5 增汽機(jī)技術(shù)

增汽機(jī)技術(shù)是采用高品質(zhì)蒸汽作為驅(qū)動(dòng)力抽取低品質(zhì)蒸汽，混合后向外提供中等品質(zhì)蒸汽的技術(shù)。該技術(shù)能效系數(shù)在1.75～2.2，能夠在不對(duì)主機(jī)進(jìn)行大改的情況下有效利用乏汽，具有設(shè)備操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是機(jī)器運(yùn)行時(shí)噪聲較大，變工況性能較差。

2 案例基本情況介紹

2.1 機(jī)組和供熱首站參數(shù)

某電廠有兩臺(tái)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，汽輪機(jī)均為上海汽輪機(jī)廠制造，型號(hào)為CZK350-24.2/0.4/566/566，型式為超臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、直接空冷、一級(jí)調(diào)整抽汽、抽汽凝汽式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)額定純凝功率350 MW，單臺(tái)額定采暖抽汽量500 t/h，最大采暖抽汽量550 t/h，折算供熱能力約為385 MW。

2.2 熱負(fù)荷狀況

當(dāng)?shù)匚挥谌A北黃土高原地區(qū)，屬大陸性干旱氣候帶，采暖期為5個(gè)月，自本年的11月1日至來年的3月31日。當(dāng)?shù)夭膳C合熱負(fù)荷指標(biāo)為51 W/m2，2019—2020年采暖季電廠已接待供暖面積1 300萬m2，逼近電廠供熱能力上限。根據(jù)當(dāng)?shù)責(zé)犭娐?lián)產(chǎn)規(guī)劃，未來三年內(nèi)還將新增300萬m2左右的集中供熱面積，機(jī)組急需進(jìn)行供熱擴(kuò)容改造，以保障當(dāng)?shù)孛裆膳枨蟆?/p>

2.3 其他因素

電廠運(yùn)行人員反映，由于機(jī)組所屬運(yùn)行設(shè)備較多，操作工序繁多，加之運(yùn)行人員倒班運(yùn)行，不能持續(xù)保持飽滿的精神狀態(tài)，因此不希望機(jī)組在供熱改造后增加太多的操作程序，供熱調(diào)節(jié)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單易操作，以提高運(yùn)行人員工作效率，降低操作失誤的概率。

當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)接入了較多的光伏發(fā)電機(jī)組和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在供暖季節(jié)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)棄風(fēng)棄光的現(xiàn)象，因此電網(wǎng)要求供熱機(jī)組也要參與調(diào)峰。

3 供熱能力提升改造方案分析

本節(jié)選擇壓縮式熱泵技術(shù)、新型凝抽背技術(shù)、增汽機(jī)技術(shù)，從改造方式、供熱能力和調(diào)峰能力三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 改造方式

（1）壓縮式熱泵改造：汽輪機(jī)機(jī)組乏汽主管上增加旁路并安裝凝汽器和壓縮式熱泵，乏汽經(jīng)過凝汽器凝結(jié)，熱網(wǎng)循環(huán)水在通過熱泵蒸發(fā)器吸熱降溫后進(jìn)入凝汽器回收乏汽凝結(jié)熱。熱網(wǎng)回水首先進(jìn)入壓縮式熱泵降溫，然后進(jìn)入汽輪機(jī)乏汽冷凝器，再通過母管分別經(jīng)過壓縮式熱泵和熱網(wǎng)加熱器升溫，最后送至廠外熱網(wǎng)回水管中。

（2）新型凝抽背改造：將原中低壓缸連通管蝶閥更換為可以關(guān)到零位、全密封且零泄漏的新液壓蝶閥；增設(shè)低壓缸冷卻蒸汽旁路系統(tǒng)；改造低壓缸冷卻噴水系統(tǒng)；末兩級(jí)葉片加裝溫度測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行防水蝕處理；原有的供熱首站增加一臺(tái)熱網(wǎng)加熱器。

（3）增汽機(jī)改造：不改動(dòng)原有汽輪機(jī)，加裝一臺(tái)高背壓凝汽器，加裝一臺(tái)增汽機(jī)及其附屬冷凝器，加裝中壓缸排汽管路至增汽機(jī)，加裝低壓缸排汽管路至高背壓凝汽器和增汽機(jī)，加裝增汽機(jī)至增汽機(jī)冷凝器之間的管路，改造熱網(wǎng)循環(huán)水管道，使其依次流過高背壓凝汽器、增汽機(jī)冷凝器、原熱網(wǎng)加熱器。

3.2 改造后供熱能力分析

以供暖季151天，平均熱負(fù)荷系數(shù)0.69，總體換熱效率0.97作為計(jì)算邊界，計(jì)算改造后全廠供熱能力的增加值（表1）。

表1 三種改造方式全廠供熱能力變化對(duì)比表

從表1可以看出，三種改造方式均能增加機(jī)組供熱能力，供熱能力增量從大到小的順序依次為新型凝抽背94.56 MW＞增汽機(jī)59.89 MW＞壓縮式熱泵44.36 MW。

3.3 改造后調(diào)峰能力分析

在外部熱負(fù)荷為385MW時(shí)，改造前汽輪機(jī)電負(fù)荷為285MW。在提供同樣的熱負(fù)荷時(shí)，壓縮式熱泵改造方式對(duì)應(yīng)的電負(fù)荷為294 MW，新型凝抽背改造方式對(duì)應(yīng)的電負(fù)荷為211 MW，增汽機(jī)改造方式對(duì)應(yīng)的電負(fù)荷為323 MW。由此可見，新型凝抽背技術(shù)可以調(diào)峰，其余兩種技術(shù)則是使機(jī)組多發(fā)電。

4 效益分析

按照熱價(jià)28元/GJ，煤價(jià)600元/t，以最大供熱能力計(jì)算收益，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，新型凝抽背技術(shù)投資最少，收益最高，而其余兩種改造方案則缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。

表2 三種改造方式投資收益對(duì)比表

5 結(jié)語

本文介紹了汽輪機(jī)供熱能力提升改造的各類技術(shù)方案，結(jié)合案例的實(shí)際需求選擇了其中三種方式進(jìn)行了計(jì)算和分析，結(jié)果表明，新型凝抽背技術(shù)操作靈活、調(diào)峰能力強(qiáng)、改造工程量小、投資低、收益高，對(duì)于需要提升供熱能力并參與電網(wǎng)調(diào)峰的機(jī)組是個(gè)很好的改造方案。