NCB供熱機組的應(yīng)用前景分析

張 波,邢培杰

(1．東北電力設(shè)計院,長春 130021;2．吉林省電力勘測設(shè)計院,長春 130022)

凝汽抽汽背壓式(NCB)機型是在凝汽抽汽式(NC)供熱機組的基礎(chǔ)上,本著增加機組供熱能力,同時減少機組冷源損失,提高電廠熱效率的目的而開發(fā)的新機型,其總體特點是抽汽量大、效率高,背壓運行時幾乎無冷源損失。NCB機型是在常規(guī)凝汽抽汽350 MW機組高中壓部分與低壓部分之間加裝自動同步離合器,適當(dāng)修改部分設(shè)計而形成。該機型具備凝汽、抽汽、背壓 3種運行功能,根據(jù)供熱負(fù)荷的變化進(jìn)行切換,在供熱負(fù)荷超過抽汽模式的供出量時,可以切除低壓機組,高中壓機組按背壓方式單獨運行。

1 NCB機組布置方式與結(jié)構(gòu)特點

1．1 軸系布置方式

以 350 MW超臨界 NCB機組為例,可以采用 2種軸系布置形式：一種為合軸,即高中壓缸與低壓缸通過3S自動同步離合器連接,共同帶一臺 350 MW電機;一種為分軸,即高中壓缸帶一臺發(fā)電機,低壓缸帶一臺發(fā)電機,2臺發(fā)電機總功率為 350 MW。

1．1．1 合軸布置方式

從汽機向電機看,汽輪機是順時針旋轉(zhuǎn),基礎(chǔ)上依次排布低壓缸、高中壓缸、電機。低壓缸與高中壓缸高壓排汽側(cè)聯(lián)接,電機與高中壓缸中壓排汽側(cè)聯(lián)接。低壓轉(zhuǎn)子與高中壓轉(zhuǎn)子通過3S離合器聯(lián)接,機組在抽凝或純凝工況運行時,3S離合器相當(dāng)于一個撓性連軸器;機組在背壓運行時,3S離合器脫開;機組從背壓改為抽凝運行時,通過聯(lián)通管上啟動閥控制低壓轉(zhuǎn)子啟動,與高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同時,3S離合器自動嚙合。高中壓轉(zhuǎn)子與電機轉(zhuǎn)子通過剛性連軸器連接。

1．1．2 分軸布置方式

從汽機向發(fā)電機側(cè)看,汽輪機是順時針旋轉(zhuǎn),基礎(chǔ)上依次排布 125 MW發(fā)電機、低壓缸、高中壓缸、250 MW發(fā)電機。低壓缸與125 MW發(fā)電機剛性聯(lián)結(jié),250 MW發(fā)電機與高中壓缸中壓排汽側(cè)聯(lián)接。250 MW發(fā)電機轉(zhuǎn)子與高中壓轉(zhuǎn)子通過剛性連軸器連接聯(lián)接。機組在抽凝或純凝工況運行時,高壓汽輪機與低壓汽輪機同時工作;機組在背壓運行時,高壓汽輪機工作,低壓汽輪機停止運行;機組從背壓改為抽凝運行時,通過聯(lián)通管上啟動閥控制低壓汽輪機啟動 ,沖轉(zhuǎn) ,并網(wǎng)。

1．1．3 布置方式比較

2種軸系布置方式的比較如表1所示。2種方案的汽輪機油系統(tǒng)均采用電動主油泵系統(tǒng)。高中壓部分和低壓部分均單獨設(shè)立一套控制啟動裝置。分軸方案較合軸方案的配置和運行操作復(fù)雜,占用更大的安裝空間,安裝和運行費用也高,因此本文推薦采用合軸布置方式。

表1 2種軸系布置方式的比較

1．2 合軸結(jié)構(gòu)特點

NCB機組是以成熟的 350 MW機組為母機型,高、中壓通流部分采用反(沖)動式結(jié)構(gòu)。高中壓缸可以設(shè)計成合缸結(jié)構(gòu),也可以設(shè)計成分缸結(jié)構(gòu)。中壓部分和低壓部分通過中低壓連通管連接,抽汽口設(shè)在連通管上。

連通管設(shè)置 3類閥門,分別起到關(guān)斷低壓汽輪機、啟動調(diào)速和調(diào)整抽汽壓力的作用。連通管上設(shè)計有啟動用的旁路管道,用于控制低壓汽輪機的啟動、沖轉(zhuǎn)和定速。對于軸系采用合軸的布置方式時,高中壓機組和低壓機組采用自動同步離合器連接。

離合器安裝在抽汽背壓式機組機頭與低壓缸之間,離合器的輸入端與低壓汽輪機輸出法蘭連接,離合器輸出端與機組輸入法蘭連接,通過離合器的接合 /脫開來實現(xiàn)低壓汽輪機的投入及脫離。當(dāng)高中壓缸以背壓機方式運行時,需切斷低壓汽輪機的進(jìn)汽,當(dāng)?shù)蛪浩啓C的轉(zhuǎn)速低于3000 r/min時,自動同步離合器處于脫開位置,離合器的輸出端旋轉(zhuǎn);而低壓汽輪機、離合器的輸入端處于靜止?fàn)顟B(tài)。

當(dāng)?shù)蛪浩啓C工作時,調(diào)節(jié)低壓汽輪機的進(jìn)氣閥門,使得低壓汽輪機的轉(zhuǎn)速升高,即離合器輸入端轉(zhuǎn)速升高;當(dāng)?shù)蛪浩啓C的轉(zhuǎn)速升到與高壓汽輪機的轉(zhuǎn)速同步并超越時,即離合器的輸入端轉(zhuǎn)速大于輸出端轉(zhuǎn)速,離合器接合。實現(xiàn)高中壓汽輪機與低壓汽輪機共同帶動發(fā)電機。

2 NCB機組背壓運行對熱力系統(tǒng)的要求

2．1 對低壓缸與凝汽器運行模式的要求

當(dāng)NCB機組背壓方式運行時,理論上低壓缸與凝汽器可以完全解列,但根據(jù)主機廠要求,低壓缸要處于熱備用狀態(tài)。此時低壓缸的潤滑油系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)均要正常投入,且凝汽器要求保持真空狀態(tài)。同時,由于凝汽器要接收5號低壓加熱器的疏水、高壓加熱器和除氧器的事故放水、軸封蒸汽疏水、管道的經(jīng)常疏水等,所以凝汽器要處于工作狀態(tài),僅需較少流量的循環(huán)冷卻水。

2．2 對給水泵配置的要求

對于 300 MW以上規(guī)模的濕冷機組,鍋爐給水泵一般采用汽動給水泵,即充分利用低品位的熱能、降低高品位的電能消耗,提高電廠的供電能力。由于NCB機組冬季背壓運行時,凝汽器處于工作狀態(tài),所以本工程同樣可以采用汽動給水泵配置方案。主機在背壓工況下運行時,給水泵汽輪機排汽依然排入凝汽器。

2．3 對熱網(wǎng)疏水系統(tǒng)的要求

超臨界機組對水質(zhì)的要求提高,進(jìn)入除氧器的凝結(jié)水要全部通過凝結(jié)水精處理裝置,因此熱網(wǎng)疏水不能直接進(jìn)入除氧器。主機在背壓工況下運行時,全部中壓缸排汽最終凝結(jié)為熱網(wǎng)疏水,經(jīng)過熱網(wǎng)循環(huán)水的深度冷卻,考慮適當(dāng)?shù)膫鳠岫瞬?最低能達(dá)到85℃。

由于熱網(wǎng)疏水溫度遠(yuǎn)高過凝結(jié)水精處理裝置能耐受的最高溫度,因此需要將其導(dǎo)入凝汽器與系統(tǒng)補水進(jìn)行混合冷卻,然后再通過凝結(jié)水管道進(jìn)入凝結(jié)水精處理裝置進(jìn)行除鐵、除鹽處理,以滿足超臨界鍋爐對于給水品質(zhì)的要求。

2．4 循環(huán)水系統(tǒng)的要求

NCB機組背壓運行時,凝汽器處于運行狀態(tài)。由于進(jìn)入凝汽器熱量大幅減少,所需循環(huán)冷卻水量也相應(yīng)減少,循環(huán)水泵的配置與選型要考慮冬季背壓運行時所需冷卻水量,以滿足冬季運行要求。

3 NCB機組供熱能力及節(jié)能減排效果

常規(guī)350 MW超臨界機組(配汽動給水泵)最大采暖抽汽量約為 550 t/h,扣除采暖期自用汽,外供汽量約500 t/h。而NCB機組由于可將低壓缸最小冷卻流量利用起來,采暖抽汽能在抽凝機組基礎(chǔ)上再增加150 t/h,即供熱能力增加約 30%。這對提高熱電聯(lián)產(chǎn)水平,減少中小供熱鍋爐的大氣污染和能源浪費能起到很好的作用。以某大中型城市為例,采暖相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下：采暖面積 2000×104m2;綜合采暖熱指標(biāo) 50 W/m2;采暖室外計算溫度-12℃;采暖室外平均溫度-2．7℃;采暖期持續(xù)時間137 d(3288 h)。以每噸蒸汽供熱能力 0．7 MW估算,2臺NCB機組可提高供熱能力210 MW(756 GJ/h),相當(dāng)于可增加供熱面積 420×104m2,年總采暖供熱量增加 77．8×104GJ。采暖熱負(fù)荷持續(xù)曲線見圖 1。

圖1 采暖熱負(fù)荷持續(xù)曲線

仍以上述城市安裝2臺350 MW級NCB機組為例,可提高熱電廠供熱能力210 MW,相當(dāng)于15座14 MW小型采暖鍋爐的供熱能力總和;年總供熱量較常規(guī)同容量NC機組增加約 77．8×104GJ,該部分熱量為在不增加機組燃煤量的情況下,利用原本排向低壓缸的乏汽余熱對外供出的采暖熱量,以中小鍋爐設(shè)計供熱標(biāo)準(zhǔn)煤耗44．7 kg/GJ計算,一個采暖期即可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤近 3．5×104t,可大幅度降低氮氧化物和硫化物排放量。

由于NCB機組,在采暖期背壓運行時將嚴(yán)格按照“以熱定電”的原則,采暖期的發(fā)電量必然會比抽凝機組的發(fā)電量小,在發(fā)電量一定的情況下,熱負(fù)荷越大,NCB機組的節(jié)煤效果越好,因此對于NCB機組,熱負(fù)荷的大小將對電廠的經(jīng)濟(jì)性造成較大影響。

4 結(jié)束語

NCB型機組是針對大型熱電聯(lián)產(chǎn)項目而開發(fā)的新機型,其經(jīng)濟(jì)性好,熱效率高,符合國家節(jié)能減排的政策;同時,機組本身是在成熟技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)而成,投運后應(yīng)具有安全可靠性,但下列問題,在具體工程中仍要完善和深入研究：低壓缸投入和解列的系統(tǒng)設(shè)置及控制邏輯系統(tǒng)問題;低壓缸解列時空轉(zhuǎn)問題;背壓方式運行時,采暖抽汽壓力控制問題;背壓方式運行時,快速甩熱負(fù)荷工況的機組運行和控制方式問題;汽輪機基礎(chǔ)設(shè)計及主廠房內(nèi)管道布置設(shè)計與優(yōu)化問題。

NCB機組比常規(guī) 350 MW凝汽抽汽機組的供熱量增加25%～30%,可進(jìn)一步替代效率低下的采暖小鍋爐。冬季背壓運行時,大大減少了機組的冷源損失,提高了能源利用效率,符合國家節(jié)能減排政策。機組采用了成熟的超臨界高低壓模塊,具有較高的汽輪機效率和運行可靠性,經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益十分顯著,應(yīng)用前景十分廣闊。