國產(chǎn)330MW雙抽供熱機(jī)組性能分析和研究

張錫強(qiáng) 蘆馨楠 林昌鴻

（蘭州西固熱電有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州730060）

0 引言

熱電廠具有節(jié)約能源、減少環(huán)境污染的優(yōu)點(diǎn)。因此，因地制宜地發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)集中供熱替代分散小鍋爐供熱，是治理環(huán)境污染、凈化藍(lán)天的重要手段，是城市潔凈生產(chǎn)的發(fā)展方向，也符合國家節(jié)能減排的方針。

電能和熱能是人類生活和生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的兩種能源，火電廠是能源的最大用戶之一，黨的十六大上提出要建設(shè)節(jié)能型社會(huì)，大力發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)是我國今后節(jié)約能源的發(fā)展方向，而熱電廠正好具備了既發(fā)電又供熱的特征。熱電廠的電能、熱能生產(chǎn)是隨用戶的變化而變化的，而電能在電網(wǎng)整體平衡下變化不是太大，熱負(fù)荷根據(jù)熱網(wǎng)大小和熱用戶的多少及季節(jié)的變化而變化，有時(shí)變化較大，如何保證每時(shí)每刻與用戶保持一致是熱電廠保持最佳經(jīng)濟(jì)性的重要條件。熱電廠根據(jù)每天的電熱負(fù)荷曲線安排好主、輔設(shè)備的運(yùn)行方式，是保證熱電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提條件。

熱電廠的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷大都是根據(jù)周邊企業(yè)生產(chǎn)工藝性熱負(fù)荷、居民生活用熱負(fù)荷及周邊發(fā)展需增加的熱負(fù)荷確定的，然而易出現(xiàn)的問題是調(diào)查熱用戶熱負(fù)荷不準(zhǔn)確或發(fā)展增加的熱負(fù)荷由于種種原因未能建設(shè)投產(chǎn)，造成熱電廠的實(shí)際熱負(fù)荷比設(shè)計(jì)熱負(fù)荷小。另外，由于夏季沒有采暖熱負(fù)荷，同時(shí)環(huán)境溫度的升高也使企業(yè)生產(chǎn)工藝性熱負(fù)荷大幅下降，因而供熱機(jī)組抽汽量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)量，造成了供熱機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率偏低，嚴(yán)重制約了供熱機(jī)組發(fā)電出力，不但加劇了電網(wǎng)缺電局面，也直接影響了熱電廠的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在熱負(fù)荷較小時(shí)合理調(diào)整運(yùn)行方式、提高機(jī)組負(fù)荷率，是熱電廠提高經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要途徑。下面就以西固熱電有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)為該公司）的機(jī)組為例，探討熱電廠在熱負(fù)荷變化較大時(shí)運(yùn)行方式的調(diào)整方法。

1 該公司2×330MW機(jī)組概況

該公司2×330MW機(jī)組2007年5月開始建設(shè)，建設(shè)工期為19個(gè)月，2臺(tái)機(jī)組以發(fā)電機(jī)—變壓器組單元方式接入新建330kV升壓站，通過2條線路連接蘭州西電站向系統(tǒng)輸送電能，機(jī)組的啟動(dòng)／備用電源取自原220kV升壓站，經(jīng)#02啟動(dòng)變壓器供給。

鍋爐型號(hào)為 WGZ1100／17.5－1，為武漢鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)、單爐膛、一次中間再熱、四角切向燃燒、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、微正壓氣力除灰、全鋼架懸吊、緊身封閉結(jié)構(gòu)、∏型布置汽包爐。該爐是在總結(jié)國內(nèi)300MW等級(jí)機(jī)組鍋爐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合電廠地理?xiàng)l件、燃煤特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，采用了ALSTOM－CM公司典型爐型、成熟可靠的技術(shù)和設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)，且運(yùn)行結(jié)構(gòu)可靠。鍋爐可以定壓運(yùn)行，也可采用定—滑—定的運(yùn)行方式，鍋爐可以帶基本負(fù)荷或調(diào)峰。設(shè)計(jì)煤種為寧夏礦區(qū)混煤︰靖遠(yuǎn)礦區(qū)混煤＝7∶3混煤，校核煤種為寧夏礦區(qū)混煤。

汽輪機(jī)為 CC330／208－16.7／1.5／0.4／537／537型亞臨界、中間再熱、三缸雙排汽、抽汽凝汽式，本機(jī)組是三缸兩排汽、單軸布置的沖動(dòng)式凝汽式機(jī)組，高、中壓部分為分缸結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的高壓缸和中壓缸，低壓部分為雙流、雙排汽的低壓缸。因進(jìn)汽參數(shù)較高，為減小汽缸應(yīng)力，增加機(jī)組啟停及變負(fù)荷的靈活性，高壓部分設(shè)計(jì)為雙層缸。低壓缸為對(duì)稱分流式，三層缸結(jié)構(gòu)。為簡(jiǎn)化汽缸結(jié)構(gòu)和減小熱應(yīng)力，高壓和中壓閥門與汽缸之間都是通過管道連接。高壓閥懸掛在汽機(jī)前運(yùn)行層下面，中壓閥置于中壓缸兩側(cè)。高壓缸為雙層缸，高壓進(jìn)汽管與外缸用法蘭連接，進(jìn)汽管與蒸汽室用疊片式密封環(huán)相配合，既允許自由膨脹又能密封。高壓通流部分為反向流動(dòng)，內(nèi)有1個(gè)單列調(diào)節(jié)級(jí)、8個(gè)壓力級(jí)，第6級(jí)后有1個(gè)抽汽口，將第1段抽汽送往#1高壓加熱器（JG1），由高壓缸排出的蒸汽由2個(gè)排汽口引至再熱器，其中一部分抽汽作為第2段抽汽送至#2高壓加熱器（JG2），一部分抽汽為第1級(jí)非調(diào)整工業(yè)抽汽。再熱蒸汽通過2根熱段再熱汽管進(jìn)入中壓聯(lián)合汽閥，再經(jīng)2根?610×55中壓主汽管從高中壓外缸中部下半兩側(cè)進(jìn)入中壓通流部分。中壓缸全部采用隔板套結(jié)構(gòu)，中壓缸內(nèi)有9個(gè)壓力級(jí)，在中壓第4級(jí)后有第3段抽汽口，一部分抽汽送入#3高壓加熱器（JG3），另一部分抽汽為第2級(jí)可調(diào)整工業(yè)抽汽。中壓第7級(jí)后抽汽從中壓外缸下半的4段抽汽口抽汽供除氧器（CY）和給水泵小汽輪機(jī)。中壓排汽一部分從上半正中的一個(gè)?1 400中壓排汽口進(jìn)入連通管通向低壓缸，另一部分抽汽從中壓外缸下半的5段抽汽送至#5低壓加熱器（JD5）和采暖抽汽。低壓部分為對(duì)稱分流雙層結(jié)構(gòu)。蒸汽由低壓缸中部進(jìn)入通流部分，分別向前后2個(gè)方向流動(dòng)，經(jīng)2個(gè)壓力級(jí)做功后向下排入凝汽器。在1～3級(jí)后依次設(shè)有6～8段抽汽口，分別供3個(gè)低壓加熱器（JD6～JD8）。

發(fā)電機(jī)為東方電機(jī)廠生產(chǎn)的QFSN－330－2－20型汽輪發(fā)電機(jī)組，定子繞組為三相雙星形接線，F(xiàn)級(jí)絕緣，勵(lì)磁方式為自并勵(lì)靜止勵(lì)磁。發(fā)電機(jī)出口電壓為20kV，額定功率因數(shù)為0.85（滯相），額定轉(zhuǎn)速為3 000r／min，頻率為50Hz。發(fā)電機(jī)冷卻方式為水—?dú)洹獨(dú)洌炊ㄗ永@組（包括定子引線、定子過渡引線和出線）直接采用水內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子繞組采用直接氫內(nèi)冷，定子鐵芯及端部結(jié)構(gòu)件采用氫氣表面冷卻。集電環(huán)采用空氣冷卻。機(jī)座內(nèi)部的氫氣由裝于轉(zhuǎn)子兩端的軸流式風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)，在機(jī)內(nèi)進(jìn)行密閉循環(huán)。發(fā)電機(jī)—變壓器組單元接線接入330kV系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)機(jī)端出口均有分支線，分別通過#1、#2高壓廠用變向廠用6kV工作1A／1B段和廠用6kV工作2A／2B段供電。

2 該公司熱負(fù)荷簡(jiǎn)況

該公司主要向蘭州石化公司、蘭州鋁業(yè)公司、蘭鐵穎川堡車輛段及甘肅省構(gòu)件工程公司等大中型企業(yè)提供生產(chǎn)工藝性用汽及生活采暖用熱。供熱用戶的蒸汽壓力有5.0MPa、1.8MPa、1.4MPa、0.8MPa，另外還有低壓采暖抽汽加熱的采暖熱水供周邊用戶。5.0MPa蒸汽是由鍋爐出口蒸汽經(jīng)10／5MPa減溫減壓器直接供給，不經(jīng)過汽輪機(jī)高壓部分做功發(fā)電，其余蒸汽均由汽輪機(jī)可調(diào)整抽汽段及不可調(diào)整抽汽段供給。目前冬季最大生產(chǎn)抽汽供汽量在800t／h左右，夏季平均生產(chǎn)抽汽供汽量在220t／h左右，可見冬、夏兩季生產(chǎn)抽汽供汽量的變化是很大的。

3 該類型機(jī)組168h運(yùn)行情況

該公司一號(hào)機(jī)組2009年1月28日進(jìn)入168h運(yùn)行，2月3日結(jié)束，2月17日21：20歸調(diào)。168h期間（2009年1月28日—2月3日）主要運(yùn)行指標(biāo)如表1所示。

該公司二號(hào)機(jī)組2009年3月16日進(jìn)入168h運(yùn)行，3月23日結(jié)束，3月27日10：00歸調(diào)。168h期間（2009年3月16日—3月23日）主要運(yùn)行指標(biāo)如表2所示。

4 汽輪機(jī)負(fù)荷率對(duì)煤耗的影響

汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表1 一號(hào)機(jī)組168h期間主要運(yùn)行指標(biāo)情況

表2 二號(hào)機(jī)組168h期間主要運(yùn)行指標(biāo)情況

表3 汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

以上數(shù)據(jù)測(cè)試表明，鍋爐負(fù)荷率偏差對(duì)供電煤耗的影響很大，在75%～50%之間時(shí)，每1%負(fù)荷率影響煤耗上升0.53g／kW·h左右，而50%負(fù)荷以下對(duì)煤耗影響更大，影響值達(dá)到0.85g／kW·h左右，隨著負(fù)荷的降低煤耗顯現(xiàn)出梯度上升趨勢(shì)（圖1、圖2）。

圖1 供電煤耗隨負(fù)荷變化規(guī)律

圖2 負(fù)荷與熱耗率的關(guān)系

5 機(jī)組在280MW負(fù)荷情況下二級(jí)工業(yè)抽汽與供電煤耗和熱耗的關(guān)系

二級(jí)工業(yè)抽汽負(fù)荷與供電煤耗和熱耗的關(guān)系如表4、圖3、圖4所示。

表4 二級(jí)工業(yè)抽汽負(fù)荷與供電煤耗和熱耗的關(guān)系表

圖3 330MW機(jī)組在不同二級(jí)工業(yè)抽汽負(fù)荷下供電煤耗

以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，330MW雙抽供熱機(jī)組電負(fù)荷必須在70%以上，二級(jí)工業(yè)抽汽是否投入對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性影響很大，決定了機(jī)組能耗水平的高低。

圖4 330MW機(jī)組在280MW負(fù)荷下熱耗率與抽汽的關(guān)系

6 熱電廠煤耗的計(jì)算

熱電聯(lián)產(chǎn)是指供熱式汽輪機(jī)先發(fā)電后供熱的生產(chǎn)方式，一般在計(jì)算煤耗時(shí)采用熱電分?jǐn)偟姆椒▉斫y(tǒng)計(jì)能耗指標(biāo)。

6.1 熱電廠的效率分析

由于熱電聯(lián)產(chǎn)供熱部分利用了熱變功過程不可避免的冷源損失，所以該生產(chǎn)方式下電能生產(chǎn)（簡(jiǎn)稱“熱化發(fā)電”）沒有冷源損失，它的理想循環(huán)熱效率和實(shí)際循環(huán)熱效率（汽輪機(jī)參加熱電聯(lián)產(chǎn)部分的絕對(duì)內(nèi)效率）都等于1，減少了熱循環(huán)中最大的一部分損失——冷源損失。

雖然熱功轉(zhuǎn)換過程的不可逆損失在熱電聯(lián)產(chǎn)中被利用來給用戶供熱而沒有損失掉，但減少了做功量，把高質(zhì)量能量變成了低質(zhì)量的能量來利用。所以為了提高熱電廠熱經(jīng)濟(jì)性，力求做功能力損失最小，抽汽壓力越低越好，但在實(shí)際生產(chǎn)中用戶需要的不一定是一種壓力等級(jí)的蒸汽，所以在利用冷源損失對(duì)外供熱時(shí)必須犧牲一部分做功量，為此要提高熱電廠經(jīng)濟(jì)性，就要在滿足熱用戶需求的前提下盡量增加熱化發(fā)電量，減少熱損失。

6.2 供熱機(jī)組的熱電比

熱電比是表示熱化發(fā)電量的一個(gè)指標(biāo)，用來對(duì)熱電廠發(fā)電煤耗進(jìn)行修正，其計(jì)算公式如下：

式中，α為熱電比（GJ／萬kW·h）；Qr為每小時(shí)供熱機(jī)組供熱量（GJ）；Wf為每小時(shí)供熱機(jī)組發(fā)電量（萬kW·h）。

根據(jù)火電廠創(chuàng)一流標(biāo)準(zhǔn)，可以計(jì)算出不同抽汽壓力對(duì)煤耗的調(diào)整系數(shù)（該公司取10.75kg／GJ）和對(duì)發(fā)電廠用電的修正系數(shù)（該公司取0.019 1）。

6.3 供熱煤耗及供熱廠用電率的確定

根據(jù)熱電聯(lián)產(chǎn)特點(diǎn)，采用了熱量法、做功能力法、實(shí)際焓降法對(duì)熱量進(jìn)行分?jǐn)?，一般根?jù)機(jī)組供熱量與汽輪機(jī)熱耗量的比值計(jì)算出供熱比，再根據(jù)供熱比進(jìn)行電、熱煤耗和廠用電的分?jǐn)?，分別計(jì)算出供熱煤耗和供熱廠用電率（或采用設(shè)計(jì)值）。國內(nèi)資料表明供熱煤耗一般取值在37～43kg／GJ之間。可分時(shí)段分別計(jì)算出供熱煤耗并繪制曲線，根據(jù)用電設(shè)備分為凈電和凈熱分別統(tǒng)計(jì)用電量，再計(jì)算出供熱廠用電率。

7 機(jī)組在熱負(fù)荷變化較大時(shí)運(yùn)行方式調(diào)整方法

7.1 問題的提出

夏季不僅沒有了采暖熱負(fù)荷，而且還由于環(huán)境溫度的升高，使熱用戶生產(chǎn)工藝性熱負(fù)荷也大幅下降，從而造成熱電廠抽汽供汽量很小，如該公司夏季生產(chǎn)抽汽平均供汽量還不到冬季最大供汽量的30%。運(yùn)行的供熱機(jī)組因?qū)嶋H抽汽量與設(shè)計(jì)抽汽量相差較大，機(jī)組負(fù)荷率降低，制約了機(jī)組發(fā)電出力，也使機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性大為下降。因此，夏季熱負(fù)荷遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值時(shí)，熱電廠如何采取有效的辦法，合理分配電、熱負(fù)荷，提高機(jī)組負(fù)荷率及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性是需要探討的問題。

7.2 運(yùn)行機(jī)組負(fù)荷合理分配原則

并列運(yùn)行機(jī)組電負(fù)荷分配的原則：根據(jù)機(jī)組微增熱耗率的大小，按照從小到大的順序依次接帶電負(fù)荷。運(yùn)行機(jī)組間熱負(fù)荷分配的原則：根據(jù)供熱汽輪機(jī)供熱抽汽熱值系數(shù)的大小，依從小到大的順序分配接帶熱負(fù)荷。供熱抽汽熱值系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，ξ為供熱抽汽熱值系數(shù)；Y為供熱抽汽做功不足系數(shù)；i0為主蒸汽焓值（kJ／kg）；ig為給水焓值（kJ／kg）；ir為抽汽供熱焓值（kJ／kg）；ih為回水焓值（kJ／kg）。

夏季熱負(fù)荷較小時(shí)，根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，按照以上負(fù)荷分配原則，可以使真空較高、各級(jí)監(jiān)視段壓力在規(guī)定范圍內(nèi)的供熱機(jī)組在維持電負(fù)荷出力不變的情況下適當(dāng)降低抽汽量，將抽汽熱負(fù)荷移至真空情況不好的機(jī)組。當(dāng)熱負(fù)荷小到一定程度，調(diào)整凝結(jié)器冷卻水通水量已無法保持機(jī)組真空正常值時(shí)，可適當(dāng)降低真空情況較差機(jī)組的電負(fù)荷出力，也可將真空情況相對(duì)好的機(jī)組由抽凝式運(yùn)行切換為凝汽式運(yùn)行。

8 結(jié)論

（1）供熱機(jī)組的選型非常重要，選型前一定要準(zhǔn)確調(diào)查周邊企業(yè)的生產(chǎn)工藝性熱負(fù)荷及生活熱負(fù)荷情況，根據(jù)實(shí)際情況確定合理的熱電廠熱化系數(shù)，按“以熱定電”的原則合理選擇供熱機(jī)組型式、參數(shù)、容量，以使供熱機(jī)組盡量在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行。

（2）供熱機(jī)組間電、熱負(fù)荷的分配，原則上以機(jī)組微增熱耗率及供熱抽汽熱值系數(shù)來確定，同時(shí)也要兼顧機(jī)組運(yùn)行實(shí)際情況。

（3）熱電廠供熱機(jī)組可與抽凝式機(jī)組（330MW）配合運(yùn)行，也可根據(jù)生產(chǎn)工藝性抽汽參數(shù)，配置“吃抽汽”的小機(jī)組并列運(yùn)行，以增加發(fā)電出力，提高機(jī)組負(fù)荷率，提高熱電廠的經(jīng)濟(jì)性。

［1］西固熱電有限責(zé)任公司汽輪機(jī)運(yùn)行規(guī)程

［2］鄭體寬.熱力發(fā)電廠.北京：水利電力出版社，1995

［3］李永寶.供熱機(jī)組調(diào)整探討