大型熱電聯產機組高背壓供熱改造全工況下的熱經濟研究

晉能控股電力集團容海發電公司 張暉東

近年來，我國大型機組的供熱方式以汽輪機中壓缸后抽汽加熱熱網水為主，這種供熱方式的抽汽參數偏高，未能達到與用戶側熱負荷需求相符要求，導致機組作業能耗較高，浪費了大量能源[1]。為了進一步改善此問題，需要對機組的供熱進行改造。目前，改造方案應用較多的是單轉子方式、雙轉子互換方式，這兩種改造方式在大型機組供熱改造中均有所應用，在不同型號機組中展現出的熱經濟效應存在一定差異[2]。因此，討論針對不同型號機組的供熱改造全工況下產生的熱經濟情況，根據熱經濟參數對比結果，給出供熱改造方案[3]。本文嘗試以350MW抽汽供熱機組為例，采用單轉子方式、雙轉子互換方式改造機組供電方案，并對兩種改造方案的熱經濟進行分析。

1 大型熱電聯產機組高背壓供熱

濕冷機組正常作業情況下的背壓約為5kPa，飽和溫度參數為32.5℃，在未采取任何處理的情況下，無法對外供熱。一般情況下，一次網回水的溫度在45℃以上，如果想要達到供熱標準，那么就需要將當前的機組供熱改造為高背壓機組[4]。此時，背壓需要提高，該行為會影響到機組安全作業，為了提高作業安全性，必須更換低壓缸轉子。

機組供熱改造期間，容易對汽輪機本體造成較大影響。為了降低影響，需要調整隔板、流通面積、低壓缸級數等[5]。由于方案的調整會對軸系標高、穩定性造成一定影響，并且供熱控制等系統也會發生改變。因此，在討論機組供熱改造方案熱經濟問題時，需要將供熱季、非供熱季產生的熱經濟納入問題考核中。經過綜合分析，確定最佳改造方案。

2 不同機組高背壓供熱改造方式

2.1 單轉子方式

單轉子改造方式指的是以濕冷汽輪機作為改造對象，通過更換低壓缸轉子，改造機組結構。其中，以空冷轉子作為改造工具，將其作為改造后的機組作業轉子，取代低壓缸轉子。采用這種改造方式，使得機組得以滿足不同季節環境作業下的工業背壓要求，為不同工況下的機組正常作業提供背壓條件。相比之下，夏季的工作背壓相對低一些，要求維持在15kPa，冬季工作背壓相對較高，要求維持在34kPa。由于這種改造方案將非供熱季和供熱季的改造問題考慮在一起，采用相同的處理方案進行改造，所以將其稱為單轉子方式。

2.2 雙轉子互換方式

雙轉子互換方式指的是采用專屬供熱低壓轉子，在供熱期作用于機組高背壓作業。利用這種轉子控制機組供熱作業，直至供熱結束。結束后，將凝汽式轉子替換供熱低壓轉子。夏季時段機組背壓較改造前未發生改變。冬季供熱期間，機組作業期間背壓為54kPa。這種改造方案中，應用了兩種低壓缸轉子，所以將其稱作雙轉子互換方式。

3 基于單耗理論的機組高背壓供熱改造經濟性對比方法

本文提到的兩種改造方式，皆在實際當中有所應用，為了進一步探究哪一種方式更加符合350MW抽汽供熱機組，本文引入單耗理論，對單位產品的損耗進行計算分析，從而得出判斷數據支撐。其中，單耗的計算，除了最低單耗的計算以外，還包括附加單耗的計算。關于理論最低單耗的計算，在沒有發生任何損失的情況下，單位產品的燃料單耗，相對來說計算較為簡單，考慮的因素比較少。而附加單耗的計算，則需要考慮各個環節設備產生的?損失，在此條件下產生的各個燃料單耗的總和，就是附加單耗。假設單耗為b，則其計算公式如下：

公式（1）中，ep代表產品的比?；ef代表燃料的比?；P用于描述產出環節的?；Bi用于描述投入環節的?；bi代表附加單耗；bmin代表理論層面的最低單耗。

通過上述計算分析，可以得到熱力學第二定律效率，由此可以得到?效率，計算公式如下：

公式（2）中，關于產品?效率的計算，可以根據實際燃料單耗求解，不需要對整個系統的作業進行分析，同時也不需要將整個生產過程考慮至其中。

關于汽輪機組作業期間產生的熱效率問題分析，假設機組的發電量為Pe，那么計算其第二定律效率的方法如下：

公式（4）中，Drh代表再熱蒸汽量，單位kg/s；Dfw代表給水流量，單位kg/s；DO代表汽輪機主蒸汽量，單位kg/s；代表高壓缸出口蒸汽?，單位kJ/kg；代表再熱蒸汽?，單位kJ/kg；efw代表給水?，單位kJ/kg；eo代表主蒸汽?，單位kJ/kg；Wt代表機組輸出功率，單位kW。

在確定機組的熱邊界條件以后，按照供熱季和非供熱季對于機組作業的時間要求、供水與回水溫度要求，計算機組的蒸汽量等參數，作為熱效應分析參考依據。為了便于分析，本文提出的兩種改造方案應用期間，機組熱負荷相等。利用Ebsilon軟件模擬機組作業環境，并構建機組熱力模型，利用上述計算公式，統計不同改造方案下的?損耗總數值，推理計算其他指標參數，從而展開經濟性對比。

4 基于Ebsilon的機組熱經濟性計算模型的構建

4.1 確定機組供熱邊界條件

本研究以某地區機組作為研究對象，對運用不同方法加以改造的350MW機組經濟效益進行分析。未對機組采取改造處理之前，該設備的供熱方式為抽汽供熱，相關參數如下：

主汽門前蒸汽額定溫度為565℃，額定作業功率為350MW，再熱汽門蒸汽額定壓力為3.73MPa，主汽門前蒸汽額定壓力為24.3MPa，抽汽壓力為0.4MPa，額定工況蒸汽流量為1065th-1，額定抽汽量為500th-1，再熱汽門蒸汽額定壓力為3.73MPa，排汽壓力為4.9kPa，工作轉速為3000rmin-1。

按照地區熱網特性、溫度情況，確定機組的供熱邊界條件。機組供熱季共計120d，分為非嚴寒潮期、嚴寒潮期，前者持續時間為77d，后者持續時間為43d。其中，嚴寒時期的供水與回水溫度控制范圍45～100℃，考慮到非嚴寒期供熱溫度容易受到影響，與嚴寒時期不同，其供水溫度控制范圍38～65℃，回水溫度控制范圍45～100℃。經過一番驗證發現，機組的總熱耗，發電功率呈現出線性變化特點。設計嚴寒時期機組的供熱負荷為350MW，初期作業時段的供熱溫度為65℃，回水溫度設置為溫度范圍的下降值38℃，根據供熱負荷變工況就散獲取機組的主汽流量。接下來，采用質調節方法，對機組的熱網進行調節。以設計流量為標準，計算熱網水流量。另外，供熱期機組運行時間設定為2880h。為了簡化計算分析流程，本研究在討論兩種不同改造方式的應用效果時，假設這兩種方式應用下機組的熱負荷相同。

4.2 機組熱經濟性計算模型的構建

本研究利用Ebsilon軟件構建熱力系統模型，對機組的全工況經濟性進行分析。本模型的構建，以提高機組變工況分析準確性為目的，引入了迭代計算方法，以變工況為研究條件，計算機組高背壓下的不同工況的作業參數，從而實現不同工況下的熱經濟分析。首先，采用弗流格爾公式，編寫機組各個組件作業程序。其中，涉及的計算參數包括蒸汽比容、蒸汽流量、蒸汽壓力。其次，構建熱平衡方程，將此方程作為熱量吸收分析核心依據。

公式（5）中，ho代表換熱器出口焓，單位kJ/kg；h代表換熱器蒸汽入口，單位kJ/kg；代表熱網水流量，單位kg/h；代表蒸汽流量；hwo代表換熱器熱網水出口焓，單位kJ/kg；hw代表換熱器熱網入出口焓，單位kJ/kg。

最后，根據計算結果，做出熱經濟對比判斷分析。

5 不同改造方式下的全工況經濟性對比分析

本次經濟性能對比分析，主要從兩個方面展開，第一個方面是供熱季條件，第二個是非供熱季條件，利用Ebsilon軟件模擬機組作業環境，模擬機組熱力模型作業狀況，得出相關參數數值。

5.1 供熱季條件下的不同轉換子方式應用經濟性對比分析

供熱季條件下的經濟性對比，以350MW抽汽供熱機組為例，選擇平均發電煤耗率、設計供熱負荷、燃煤量、發電量、最大供熱量作為對比指標。分別采用雙轉子方式、單轉子方式改造機組，在Ebsilon軟件中模擬應用這兩種改造方案，統計相關經濟性指標數據，結果見表1。

觀察表1中的數據可知，設計供熱負荷相同情況下，與單轉子方式相比，雙轉子方式的平均發電煤耗率更低，最大供熱量偏小，燃煤量稍微高一些，發電量提升的優勢較為顯著。

5.2 非供熱季條件下的不同轉換子方式應用經濟性對比分析

非供熱季條件下的經濟性對比，同樣以350MW抽汽供熱機組為例，選擇機組功率、機組效率、機組損失作為對比指標。分別采用雙轉子方式、單轉子方式改造機組，在Ebsilon軟件中模擬應用這兩種改造方案，統計相關經濟性指標數據，結果見表2。

表2 不同轉換子方式應用下的功率、效率、損失對比

表2中，關于機組功率的統計分析，兩種不同改造方案的機組功率均隨著工況百分比的減小而下降，與單轉子相比，雙轉子的機組功率下降幅度小一些。關于機組效率的統計分析，兩種不同改造方案的機組效率與工況呈現出正相關關系，且雙轉子在其中顯示出的優勢較為顯著。關于機組損失的統計分析，相比之下，雙轉子的機組損失更小。綜上統計分析，與單轉子方式相比，雙轉子方式的應用下的機組供熱改造，更加符合熱經濟要求。

6 總結

本文圍繞大型熱電聯產機組高背壓供熱改造問題展開探究，以熱經濟作為改造方案是否可行的衡量標準。本研究選取單轉子方式、雙轉子方式作為機組供熱改造方法，給出了基本改造方法和熱經濟分析相關參數計算方法。從統計結果來看，雙轉子方式在機組供熱改造中，體現出的熱經濟性能更為可靠。因此，針對350MW抽汽供熱機組的改造，建議選擇雙轉子方式作為機組供熱改造方法。