50 MW純凝生物質機組供熱改造方案

李定青，李德波，董啟盛

（1.陽山南電生物質發電有限公司，廣東 清遠 513100；2.南方電網電力科技股份有限公司，廣東 廣州 510080；3.廣東粵電湛江生物質發電有限公司，廣東 湛江 524300）

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，集中式供熱需求不斷增長，小型分散工業鍋爐供熱存在高耗能、高污染、低熱效率等問題，不符合國家節能減排淘汰落后產能的政策要求［1］。隨著國家藍天保衛戰三年行動計劃的實施，小型分散供熱鍋爐逐漸將被淘汰［2］，清潔供熱逐漸興起，清潔熱源需求增長。而在清潔供熱中應用較為成熟和便利的天然氣供熱受到氣源緊缺，成本較高的限制，取得的效果不理想。對比各類清潔能源蒸汽成本來看，生物質供熱的綜合成本較低，技術成熟，逐漸成為工業生產清潔供熱的主力軍。

以50 MW 純凝生物質發電機組為例，結合熱用戶需求對3 種可選供熱改造方案進行比較分析，提出經濟性較好的優選方案并在技術層面上進行分析論證。

1 供熱概況

某電廠2×50 MW 發電機組汽輪機為N50-88.3/535型高溫高壓、單軸、單缸、沖動凝汽式汽輪機，由東方汽輪機廠制造，汽輪機在汽輪機額定負荷（Turbine Rated Load，TRL）的主要熱力特性參數見表1。

表1 汽輪機主要熱力特性（TRL工況）

工業園熱用戶主要有飼料、醫藥、食品等生產制造企業，供熱所需蒸汽參數全年較為穩定，蒸汽參數要求為0.8～1.0 MPa，180～200 ℃，流量50 t/h，考慮供熱管道溫度、壓力損失，設計供熱蒸汽參數為1.25 MPa，230 ℃。

2 改造方案

凝汽式汽輪機供熱改造常用的方案有3 種：一是將高壓蒸汽減溫減壓后使其達到供熱參數要求；二是對汽輪機本體進行通流改造［3-6］；三是利用壓力匹配器將高壓蒸汽與低壓蒸汽混合使其壓力、溫度達到蒸汽參數要求。結合熱用戶需求，盡可能降低投資成本，提高機組運行經濟安全性能，可選的供熱方案主要有如下3種方式。

1）切除1 號高溫加熱器、2 號高溫加熱器進行取汽供熱，分別對一、二段抽汽進行減溫減壓并匯集于分汽缸進行對外供熱，汽輪機本體結構不做改動，工藝流程如圖1 所示。根據汽輪機廠家提供熱平衡圖核算各汽源參數，見表2，一、二段抽汽蒸汽品質與熱負荷參數較接近，TRL工況下兩臺機組一、二段抽汽量為52 t/h，主汽減溫減壓后蒸汽作為備用汽源，該方案改造工程量小，技術方案較成熟，對原系統影響小，但經濟性一般，特別是一臺機組停運時需主蒸汽減溫減壓后作為補充汽源，焓值損失大，影響機組經濟性。

圖1 方案一供熱改造

表2 方案一汽源參數

2）對汽輪機本體打孔抽汽對外進行供熱。對汽輪機本體進行小范圍改造，即在原二段抽汽口附近沿圓周方向左右各增加一個非調整抽汽口，對汽輪機第八級通流進行改造，同時對機組抽汽逆止閥和快關閥進行改造，改造后單臺機組即可滿足50 t/h抽汽量的需求。該方案改造后機組通流匹配性更合理，經濟性高。但改造后抽汽流量大大增加，高壓部分調節級前與抽汽口壓差增大，通流部分容易過負荷，需要增加該級葉片強度防止葉片受力增大出現斷裂事故。

圖2 方案二供熱改造

3）一段抽汽、二段抽汽作為高壓汽源，三段抽汽、四段抽汽作為低壓汽源，利用壓力匹配器將高低壓氣源進行混合再匯集于分汽缸經減溫減壓后對外供汽，如圖3 所示。根據汽輪機廠家提供熱平衡圖核算各汽源參數，見表3，在不改造汽輪機本體的情況下，采用壓力匹配器混合高低壓汽源經減溫減壓后，TRL 工況下兩臺機組可產生52 t/h 蒸汽量，主汽減溫減壓后蒸汽作為備用汽源。該方案改造工程量較小，經濟性較方案一好，但供熱系統運行復雜化，維護工作量大，同時壓力匹配器的蒸汽參數調節范圍小，機組變工況運行時供熱蒸汽參數不穩定。

圖3 方案三供熱改造

表3 方案三汽源參數

3 熱經濟性比較

1）方案一切除1 號、2 號高溫加熱器取汽供熱，在TRL工況下，單臺機組輸出功率50 MW，對外供熱量為26 t/h，兩臺機組運行最大可滿足52 t/h 的供熱量，機組熱耗率為9 110 kJ/kWh。

2）方案二汽輪機本體打孔抽汽供熱，在TRL 工況下，單臺機組輸出功率50 MW，單臺機組即可對外供熱量50 t/h，機組熱耗率為8 189 kJ/kWh。

3）方案三利用壓力匹配器混合高低壓汽源進行供熱，在TRL 工況下，單臺機組輸出功率50 MW，對外供熱量為26 t/h，兩臺機組運行最大可滿足52 t/h的供熱量，機組熱耗率為8 916 kJ/kWh。

4）對以上三種方案的熱經濟性進行比較，結果見表4。由表4 可知，在相同發電和供熱負荷情況下，方案二的熱耗率最低，較方案三降低727 kJ/kWh，較方案一降低921 kJ/kWh，同時方案二年度燃料消耗增加量最低，僅為3.49萬t生物質燃料。另外，方案一和方案三在單臺機組運行時需要主蒸汽減溫減壓后作為補充汽源，導致主蒸汽焓值損失大，影響機組經濟性。因此，在滿足供熱用戶需求的同時，盡可能提高機組經濟性，推薦采用方案二進行改造。

表4 供熱改造方案熱經濟性比較

4 方案論證及系統改造

根據熱經濟性比較結果，方案二汽輪機本體打孔抽汽改造對外供熱方案優勢明顯，但需要對方案的關鍵技術進行分析論證和風險評估。

4.1 抽汽口開孔設計

在汽輪機熱耗率驗收工況（Turbine Heat Acceptance，THA）下，汽輪機二段抽汽（即第8 壓力級后）壓力1.363 MPa，為滿足供熱需求，開孔抽汽位置選在汽輪機高壓段第8 級后，在原有二段回熱抽汽口旁邊沿圓周方向左右各開一個孔口，如圖4所示。

圖4 打孔抽汽供熱改造

為減少開孔口在圓周方向上的長度，開孔設計為橢圓形，開孔尺寸根據抽汽參數、抽汽量和蒸汽流速計算確定［7-10］，計算公式為

式中：F為開孔面積，m2；G為抽汽量，kg/h；V為抽汽比容，m3/h；C為抽汽蒸汽流速，m/s；μ為阻力系數，一般取0.95。

抽汽口蒸汽流速通常保持在30～40 m/s。抽汽口采取對稱布置，以便使汽流在汽缸內對稱流動。由于非調整抽汽的蒸汽壓力隨總進汽量變化而變化，因此非調整抽汽要求比較穩定的抽汽量并與額定進汽量相適應。當抽汽量大于額定進汽量的25%時，為保證所要求的抽汽參數，考慮對抽汽口后壓力級的隔板堵塞一定數量的噴嘴。抽汽口開孔采用機械鉆孔后修磨工藝，接管時需將汽缸局部預熱到250～300 ℃，避免汽缸產生變形。同時，抽汽管路應考慮合適的間距便于工作，管道導向支架應允許管道在前后左右方向膨脹，避免抽汽管道膨脹受阻［11-15］。

4.2 凝汽器補水除氧改造

原兩臺機組正常運行補充除鹽水量約為70 t/d，供熱改造后補充除鹽水量增至約52 t/h，除鹽水補水中含氧量約為7 000 μg/L，凝汽器出口凝結水含氧量將急劇上升［12］。為避免鍋爐熱力系統管道產生氧腐蝕，需要對凝汽器喉部補水噴嘴進行改造，使出口凝結水含氧量控制在30 μg/L 以下。通過在凝汽器喉部補水管出口增加兩組新型膜式噴嘴，補充除鹽水通過膜式噴嘴在喉部形成水幕，利用汽輪機排汽加熱除鹽水，溶解在除鹽水中的氧析出隨抽真空系統排出，最終實現降低凝結水含氧量的目的。

4.3 汽水系統加藥方式調整

熱用戶對供熱蒸汽的利用方式有2 種，一種是間接使用蒸汽加熱，只利用熱能來加熱、做功，另一種是利用蒸汽直接接觸加熱食品級產品。對于直接接觸利用蒸汽對汽水品質要求較高，必須滿足GB/T 5749—2006《生活飲用水衛生標準》的要求。原機組給水采取還原性全揮發處理方式（All-Vdatile Treatment（Reduction），AVT（R））除氧，這種方式加入了劇毒物質聯氨，聯氨在爐內水處理中起到化學除氧作用，雖然聯氨在300 ℃時能與氧有效反應并分解，但由于蒸汽的攜帶作用有可能會造成供熱蒸汽攜帶聯氨或是造成蒸汽氨氮超標不符合GB/T 5749—2006《生活飲用水衛生標準》的要求。因此，將（AVT（R））改為弱氧化性全揮發處理方式（All-Volatile Treatment（oxidation），AVT（O）），即是采取給水停止加聯氨，保持給水處于微氧環境，僅利用除氧器進行熱力除氧將給水含氧量控制在10 μg/L 以內，同時調整高壓給水pH 值在9.0～9.2 范圍，這樣既可防止熱力系統氧腐蝕，又滿足熱用戶對蒸汽品質的要求［16-20］。

4.4 化水車間制水改造

機組對外供熱后，冷凝水不考慮回收，改造后機組正常供熱除鹽水補水按照60 t/h計算，考慮機組特殊情況下，例如鍋爐爆管、熱態啟機，機組短時間內補水量預計超過140 t/h，而改造前兩臺機組除鹽水補水母管Φ108 mm×4 及分支補水管DN50 是不滿足改造后除鹽水補水量的要求，需要將除鹽水補水母管到兩臺機組凝汽器的分支補水管道、補水泵入口母管及相關閥門等配套設備進行改造，改造管道按照最大補水量進行設計，確保滿足凝汽器補水需求。此外，為滿足除鹽水補水的出力，對原化水處理車間除鹽水泵進行擴容改造為3×60 t/h，一用兩備。

綜上所述，采用方案二改造后，機組運行安全風險可控，方案具備可行性。

5 結語

通過對高溫加熱器切除、非調整打孔抽汽、高低壓汽源匹配三種供熱改造方案進行比較分析，得出非調整打孔抽汽供熱改造方案熱經濟性最優。

對非調整打孔抽汽供熱改造方案，從抽汽口開孔設計、凝汽器除氧改造、汽水加藥方式調整、化水車間制水能力等方面進行分析論證，得出非調整打孔抽汽供熱改造方案的可行結論。

采取非調整打孔抽汽供熱改造方案實施后，機組由凝汽式改為抽凝式，進汽參數不發生改變，單臺機組抽汽量可達到50 t/h，滿足熱用戶需求。在抽汽量50 t/h、發電功率50 MW 工況時，機組熱耗率為8 189 kJ/kWh，熱效率可達到61.94%，熱電比為92.3，符合供熱改造要求。