熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱改造技術(shù)研究

梁晶賈繼鋼朱良君王世朋賈小偉

熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱改造技術(shù)研究

梁晶1，2，3，賈繼鋼4，朱良君1，2，3，王世朋1，2，3，賈小偉1，2，3

（1.華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2.國家能源分布式能源技術(shù)研發(fā)（實驗）中心，浙江 杭州 310030； 3.浙江省蓄能與建筑節(jié)能技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州 310030；4.天津華電南疆熱電有限公司，天津 300450）

早期發(fā)電機組為了滿足中國經(jīng)濟快速發(fā)展的用電需求，爭取更多發(fā)電量，較少考慮供熱方面問題，但近年來中國社會經(jīng)濟取得長足發(fā)展，人民對生活質(zhì)量的要求也逐步提高，供熱穩(wěn)定性和靈活性等問題越來越重要，對供熱改造技術(shù)的探索也不斷深入。對當前市場上主流的供熱改造技術(shù)原理及特點進行了梳理，并重點介紹了純凝改供熱技術(shù)、低壓光軸轉(zhuǎn)子供熱技術(shù)、吸收式熱泵技術(shù)、汽輪機高背壓供熱技術(shù)等。

熱電聯(lián)產(chǎn)；供熱改造；熱泵技術(shù)；高背壓技術(shù)

1 引言

熱電聯(lián)產(chǎn)機組是指同一電廠不僅生產(chǎn)電能，同時又可以利用做過功的蒸汽為用戶供熱的生產(chǎn)方式，即電能、熱能生產(chǎn)合為一體的工藝過程。傳統(tǒng)的熱電機組抽取在汽輪機組內(nèi)做過功的中低品位蒸汽，以此對外進行供熱，從而達到生產(chǎn)電能的同時又提供熱能的目的，也稱為抽凝式熱電機組，其熱電機組效率可以提高至60%以上[1]。此外，除了抽凝式熱電機組，還可以利用低壓光軸轉(zhuǎn)子、吸收式熱泵、高背壓供熱等節(jié)能供熱改造技術(shù)，進一步提高熱電機組的綜合效率，通過供熱改造，供熱機組熱效率可以提高至80%以上。隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力市場不斷飽和，傳統(tǒng)的熱電機組面臨的生存壓力越來越嚴峻，通過運用合適的供熱改造技術(shù)，可以提高其市場競爭力，以謀求新的發(fā)展契機。

2 純凝改供熱技術(shù)

純凝機組改造為調(diào)整抽汽機組，是指在汽輪機的中壓缸與低壓缸的連通管道上打孔，并在連通管道上裝設(shè)調(diào)整蝶閥，由此連接供熱抽汽管道[2]。一般情況下，普遍的改造方案是直接在連通管道上打孔與抽汽管道相連接，隨后蒸汽流入熱網(wǎng)加熱器，熱網(wǎng)循環(huán)水在加熱器中吸收蒸汽釋放的熱量，產(chǎn)生的疏水與除氧器相連接。

對于傳統(tǒng)的改造方案，尤其是用于300 MW及以上的純凝機組供熱改造時，打孔抽汽的蒸汽參數(shù)較高，達到0.8 MPa以上，此時如果直接抽汽對外供熱，高品位蒸汽中的能量損失非常嚴重，為了使能量梯級利用，一般可選擇一套參數(shù)配置匹配的背壓機組，從汽輪機抽出的高品質(zhì)蒸汽先進入背壓機組做功，做完功之后的蒸汽再進入熱網(wǎng)加熱器進行供熱。這樣配置可以使能量合理梯級利用，既滿足了供熱的需求，又使高品質(zhì)蒸汽的能力得到合理利用。通常情況下，一個供熱負荷周期的早期和末期時的負荷值都比較小，此時對供熱蒸汽參數(shù)要求較低，這種情況下蒸汽流量相對比較小，同時還需要不斷進行調(diào)整，以免對背壓機運行產(chǎn)生不利影響。因此為了使背壓機經(jīng)濟、高效、穩(wěn)定運行，在供熱周期的早期和末期，將供熱蒸汽與旁路相連直接送入加熱器，等待供熱負荷穩(wěn)定后，切斷旁路系統(tǒng)，將高品質(zhì)蒸汽送入背壓機組做功，做功后的乏汽再進入熱網(wǎng)加熱器。

除改造為調(diào)整抽汽提供熱能之外，還可以改造成非調(diào)整抽汽，此方式不用調(diào)整蝶閥，但不能靈活調(diào)整抽汽壓力，抽汽參數(shù)只能隨機組負荷變動，此方式多用在工業(yè)抽汽場所。

純凝改供熱技術(shù)將熱網(wǎng)循環(huán)水集中到一起進行統(tǒng)一輸送，構(gòu)建了相對完備的輸送體系，此項技術(shù)多應(yīng)用于低壓缸聯(lián)通管加熱處理中。由于管道抽汽參數(shù)相對較高，倘若直接用于循環(huán)加熱，會浪費大量高品質(zhì)能量，也導致此類技術(shù)在供熱改造中直接應(yīng)用的較少。

3 低壓光軸轉(zhuǎn)子供熱技術(shù)

進行低壓光軸轉(zhuǎn)子供熱改造時，僅保留汽輪機的高、中壓缸做功，拆除低壓缸內(nèi)全部雙分流通流，在汽輪機高壓缸、中壓缸和發(fā)電機之間搭配一根新設(shè)計的光軸轉(zhuǎn)子，發(fā)揮連接和傳遞扭矩的作用[3]。

冬季供熱時，可以擴充供熱抽汽管道滿足供熱。與此同時，機組抽汽方式利用非調(diào)整抽汽，抽汽壓力與原機組同等工況相持平，這樣可以保證機組的安全性。另外，中低聯(lián)軸器和低發(fā)聯(lián)軸器均采用液壓螺栓結(jié)構(gòu)，保證原低壓轉(zhuǎn)子與新設(shè)計低壓光軸轉(zhuǎn)子的互換性。為了預防在供熱運行期間低壓隔板槽檔發(fā)生變形或者銹蝕情況，可以在機組低壓缸隔板或者隔板套槽內(nèi)加裝配套設(shè)計的保護部套。夏季非供暖期，將低壓汽輪機改為原轉(zhuǎn)子，切換為凝汽機組。完成相應(yīng)的供熱改造后，供熱季和非供熱季機組采用不同的運行方式，在每年季節(jié)變換時期，對機組進行停機維護，開展低壓缸揭缸工作，更換低壓轉(zhuǎn)子、聯(lián)通管、隔板及隔板套等設(shè)備部件。

采用低壓光軸改造供熱技術(shù)，可以將改造原機組輔助系統(tǒng)的量減到最小，利用汽輪機的中壓缸排汽來供熱，消除冷源損失，增大供熱量，降低機組發(fā)電負荷，運行安全可靠，實現(xiàn)機組節(jié)能減排、節(jié)約用水的目的。對于熱電矛盾突出、棄風棄光現(xiàn)象嚴重，同時還有一定的調(diào)峰輔助政策的地區(qū)，具有較為廣泛的現(xiàn)實意義。

4 吸收式熱泵技術(shù)

吸收式熱泵是以蒸汽和煙氣等高溫熱源為驅(qū)動，提取如冷卻循環(huán)水和煙氣余熱等低溫熱源熱量，最終輸出中溫熱能。在真空狀態(tài)下水的沸點降低，典型的蒸汽型溴化鋰吸收式熱泵利用水蒸發(fā)吸熱的特點，以水作為制冷劑，以溴化鋰濃溶液作為吸收劑，以高溫蒸汽作為驅(qū)動熱源，從低溫熱源中提取熱量[4]。利用溴化鋰吸收劑濃溶液加熱蒸發(fā)、稀釋放熱的特性，可以回收相關(guān)工藝中的熱量。目前將吸收式熱泵技術(shù)與熱電聯(lián)產(chǎn)機組相結(jié)合的供熱形式，主要包括集中式吸收式熱泵供熱技術(shù)與大溫差熱泵供熱技術(shù)。

集中式吸收式熱泵供熱技術(shù)，指以電廠的高溫煙氣或高參數(shù)蒸汽作為驅(qū)動熱源，將吸收式熱泵設(shè)置在熱源側(cè)，以電廠的低溫煙氣余熱或低溫乏汽余熱為低溫熱源，提取低溫熱源的熱量來加熱熱網(wǎng)水，從而對外供熱。

大溫差熱泵供熱技術(shù)，指為使一次管網(wǎng)回水溫度降低至30 ℃以下，增大供回水溫差，在二級換熱站處用吸收式換熱機組取代傳統(tǒng)的板式換熱器供熱技術(shù)。對比集中式吸收式熱泵供熱技術(shù)，因為將熱泵應(yīng)用于二次熱網(wǎng)使供/回水溫差有了較大程度的提高，相應(yīng)提升了管網(wǎng)的輸送能力。

吸收式熱泵供熱改造技術(shù)的低溫熱源是循環(huán)水，以此獲取能量完成供熱。與其他技術(shù)相比，改造工作量較大，而且在實踐操作中，只有供熱量達到某一要求值的前提下才能夠發(fā)揮相關(guān)改造的作用，其對供熱系統(tǒng)供熱量的要求較高。通過相關(guān)計算可知，該項技術(shù)可以提高資源利用率，但同時欠缺資金成本方面的優(yōu)勢，需要較高的總投資成本，導致其在供熱改造工程選擇方面競爭優(yōu)勢薄弱。

5 汽輪機高背壓供熱技術(shù)

汽輪機高背壓供熱技術(shù)，指通過相關(guān)技術(shù)將原有汽輪機組被壓提高，即適當降低凝汽器真空，提高排汽溫度和壓力，并利用排汽加熱熱網(wǎng)回水，從而提高循環(huán)水溫度，利用循環(huán)水為熱媒向熱用戶供暖的供熱技術(shù)[5]。汽輪機高背壓供熱，又可分為直接高背壓供熱和雙轉(zhuǎn)子雙背壓供熱兩種方式。

將抽汽供熱機組改造為高背壓供熱機組，可根據(jù)濕冷機組和空冷機組的不同，采用不同的技術(shù)路線。濕冷機組的運行背壓一般較低，為5 kPa左右，背壓提高過多，會影響汽輪機運行安全，或達不到供熱需求。濕冷機組進行高背壓改造時有兩種方式，即低壓轉(zhuǎn)子去掉末級葉片方式和低壓轉(zhuǎn)子一次性改造方式。將直接空冷機組改造為高背壓供熱機組，除增加供熱凝汽器外，還需對熱網(wǎng)循環(huán)水泵、廠內(nèi)供熱管道、閥門等進行部分改造。供熱期，根據(jù)供熱需求情況，調(diào)整部分或全部乏汽進入供熱凝汽器，實現(xiàn)高背壓供熱；非供熱期，將供熱管道上的閥門關(guān)閉，汽輪機乏汽全部進入空冷島。間接空冷機組類似于純凝機組，它有凝汽器，乏汽在凝汽器中冷凝，循環(huán)水通過空冷塔換熱。可采用間接空冷機組雙溫區(qū)凝汽器供熱技術(shù)進行供熱，它不改變汽輪機本體和間冷塔現(xiàn)狀，供熱期適當提高汽輪機背壓，利用熱網(wǎng)循環(huán)水，通過凝汽器回收汽輪機排汽余熱，進行供熱；在非供熱期，切換到間冷塔運行純凝工況。

濕冷機組高背壓供熱改造的另一種方案是夏季時維持機組背壓5 kPa不變，冬季供熱時將低壓純凝轉(zhuǎn)子更換為低壓高背壓轉(zhuǎn)子，使供熱背壓提高，比如50 kPa左右，供熱期結(jié)束后再次更換回低壓純凝轉(zhuǎn)子。由于供熱期和非供熱期采用的是不同的兩根低壓缸轉(zhuǎn)子，所以稱為雙轉(zhuǎn)子雙背壓互換供熱技術(shù)。該技術(shù)適用于改造大型機組循環(huán)水余熱回收，在安全性方面很好解決了高背壓供熱的諸多問題，但同時該技術(shù)也有相應(yīng)的缺陷，即消化掉進入凝汽器乏汽的巨大余熱量，要求供熱面積龐大且穩(wěn)定。

高背壓供熱改造技術(shù)以提高排汽溫度參數(shù)來達到優(yōu)化供熱效果的目的，在實際使用中將此項技術(shù)應(yīng)用于高壓環(huán)境，對環(huán)境壓力控制方面有較高的要求，另外還需要更換低壓缸轉(zhuǎn)子，導致此項改造技術(shù)實際使用成本較高，同時在機組處于非供暖期時，其發(fā)電量也相應(yīng)降低。

6 小結(jié)

隨著國家能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃的穩(wěn)步推進與落實，綠色發(fā)展理念得到了社會公眾越來越多的關(guān)注與重視。以往設(shè)計的供熱方案對資源造成了浪費，給環(huán)境帶來了污染，在當前形勢下，急切需要新的技術(shù)手段改善供熱機組性能，提高供熱效率。在此背景下，對供熱改造技術(shù)的研究也會越來越深入，同時相關(guān)技術(shù)的核心技術(shù)屏障也會不斷顯現(xiàn)，但毋庸置疑的是，今后更全面、更先進的改造技術(shù)也會不斷涌現(xiàn)。

［1］馮為為.熱電聯(lián)產(chǎn)的“破”與“展”［J］.節(jié)能與環(huán)保，2016，260（2）：49-51.

［2］劉裕.火電廠純凝汽輪機組抽汽供熱改造技術(shù)［J］.環(huán)球市場，2020（1）：169.

［3］奚守譜.光軸和切缸改造技術(shù)在供熱機組的應(yīng)用［J］.設(shè)備管理與維修，2018，431（17）：107-109.

［4］刁培濱，徐靜靜，余莉，等.燃氣分布式能源站余熱深度利用技術(shù)方案研究［J］.華電技術(shù)，2019，41（12）：37-40，45.

［5］戈志華，孫詩夢，萬燕，等.大型汽輪機組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.

TM621

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.067

2095－6835（2021）08－0164－02

梁晶（1988—），男，山西忻州人，碩士研究生，主要從事分布式能源方面研究。

〔編輯：嚴麗琴〕