汽輪機供熱能力提升改造方案對比分析

陳飛飛 俞 聰 雷炳成 唐樹芳

（華電電力科學研究院有限公司，浙江杭州310030）

0 引言

隨著國民生活水平的提高和人民群眾環保意識的增強，區域鍋爐房和分散式小鍋爐已經不符合時代發展的要求，必須用其他熱源對其進行有效替代。諸如工業余熱、各類可再生能源、熱泵等雖能實現綠色供熱，但是受應用條件限制，無法大范圍推廣，因此大力發展熱電聯產事業，有效挖掘現有機組的供熱潛力是現實的迫切需求。

1 供熱能力提升改造方案

1.1 高背壓供熱技術

高背壓供熱技術是通過提高汽輪機低壓缸排汽壓力，將乏汽直接用來加熱熱網循環水的一種供熱方式，由于充分利用了汽輪機排汽的汽化潛熱，可以實現汽輪機冷源損失接近為零。高背壓供熱技術受熱網回水溫度影響較大，有一定的調峰能力，外部熱負荷越接近設計值，機組效益越好[1]。

1.2 光軸供熱技術

光軸供熱技術是在采暖期用光軸轉子替換原低壓缸轉子實現背壓供熱的方案，可以實現低壓缸不發電，中壓缸排汽全部用于加熱熱網循環水。此種方式也可以實現汽輪機冷端近乎為零的熱量損失，但是每年都需要停機更換轉子，工程量巨大。

1.3 熱泵供熱技術

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

1.4 新型凝抽背技術

新型凝抽背技術則通過采用增加冷卻蒸汽旁路、低壓缸噴水系統、末級葉片溫度監測、汽輪機葉片防水蝕等技術，來實現低壓缸在極低流量下安全運行[2]。該技術具有投資少、建設周期短、供熱能力強、調峰能力強、調節靈活等優點。

1.5 增汽機技術

增汽機技術是采用高品質蒸汽作為驅動力抽取低品質蒸汽，混合后向外提供中等品質蒸汽的技術。該技術能效系數在1.75～2.2，能夠在不對主機進行大改的情況下有效利用乏汽，具有設備操作簡單等優點，但是機器運行時噪聲較大，變工況性能較差。

2 案例基本情況介紹

2.1 機組和供熱首站參數

某電廠有兩臺熱電聯產機組，汽輪機均為上海汽輪機廠制造，型號為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、一級調整抽汽、抽汽凝汽式汽輪機。汽輪機額定純凝功率350 MW，單臺額定采暖抽汽量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 熱負荷狀況

當地位于華北黃土高原地區，屬大陸性干旱氣候帶，采暖期為5個月，自本年的11月1日至來年的3月31日。當地采暖綜合熱負荷指標為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。根據當地熱電聯產規劃，未來三年內還將新增300萬m2左右的集中供熱面積，機組急需進行供熱擴容改造，以保障當地民生采暖需求。

2.3 其他因素

電廠運行人員反映，由于機組所屬運行設備較多，操作工序繁多，加之運行人員倒班運行，不能持續保持飽滿的精神狀態，因此不希望機組在供熱改造后增加太多的操作程序，供熱調節應盡量簡單易操作，以提高運行人員工作效率，降低操作失誤的概率。

當地電網接入了較多的光伏發電機組和風力發電機組，在供暖季節經常會出現棄風棄光的現象，因此電網要求供熱機組也要參與調峰。

3 供熱能力提升改造方案分析

本節選擇壓縮式熱泵技術、新型凝抽背技術、增汽機技術，從改造方式、供熱能力和調峰能力三個方面進行對比分析。

3.1 改造方式

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

（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到零位、全密封且零泄漏的新液壓蝶閥；增設低壓缸冷卻蒸汽旁路系統；改造低壓缸冷卻噴水系統；末兩級葉片加裝溫度測點并進行防水蝕處理；原有的供熱首站增加一臺熱網加熱器。

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

3.2 改造后供熱能力分析

以供暖季151天，平均熱負荷系數0.69，總體換熱效率0.97作為計算邊界，計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比表

從表1可以看出，三種改造方式均能增加機組供熱能力，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59.89 MW＞壓縮式熱泵44.36 MW。

3.3 改造后調峰能力分析

在外部熱負荷為385MW時，改造前汽輪機電負荷為285MW。在提供同樣的熱負荷時，壓縮式熱泵改造方式對應的電負荷為294 MW，新型凝抽背改造方式對應的電負荷為211 MW，增汽機改造方式對應的電負荷為323 MW。由此可見，新型凝抽背技術可以調峰，其余兩種技術則是使機組多發電。

4 效益分析

按照熱價28元/GJ，煤價600元/t，以最大供熱能力計算收益，結果如表2所示。

從表2可以看出，新型凝抽背技術投資最少，收益最高，而其余兩種改造方案則缺乏競爭力。

表2 三種改造方式投資收益對比表

5 結語

本文介紹了汽輪機供熱能力提升改造的各類技術方案，結合案例的實際需求選擇了其中三種方式進行了計算和分析，結果表明，新型凝抽背技術操作靈活、調峰能力強、改造工程量小、投資低、收益高，對于需要提升供熱能力并參與電網調峰的機組是個很好的改造方案。