機組供熱改造問題綜述

孫首珩，初立森，任 萍

（國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學研究院，長春 130021）

熱電聯(lián)產(chǎn)能夠對能源實現(xiàn)分級利用，因此在有條件的電廠對凝汽式發(fā)電機組進行供熱改造，其節(jié)能降耗效果顯著，所以，國家提倡大力發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)供熱改造。近些年來，供熱改造進展迅速，項目由小型機組已經(jīng)逐漸擴大到600 MW 等級，甚至于800 MW 機組也考慮供熱改造，有些項目是在基建期間就與制造廠提出供熱需求，這樣的項目相對比較規(guī)范，制造廠在設計制造階段就對主輔設備進行了必要的改進，以適應供熱運行的各項要求；而有些項目是設備運行若干年后才進行供熱改造，受現(xiàn)場各種條件的限制，供熱改造工程相對比較復雜繁瑣，以下對多年來大型汽輪機組供熱改造中遇到的若干問題及處理方法進行介紹。

1 熱負荷確定及汽源參數(shù)的選擇

1.1 熱負荷的確定

供熱改造的核心內(nèi)容是將原來用于發(fā)電的純凝機組改造成供熱機組，因為汽輪機不同抽汽供熱改造方案的供熱能力、投資規(guī)模、取得的經(jīng)濟效益和節(jié)能減排效果均有所差異，供熱運行的可靠性也均不相同。毫無疑義，努力取得最大的經(jīng)濟效益，滿足最佳的安全穩(wěn)定運行可靠性方案是供熱改造追尋的目標。熱負荷容量是考察的核心參數(shù)，根據(jù)確定的熱負荷制定和選擇機組的供熱改造方案。供熱改造熱負荷的確定除了需要關注年供熱量外，還要關注供熱期內(nèi)的日熱負荷變化曲線，對于工業(yè)熱負荷還要了解工業(yè)生產(chǎn)用熱的變化情況，這些都對改造方案的確定有著決定性影響。

1.2 蒸汽源參數(shù)的選擇

供熱參數(shù)的選擇在供熱改造中尤其重要，凝汽式機組的供熱改造往往受到汽輪機原設計結構的限制。對于200 MW 以上的機組，采暖抽汽參數(shù)通常取在中壓缸排汽處即中—低壓連通管上打孔抽汽，200 MW 機組該處壓力與北方地區(qū)采暖需求基本相符合，而300 MW 機組多數(shù)偏高，在0.5～1.0 MPa之間，抽汽的過熱度比較高，抽汽參數(shù)偏高會使熱力循環(huán)效率降低，而供熱本身只要供出參數(shù)滿足需要即可。例如：采暖抽汽標準參數(shù)是0.118～0.245MPa，由此推算的熱網(wǎng)供水溫度可以達到115℃，可以滿足國內(nèi)絕大多數(shù)的居民采暖。近些年，尤其是300MW 以上的機組，供熱改造多數(shù)供熱參數(shù)偏高，可以根據(jù)具體參數(shù)情況，采取適當措施對供熱抽汽的偏高能量加以利用，如采用抽汽驅動熱網(wǎng)循環(huán)水泵方案，或者有低溫汽源的電廠可以配置壓力匹配器方案，經(jīng)過利用或合理的參數(shù)調(diào)整后的蒸汽再去熱網(wǎng)首站供熱，這些方案目前都有電廠采用。

2 熱網(wǎng)首站加熱器的匹配與熱化系數(shù)的選擇

2.1 熱網(wǎng)首站加熱器的匹配

熱網(wǎng)首站加熱器是供熱改造工程中的一個關鍵輔機，需要注意容量的匹配，設計容量小了不能充分發(fā)揮機組供熱能力，偏大又會造成投資浪費，使改造工程布置困難。熱網(wǎng)加熱器通常是飽和式加熱器，近些年來多數(shù)廠家將換熱管束布置成過熱段、飽和段、疏水冷卻段，以適應抽汽參數(shù)的高過熱度；換熱管束的形式多樣化，除常見的直通光管外，還有波節(jié)管，內(nèi)雙螺旋管等，材質(zhì)也有銅管、不銹鋼管，甚至還有碳鋼管；加熱器除上述管式換熱器外，熱網(wǎng)首站最近幾年也有采用換熱系數(shù)高、體積小的板式換熱器。板式換熱器疏水冷卻段面積可通過水位控制在運行中進行調(diào)節(jié)，對熱網(wǎng)運行參數(shù)調(diào)節(jié)比較容易；缺點是對熱網(wǎng)循環(huán)水的水質(zhì)要求嚴，大型新建熱網(wǎng)往往很難達到標準，需要在供熱運行后大量排污置換不合格的熱網(wǎng)循環(huán)水，熱網(wǎng)投運后2～3年內(nèi)由于水質(zhì)問題，雜物淤塞故障比較常見。管式熱網(wǎng)加熱器由于物理方法清垢需要，多數(shù)采用直通光管。熱網(wǎng)循環(huán)水溫度較高，目前尚沒有使用膠球清洗裝置用于熱網(wǎng)加熱器清洗，熱泵供熱系統(tǒng)的低溫側有應用實例。

2.2 熱化系數(shù)的選擇

熱化系數(shù)是指熱電聯(lián)產(chǎn)機組所帶熱負荷占熱用戶總供熱負荷的比值。計交能（1998）220號文《關于發(fā)展熱電廠聯(lián)產(chǎn)若干規(guī)定》明確規(guī)定，對于采暖熱負荷熱化系數(shù)取0.5～0.6，對于工業(yè)熱負荷取0.7～0.8；熱化系數(shù)標志熱電聯(lián)產(chǎn)運行的可靠性，也影響供熱機組運行經(jīng)濟性。

例如一臺300MW 機組，抽汽供熱改造后可以抽出360t/h蒸汽用于采暖供熱，抽汽壓力0.8 MPa，抽汽溫度329.1℃，抽汽焓3 118.6kJ/kg，熱網(wǎng)加熱器疏水溫度120℃，疏水焓502.4kJ/kg送至除氧器，其供熱量為941.832GJ/h也就是261.62MW；若某地區(qū)采暖供熱標準平均50W/m2，不考慮備用熱源的使用，完全由這臺機組在全部采暖期供熱，就應該按照滿足供熱中期最冷天氣時的供熱負荷作為采暖面積的核定值，采暖期內(nèi)熱負荷隨室外大氣溫度變化曲線絕大多數(shù)是符合正態(tài)分布，平均值在0.45～0.70，考慮換熱器散熱損失1%，輸送管網(wǎng)散熱損失2%，據(jù)此推算的供熱面積約為3.548×106m2。

對運行經(jīng)濟性的影響：正如假設條件所述那樣，供熱機組的熱化系數(shù)為1.0，只有供熱中期才能達到最大抽汽供熱工況，全采暖期汽輪機抽汽熱負荷率平均為70%，沒有充分發(fā)揮熱電聯(lián)產(chǎn)的能力。

對安全可靠性的影響：當機組故障情況下，沒有其他熱源保障接續(xù)，如采用雙機改造互為補充備用配置，投資翻倍，供熱能力并沒有翻倍增加，采用尖峰集中供熱鍋爐房并入熱網(wǎng)系統(tǒng)，可以使熱化系數(shù)降低，供熱負荷大幅度增長，可靠性得到提高，這是熱電聯(lián)產(chǎn)采暖供熱的合理匹配。

3 熱網(wǎng)循環(huán)泵的匹配與驅動選擇

近幾年新建和改建熱網(wǎng)系統(tǒng)中配置的熱網(wǎng)循環(huán)泵普遍遇到的問題是泵的揚程偏大，主要原因是提供給熱電廠首站設計單位的數(shù)據(jù)已經(jīng)考慮過揚程設計裕度，而首站設計單位為保險起見再次考慮裕度，從而造成熱網(wǎng)循環(huán)水泵出口門不能完全打開，以免引起電機電流超限。為了避免出現(xiàn)此類問題，在改造工程中，業(yè)主單位應與參加改造的設計部門之間加強協(xié)調(diào)溝通，在設計階段就避免該問題出現(xiàn)；已經(jīng)出現(xiàn)該問題的電廠，應通過管網(wǎng)阻力特性實際測試，確定循環(huán)泵的實際揚程、流量等參數(shù)確定泵的改造方案。

熱網(wǎng)循環(huán)泵多數(shù)是電機驅動，增加綜合廠用電的消耗總量，近些年來已經(jīng)有些電廠使用抽汽驅動小汽輪機帶熱網(wǎng)循環(huán)泵，對于300 MW 機組供熱改造的抽汽參數(shù)偏高、又與小汽輪機進汽設計參數(shù)匹配，是工程中熱經(jīng)濟性較好的選擇，國產(chǎn)200 MW機組中采用三段抽汽驅動，通過經(jīng)濟性核算，其電泵和汽動泵的耗能水平是接近于持平的。

4 熱網(wǎng)管網(wǎng)的匹配及熱網(wǎng)疏水的回收

4.1 熱網(wǎng)管的匹配

熱網(wǎng)管網(wǎng)的匹配在供熱改造中，最初幾年內(nèi)大多是設計偏大，這是由于管網(wǎng)是按照滿足規(guī)劃熱負荷設計的，而投入使用的最初幾年內(nèi)實際并沒有達到規(guī)劃規(guī)模，由于循環(huán)水流量小，管網(wǎng)內(nèi)介質(zhì)流速低，熱網(wǎng)泵出口限制比較嚴重；管網(wǎng)的水力分配不均，也會造成末端壓力不足，熱網(wǎng)投入的最初階段水力特性調(diào)整困難，這就需要在工程規(guī)劃中要細致調(diào)查現(xiàn)有熱負荷和未來規(guī)劃發(fā)展熱負荷情況。管網(wǎng)設計的依據(jù)主要是熱負荷以及其分布情況，若投產(chǎn)三年內(nèi)仍然達不到規(guī)劃規(guī)模，對于投資回收、運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性都有很大影響，甚至于供熱計量表計的準確都受影響。

4.2 熱網(wǎng)疏水的回收

熱網(wǎng)首站疏水回收率直接影響機組熱力循環(huán)經(jīng)濟性，其回收方式也同樣影響機組經(jīng)濟運行。300 MW 以上機組多數(shù)設計將熱網(wǎng)加熱器疏水回收到除氧器，設計疏水溫度是120℃左右，使得除氧器在供熱運行期間多數(shù)處于過冷狀態(tài)，失去了除氧器的功能，鍋爐給水含氧量嚴重超標，長期運行對給水流經(jīng)設備的氧化腐蝕不容忽視。目前解決的辦法是將疏水接到除氧器之前的低壓加熱器入口，將疏水通過低壓加熱器加熱到合適的溫度再送到除氧器。

300 MW 以上容量機組，都是亞臨界和超臨界機組，對凝結水的水質(zhì)要求嚴格，都配置凝結水精處理設備，供熱改造后，熱網(wǎng)加熱器疏水溫度為精處理設備不能承受，因此，熱網(wǎng)加熱器疏水的水質(zhì)在線監(jiān)測儀表至關重要，并在運行中注意監(jiān)視，一旦發(fā)現(xiàn)水質(zhì)變差，應立即采取相應措施，防止不合格疏水進入鍋爐系統(tǒng)。

5 機組供熱運行調(diào)控與機組安全

機組由原來的凝汽式改造成供熱機組后，要同時滿足發(fā)電和供熱要求，在一定范圍內(nèi)是可以做到的，運行人員要充分了解改造后運行特點和安全邊界條件，掌握控制極限參數(shù)，防止出現(xiàn)操作不當造成不必要的損失。與凝汽式機組操控相比不同點如下。

a.正常情況下，熱網(wǎng)的投入和解除過程中，一定要遵從熱網(wǎng)加熱器廠家推薦的升溫、降溫速度控制，切忌過急；由于各廠選用的首站換熱器的結構不同，不能一概而論地給出控制速度，但各換熱器制造廠為保證加熱器安全運行，對溫升速度有具體要求。

b.熱網(wǎng)加熱器的熱負荷調(diào)整是通過加熱器進汽控制門和導管上的抽汽蝶閥協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)的，大型抽凝式汽輪機正常運行功率控制回路是保持投入狀態(tài)，汽輪機屬于電功率保持不變工況，當供熱抽汽投入運行時，去低壓缸的汽量減少，電功率呈降低趨勢，這時功率保持回路起作用，自動開大高壓調(diào)節(jié)閥門增加主蒸汽量，滿足電功率保持不變；在投入熱網(wǎng)加熱器過程中突然開大加熱器進汽門而抽汽蝶閥與之協(xié)調(diào)調(diào)整沒有跟上，會導致中壓缸排汽壓力（或供熱抽汽口）壓力突然降低，引起中壓缸末兩級（抽汽口前兩級）壓差超限，影響設備安全。供熱改造后，必須在抽汽口與前一段抽汽之間的壓差設置報警裝置。運行期間應當注意到操作控制不超限。

c.供熱改造后，參考改造廠家提供的供熱工況圖，明確在不同電負荷與熱負荷對應的極限工況條件，在極限條件范圍內(nèi)進行電熱負荷調(diào)節(jié)。當接近極限條件時，要嚴密監(jiān)視主要參數(shù)變化情況；在供熱中期供熱量接近設計最大時，嚴密監(jiān)視低壓缸最小冷卻流量不超最低限值；現(xiàn)場結合真空和排汽溫度進行監(jiān)視，排汽溫度出現(xiàn)回頭升高時就意味著出現(xiàn)鼓風，應相應降低熱負荷，或增加電負荷來提高低壓缸蒸汽流量。

d.供熱運行期間控制排汽壓力不低于阻塞背壓，也就是凝汽器真空值不要高于極限真空；供熱運行期間供熱量大、電網(wǎng)受電負荷低使低壓缸排汽量接近最小冷卻流量限制值，有的電廠機組真空度接近99%，排汽干度小，溫度低，易出現(xiàn)末級葉片水蝕，影響設備安全和使用壽命。由于低壓缸排汽流量、排汽干度在運行中都很難監(jiān)視，可以通過監(jiān)視排汽真空和排汽溫度來控制，即凝汽器不高于極限真空，推薦排汽溫度不低于28℃。凝汽器真空的調(diào)控手段有加裝水塔擋風板、循環(huán)水泵運行方式調(diào)整（投運臺數(shù)、高低速等）等，各廠設備及系統(tǒng)有所差異，通過調(diào)整循環(huán)水水量和溫度控制。

e.運行期間要嚴格按照要求監(jiān)視熱網(wǎng)加熱器疏水水質(zhì)，一旦發(fā)生疏水硬度等指標超標，要立即采取隔離措施，可增加一條從疏水泵出口去熱網(wǎng)循環(huán)水供水管網(wǎng)的管線，將不合格的熱網(wǎng)疏水排到熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)中加以利用。在正常熱網(wǎng)投入初期疏水品質(zhì)不佳時，也可以通過其回收部分工質(zhì)和熱量損失，如改造中沒有這樣設計，建議改進。

f.熱網(wǎng)加熱器運行期間有時是在負壓下運行，與高、低壓加熱器的運行方式基本相同，汽側連續(xù)排放空氣的管路設計是必要的，有的改造工程中沒有設置，導致加熱器運行初期就出現(xiàn)端差超過設計預期很多，影響供熱正常進行；由于熱網(wǎng)加熱器汽側工作壓力變化范圍介于相對大氣壓力正負之間，不能實現(xiàn)連續(xù)對空排氣，要根據(jù)現(xiàn)場條件，設計排汽接引部位。例如，有的電廠接到凝汽器喉部，也有的與低加排空氣系統(tǒng)相連；還有的由于首站離機組距離遠，加裝排空氣裝置（真空泵或射水抽氣器）等。

6 供熱與電網(wǎng)調(diào)峰之間的相互影響

背壓式供熱機組完全是按照以熱定電方式運行，沒有調(diào)峰能力。在一定供熱量條件下的抽凝式機組，電負荷可以有一定的調(diào)整范圍，而隨著供熱量的增加，可調(diào)節(jié)范圍變小。目前國內(nèi)使用的200 MW 及以上的抽凝式供熱機組，基本上都是從原凝汽式機組改造成供熱機組的雙用途機組，隨著供熱量的增加，發(fā)電負荷是相應降低的。受所帶熱負荷的影響，機組對適應電網(wǎng)尖峰的頂峰能力和低谷減少出力的能力均受到限制。電網(wǎng)消納供熱附加發(fā)電量占全網(wǎng)用電量的比例過高時，熱電廠的熱負荷又受到電網(wǎng)用電負荷的約束，使得供熱質(zhì)量受到影響。