分軸式燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的供熱改造方案及應(yīng)用研究

張夢哲 劉廣于 李鐵生 左興堂 楊會永

摘 要：近年來，低能耗供熱、供熱靈活性改造成為熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱技術(shù)發(fā)展的重要課題。以某公司為案例，采暖季熱電聯(lián)產(chǎn)機組優(yōu)先運行保障蒸汽供應(yīng)，但蒸汽用戶不斷增多，蒸汽供需矛盾仍較突出;且燃料有限，高效燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組被迫停機備用，采暖季發(fā)電量低。針對以上問題，公司對燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組進行了供熱改造，擴建了一臺背壓式汽輪機組供應(yīng)蒸汽并提高發(fā)電量，且在國內(nèi)外首創(chuàng)了分軸式燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組供熱改造方案及其多功能、多模式運行方式。

關(guān)鍵詞：燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電;供熱改造;供汽

中圖分類號：TK284.1 ?文獻標志碼：A ?文章編號：1671-0797（2022）09-0024-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.007

0 ? ?引言

近年來，低能耗供熱、供熱靈活性改造成為熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱技術(shù)發(fā)展的重要課題[1]。某公司現(xiàn)有10臺（套）發(fā)電機組，負責(zé)煤氣等二次能源的回收利用及公司蒸汽管網(wǎng)的供應(yīng)保證，整體自發(fā)電比例達到60%，其中，3臺高效燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組（1臺150 MW和2臺50 MW）承擔(dān)80%的發(fā)電任務(wù)，2臺25 MW抽凝式汽輪機機組及1臺15 MW背壓式汽輪機組主要承擔(dān)公司蒸汽管網(wǎng)供應(yīng)任務(wù)。

當前國家環(huán)保要求日趨嚴格，采暖季限產(chǎn)將常規(guī)化，結(jié)合近三年來采暖季各發(fā)電機組運行實際，其存在著蒸汽供應(yīng)能力不滿足新增項目蒸汽需求;常規(guī)鍋爐環(huán)保排放不穩(wěn)定，環(huán)保停產(chǎn)壓力大;燃料供應(yīng)緊張，高效發(fā)電機組停運，自發(fā)電比例低等問題。為提高蒸汽供應(yīng)能力、降低環(huán)保風(fēng)險、增加發(fā)電量，有必要對現(xiàn)有的發(fā)電機組進行改造，突破上述制約瓶頸。

1 ? ?存在的制約瓶頸

1.1 ? ?采暖季蒸汽供需矛盾突出

保障冬季生產(chǎn)和采暖需求是公司蒸汽平衡的重點。但是隨著公司發(fā)展，蒸汽用戶和蒸汽使用量增加，現(xiàn)有供熱機組供汽能力已達極限，在采暖季廠區(qū)蒸汽存在供應(yīng)缺口，采暖季蒸汽供需矛盾較為突出。

1.2 ? ?原供熱機組環(huán)保風(fēng)險較高

2臺25 MW抽凝式汽輪機組于2004年投入運行，安全運行14年，但是該機組技術(shù)已屬于落后技術(shù)，受氮氧化物和二氧化硫等環(huán)保指標的限制，整體運行情況不佳。近年來，通過熱風(fēng)再循環(huán)及煙氣噴氨技術(shù)對其進行超低排放改造，得到了較好的效果，但是仍存在鍋爐環(huán)保排放不穩(wěn)定、環(huán)保風(fēng)險仍相對較高等問題，嚴重制約了蒸汽管網(wǎng)供應(yīng)。

1.3 ? ?高效聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組冬季發(fā)電量低

2×50 MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組于2013年投入運行，安全運行5年，該機組氮氧化物和二氧化硫排放指標滿足超低排放標準，但機組的汽輪機為抽凝式，冬季若用其取代原熱電聯(lián)產(chǎn)機組，則抽汽量無法滿足廠區(qū)蒸汽需求。采暖季各發(fā)電機組運行的首要任務(wù)是保證蒸汽管網(wǎng)供應(yīng)，則高效燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組在燃料不足時需被迫停機備用，影響廠區(qū)自發(fā)電量。

針對以上問題，很有必要對現(xiàn)有燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組進行供熱改造，以提高蒸汽供應(yīng)能力和穩(wěn)定性，降低環(huán)保風(fēng)險，增加發(fā)電量。

2 ? ?供熱改造方案

2.1 ? ?改造方案的比較和確定

公司2×50 MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組技術(shù)先進，發(fā)電效率高，污染物排放控制穩(wěn)定且優(yōu)于最新環(huán)保標準;其采用分軸布置，即燃氣發(fā)電系統(tǒng)和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)物理分離，運行工況范圍較寬，燃料調(diào)整手段靈活，具備供熱改造條件。綜上，決定對該型機組進行供熱改造。

2×50 MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，主體設(shè)備包括2臺M251S型燃氣輪機、2臺M251S型煤氣壓縮機、2臺C25-5.68/1.0型蒸汽輪機、4臺發(fā)電機和2臺Q422/566-72（9）-5.9（0.7）/530（230）型余熱鍋爐。其中余熱鍋爐由格菱動力設(shè)備（中國）有限公司提供，其他主體設(shè)備由杭州汽輪機有限公司制造，關(guān)鍵部件從日本三菱重工MHI公司進口。其工藝布置圖如圖1所示。

當前，供熱改造工程技術(shù)種類眾多，應(yīng)選取適合公司現(xiàn)有條件且改造成本較低的改造方案。本文對比了5種較為成熟的改造方案，對其技術(shù)性能、成本和應(yīng)用要求分別進行分析，如表1所示。

可見，背壓小汽輪機供熱改造方案具有較為突出的優(yōu)勢，操作靈活、供熱能力強，且成本控制優(yōu)勢明顯[2]，能滿足改造需要，因此選擇該方案作為2×50 MW CCPP供熱改造方案。最終確定擴建一套背壓發(fā)電機組，并配備一套減溫減壓器和蒸汽引射器系統(tǒng)為輔助供汽設(shè)備。

2.2 ? ?項目改造條件

2.2.1 ? ?技術(shù)條件

本項目采用的背壓式發(fā)電機組技術(shù)為國家政策鼓勵的技術(shù)，同行業(yè)企業(yè)應(yīng)用效果明顯，技術(shù)成熟可靠。

2.2.2 ? ?資源條件

本項目為改建項目，建設(shè)地為廠區(qū)內(nèi)部，項目主要耗能為循環(huán)水和除鹽水，公司現(xiàn)有條件可以滿足本項目的需要。

2.2.3 ? ?施工條件

本項目土建施工量較小，施工場地平整，道路交通方便，水電氣等配套齊全，適宜施工建設(shè)。

2.2.4 ? ?主要燃料動力供應(yīng)

本項目不需要消耗燃料，主要動力消耗為電力、工業(yè)水、除鹽水等。

2.3 ? ?改造方案的實施

在2×50 MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組區(qū)域新建背壓式汽輪發(fā)電機組，運行所需蒸汽由原燃機余熱鍋爐提供，并配套設(shè)置一套減溫減壓器和蒸汽引射器，采用2爐拖1機的運行方式。

（1）選用高溫、次高壓、單缸、單軸背壓式汽輪機，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、維修方便、通用性強，且具有較高的經(jīng)濟性。其參數(shù)如表2所示。

選用發(fā)電機參數(shù)如表3所示。

（2）增加一套減溫減壓器和蒸汽引射器。燃機余熱鍋爐的低壓主蒸汽可通過蒸汽引射器，在高壓蒸汽的引射作用下并入低壓蒸汽管網(wǎng)，增強蒸汽供應(yīng)能力;必要時，高壓主蒸汽亦可通過減溫減壓器直接向蒸汽管網(wǎng)供應(yīng)蒸汽。

3 ? ?改造后的運行方式

3.1 ? ?改造后的工藝布置

增加一套背壓式汽輪機組，改造后的2×50 MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)工藝布置如圖2所示。

2臺燃機余熱鍋爐產(chǎn)生的高、低壓主蒸汽進入高、低壓蒸汽母管，可根據(jù)生產(chǎn)需求分別進入3臺汽輪機做功：

（1）高效發(fā)電模式下，主蒸汽進入2臺原抽凝式汽輪機執(zhí)行發(fā)電任務(wù);

（2）蒸汽供應(yīng)模式下，主蒸汽通過聯(lián)絡(luò)母管進入背壓式汽輪機執(zhí)行發(fā)電任務(wù)和供汽任務(wù)。

改造后，2×50 MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組可實現(xiàn)不同模式下的靈活切換。

3.2 ? ?改造后燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的4種運行模式

改造后的新2×50 MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組可在采暖季和非采暖季分別選用不同的運行模式，該種多功能、多模式運行方式系國內(nèi)外首創(chuàng)。

采暖季，選用蒸汽供應(yīng)模式，提高蒸汽供應(yīng)能力。背壓式汽輪機組所需蒸汽由燃機余熱鍋爐提供，采用2爐拖1機（或1爐拖1機）的運行方式;燃機余熱鍋爐低壓主蒸汽采用引射的方式并入廠區(qū)管網(wǎng)。

非采暖季，選用高效發(fā)電模式，采用現(xiàn)有的抽凝機組提高發(fā)電量，并根據(jù)生產(chǎn)需要為廠區(qū)供應(yīng)蒸汽。

根據(jù)生產(chǎn)需求，亦可實現(xiàn)單臺余熱鍋爐拖背壓機進行蒸汽供應(yīng)，另一余熱鍋爐繼續(xù)以高效發(fā)電模式運行;或燃機余熱鍋爐主蒸汽直接供減溫減壓器，向低壓蒸汽管網(wǎng)供應(yīng)蒸汽。

4種模式下5臺發(fā)電機組及減溫減壓器運行情況如表4所示。

3.3 ? ?不同生產(chǎn)需求下各發(fā)電機組運行模式

對2×50 MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組進行供熱改造后，現(xiàn)公司11臺（套）發(fā)電機組在不同蒸汽需求的工況下，可做新的部署調(diào)整。

在采暖季和非采暖季，3臺高效燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組均可高效運轉(zhuǎn)，將有效提高自備電站冬季發(fā)電供電能力。

非采暖季，3臺燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組均可選用高效發(fā)電模式;現(xiàn)有的2臺25 MW抽凝式機組和原15 MW背壓式機組為廠區(qū)提供蒸汽，并結(jié)合廠區(qū)其他余熱回收產(chǎn)生的蒸汽，可以和廠區(qū)蒸汽需求保持平衡。

采暖季，150 MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組仍可高效運轉(zhuǎn);2臺抽凝式汽輪機發(fā)電機組可停機備用;通過本次改造，2×50 MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組切換為蒸汽供應(yīng)模式，采用2臺燃機余熱鍋爐拖背壓式汽輪發(fā)電機組執(zhí)行蒸汽供應(yīng)任務(wù)和發(fā)電任務(wù)，并由原15 MW背壓式機組配合運行，保障采暖季的蒸汽供應(yīng)。

4 ? ?改造后的效果

2×50 MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組供熱改造工程項目建成后，可有力提高采暖季蒸汽供應(yīng)能力和供汽穩(wěn)定性，同時為廠區(qū)提供自備電力;且2×50 MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組可在4種運行模式下靈活切換，可根據(jù)蒸汽使用需求調(diào)整為單臺燃機余熱鍋爐拖背壓式汽輪機供應(yīng)蒸汽，另一臺燃機余熱鍋爐拖抽凝式汽輪機。

本次改造一方面提高了蒸汽供應(yīng)能力，填補了廠區(qū)采暖季蒸汽的缺口，同時還提高了高效燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的能源利用率;另一方面，可以利用余熱發(fā)電，滿足廠區(qū)的用電需求，并降低了環(huán)保風(fēng)險，能源得以高效梯級綜合利用，實現(xiàn)了綜合能效提升。新增背壓式汽輪發(fā)電機組主要技術(shù)經(jīng)濟指標如表5所示。

如表5所示，本項目背壓式發(fā)電機組預(yù)計年運行時間為2 928 h，年發(fā)電量3 513.6萬kW·h，自身年耗電量43.92萬kW·h，年供電量3 469.68萬kW·h，年供蒸汽409.9×103 t，年節(jié)能量折合標煤18 539.23 tce。

5 ? ?結(jié)語

綜上可見，2×50 MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的供熱改造，在提高采暖季蒸汽供應(yīng)能力的同時，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和節(jié)能效果亦十分可觀。此外，該種燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的供熱改造和多功能、多模式運行方式系國內(nèi)外首創(chuàng)，為分軸式燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的供熱改造和運行提供了一種創(chuàng)新的方案。

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收稿日期：2022-02-14

作者簡介：張夢哲（1994—），男，河北唐山人，碩士研究生，從事發(fā)電設(shè)備管理工作。