背壓機在純凝機組供熱改造中的應(yīng)用

劉東勇，劉慧

（1.華電鄭州機械設(shè)計研究院有限公司，鄭州 450015；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，鄭州 450002）

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和人民生活品質(zhì)的提高，城市對供熱的需求急劇增長，很多城市原有熱源點供熱能力已不能滿足要求。除了新建熱電廠來增加供熱能力外，將城市周邊原有純凝式發(fā)電機組改造為熱電聯(lián)產(chǎn)機組也是一種重要方法。

熱電聯(lián)產(chǎn)機組具有節(jié)約能源、改善環(huán)境、提高供熱質(zhì)量等綜合效益，也是治理大氣污染和提高能源利用率的重要措施。通過對純凝機組進(jìn)行供熱改造，可以在不新增機組的情況下增加機組的供熱能力，提高了機組的熱經(jīng)濟性，且不會增加城市的環(huán)境壓力。基于此，很多城市周邊的300MW，600MW等級純凝機組已陸續(xù)改造為熱電聯(lián)產(chǎn)機組。

1 供熱改造方案［1］

純凝式發(fā)電機組供熱改造一般有2種方式：一種是對汽輪機本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，部分部件重新設(shè)計更換后，可改造為抽汽凝汽式或背壓式機組；另一種是采用直接在汽輪機的中、低壓缸連通管上打孔抽汽的方式?？紤]到第1種方式改造起來比較復(fù)雜，工程量大，且改造工期也較長，需要專門停機，因此多用于小機組的供熱改造；第2種方式改造起來比較簡單，工程量小，改造工期也較短，在機組停機檢修時即可完成，比較適合于大型機組的供熱改造。因此，300，600MW等較大容量機組的供熱改造多采用打孔抽汽的方式，該方案對汽輪機中、低壓缸連通管重新進(jìn)行設(shè)計，引出1根供熱小母管作為供熱汽源，并在中、低壓缸連通管上加裝抽汽壓力調(diào)整蝶閥，通過調(diào)節(jié)該閥來控制低壓缸的流量，以滿足抽汽汽源的壓力，同時應(yīng)保證低壓缸最低安全流量。

國產(chǎn)300，600MW純凝機組中壓缸排汽壓力一般為0.8～1.0MPa，遠(yuǎn)高于熱網(wǎng)加熱器所需求的供熱抽汽壓力。目前，我國供熱循環(huán)水設(shè)計供水溫度為130℃，回水溫度為70℃，對應(yīng)的采暖蒸汽壓力約為0.27MPa。考慮熱網(wǎng)加熱器端差并留有適當(dāng)裕量，采暖蒸汽參數(shù)保持在0.35MPa（對應(yīng)飽和蒸汽溫度為138.9℃）左右即可完全滿足要求。因此，如果將高品位的抽汽直接用來加熱循環(huán)水，存在較大可用能損失，造成資源浪費。

在國內(nèi)純凝機組供熱改造中，一般采用抽汽直接進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器的方式，即常規(guī)改造方案。為了充分利用能量，有的機組在改造時會考慮抽取一部分蒸汽用來驅(qū)動熱網(wǎng)循環(huán)水泵。但這部分蒸汽量較少，難以對整體經(jīng)濟性有較大影響。為了實現(xiàn)能源的梯級利用，充分利用高品位能量，可以考慮將抽汽送入背壓式發(fā)電機組用來做功發(fā)電，然后背壓機排出的蒸汽（0.35MPa）再進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器進(jìn)行換熱，這就是背壓機改造方案。

相對于常規(guī)方案用抽汽直接加熱的方式，在該方案中首先利用抽汽的高品位能量驅(qū)動背壓發(fā)電機組產(chǎn)生電能，再將降低品位后的低參數(shù)蒸汽用來換熱，實現(xiàn)了能量的梯級利用，提高了系統(tǒng)的能源利用效率，也符合國家節(jié)能減排的原則。

背壓機方案與常規(guī)供熱改造方案的比較分析如下。

2 常規(guī)方案與背壓機方案設(shè)計

凝汽式機組進(jìn)行供熱改造時，由于設(shè)備較多，且原廠房空間較為緊張，一般采取新建獨立供熱首站的方式。

2.1 常規(guī)供熱方案設(shè)計

常規(guī)供熱改造方案主要設(shè)備有高（低）壓熱網(wǎng)換熱器、汽動熱網(wǎng)循環(huán)水泵組、熱網(wǎng)疏水泵組、定壓補水泵、補水除氧器等。在該方案中，抽汽（壓力約0.8MPa）從中、低壓缸連通管抽出后，一部分先進(jìn)入熱網(wǎng)循環(huán)水泵驅(qū)動（背壓）汽輪機，背壓機排汽（0.35MPa）再進(jìn)入低壓熱網(wǎng)加熱器加熱循環(huán)水，其余抽汽進(jìn)入高壓熱網(wǎng)加熱器對熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行加熱。熱網(wǎng)加熱器疏水分別通過電動高、低壓加熱器疏水泵升壓后，最終匯至主機組除氧器，對工質(zhì)及熱量進(jìn)行回收。該系統(tǒng)設(shè)置較為簡單，如圖1所示。

圖1 常規(guī)方案系統(tǒng)

2.2 背壓機方案設(shè)計

背壓機方案主要設(shè)備除了常規(guī)方案的設(shè)備外，增加了減溫減壓裝置、背壓發(fā)電機組及附屬系統(tǒng)等。在事故工況時投入減溫減壓旁路，將降低參數(shù)后的蒸汽直接送入熱網(wǎng)換熱器，以保證對外供熱。

在該方案中，系統(tǒng)工藝流程與常規(guī)方案有一定差別。抽汽（壓力約0.8MPa）從中、低壓缸連通管抽出后，一部分先進(jìn)入熱網(wǎng)循環(huán)水泵驅(qū)動（背壓）汽輪機，背壓機排汽（0.35MPa）進(jìn)入低壓熱網(wǎng)加熱器加熱循環(huán)水；其余抽汽先進(jìn)入背壓發(fā)電機組產(chǎn)生電能，背壓機排汽（0.35MPa）也進(jìn)入低壓熱網(wǎng)加熱器加熱循環(huán)水。熱網(wǎng)加熱器疏水分別通過電動疏水泵升壓后，最終匯至主機組除氧器，對工質(zhì)及熱量進(jìn)行回收。當(dāng)背壓式汽輪發(fā)電機組故障時，為保證對外供熱，可以將背壓機隔離，蒸汽通過減溫減壓裝置降低蒸汽參數(shù)后再進(jìn)入低壓熱網(wǎng)加熱器，此時運行方式接近常規(guī)方案。

根據(jù)實際情況，系統(tǒng)設(shè)置可以采用不同形式：（1）當(dāng)背壓機發(fā)出的電能有穩(wěn)定的用戶且電負(fù)荷較大時，背壓機按較大容量設(shè)計，此時抽汽全部進(jìn)入背壓機，排汽進(jìn)入低壓熱網(wǎng)加熱器，不設(shè)高壓熱網(wǎng)加熱器；（2）當(dāng)背壓機發(fā)出的電能用戶電負(fù)荷較小時，背壓機按較小容量設(shè)計，此時除部分抽汽進(jìn)入背壓機外（排汽進(jìn)入低壓熱網(wǎng)加熱器），其余高參數(shù)抽汽進(jìn)入高壓熱網(wǎng)加熱器，以滿足外部采暖供熱需求。為充分利用高參數(shù)能量，在條件允許的情況下宜選用第1種方式，以下僅對此方案進(jìn)行論述。

圖2為全容量背壓機方案系統(tǒng)示意圖。

圖2 背壓機方案系統(tǒng)

3 經(jīng)濟性比較

背壓機方案與常規(guī)方案的經(jīng)濟性從熱經(jīng)濟性和運營經(jīng)濟性兩方面進(jìn)行考慮。

3.1 熱經(jīng)濟性比較

在背壓機方案中，由于部分抽汽先進(jìn)入背壓式發(fā)電機組用來發(fā)電，整個機組的電功率為主機組的電功率和背壓機電功率之和。

根據(jù)GB 5066—2011《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》，背壓機軸功率為

式中：Pb為背壓機功率，kW；qm為進(jìn)汽流量，t／h；hin為背壓機進(jìn)口（采暖抽汽）比焓，kJ／kg；hout為背壓機出口（熱網(wǎng)加熱器進(jìn)口）比焓，kJ／kg；ηb為背壓式汽輪機內(nèi)效率，熱網(wǎng)循環(huán)泵驅(qū)動汽輪機內(nèi)效率取值68%，背壓發(fā)電機組驅(qū)動汽輪機內(nèi)效率取值75%。

背壓發(fā)電機組功率為

式中：Pe為背壓汽輪發(fā)電機組功率，kW；ηe為背壓汽輪發(fā)電機效率，%；ηm為傳遞效率，取值98%。

供熱機組在額定供熱工況運行時的設(shè)計發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率計算公式為

式中：bfr為額定供熱工況運行時的設(shè)計發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率，g／（kW·h）；ηfr為供熱機組的設(shè)計發(fā)電熱效率，%；ηgl為鍋爐效率，%；ηgd為管道效率，%；ηqr為額定供熱工況運行時的汽輪發(fā)電機組熱效率，%；qjrr為額定供熱工況運行時的汽輪發(fā)電機組設(shè)計熱耗率，取用汽輪機廠提供的額定供熱工況所對應(yīng)的熱耗率保證值，kJ／（kW·h）。

供熱機組在額定供熱工況運行時的設(shè)計供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率計算公式為

式中：bgr為額定供熱工況運行時的設(shè)計供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率，g／（kW·h）；ed為額定供熱工況運行時的火力發(fā)電廠廠用電率，%。

供熱式機組的設(shè)計供熱標(biāo)準(zhǔn)煤耗率計算公式為

式中：br為設(shè)計供熱標(biāo)準(zhǔn)煤耗率，kg／GJ；ηhs為換熱首站的換熱效率，%。

以河南省西部某電廠2×300MW凝汽式汽輪機改造為例，為便于比較，采用額定供熱工況進(jìn)行計算，機組年利用小時數(shù)按照5000 h，供暖期為120 d。額定抽汽流量330 t／h，額定抽汽壓力為0.80MPa，溫度為340.7℃，背壓機排汽壓力為0.35MPa，熱網(wǎng)加熱器疏水排往除氧器，疏水溫度為110℃，并考慮疏水泵的電耗。熱經(jīng)濟性計算結(jié)果見表1。

表1 熱經(jīng)濟性計算結(jié)果比較

由表1可以看出，在額定抽汽供熱工況下，采用背壓發(fā)電機組后每臺機組可增加發(fā)電功率11.37 MW，但供熱能力降低約11.71MW。折合到全年，每個采暖期可增加發(fā)電量65.51GW·h，減少供熱量0.24×106GJ，平均發(fā)電熱效率提高0.89%，年均全廠熱效率提高0.85%，年均發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低5.62 g／（kW·h），年均供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低 5.90 g／（kW·h）。采用背壓機方案后，在供熱量略微減小的情況下增加了發(fā)電量，提高了能源利用效率，機組的熱經(jīng)濟性也得到顯著改善。

3.2 運營經(jīng)濟性比較

以河南西部某市供熱價格體系，供熱價格按照39.5元／GJ，上網(wǎng)電價按照河南省上網(wǎng)標(biāo)桿電價0.4191元／（kW·h）。運營經(jīng)濟性比較見表2。

表2 運營經(jīng)濟性計算結(jié)果比較

由表2可以看出，按照目前的供熱價格與上網(wǎng)電價計算，在額定抽汽工況下，改造2臺300MW機組每年可增加收益約1786.73萬元。如果按照平均熱負(fù)荷時的抽汽量計算，每年可增加收益約1386.5萬元。

由以上分析可見，采用背壓機供熱改造方案使能源得到梯級利用，提高了能源利用效率，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。在目前大容量機組供熱改造過程中，具有較好的推廣價值。

4 結(jié)論

本文通過對純凝機組供熱改造方式的分析，針對供熱改造中高品位能量損失的問題，探討了提高供熱改造機組經(jīng)濟性的方法，并對背壓機方案與常規(guī)方案的經(jīng)濟性進(jìn)行了比較。得出以下結(jié)論。

（1）對純凝機組供熱改造，背壓機方案在理論上是可行的，對供熱能力影響較小。

（2）背壓機方案可以充分利用抽汽的高品位能量進(jìn)行發(fā)電，實現(xiàn)能量的梯級利用，提高了能源利用效率，具有良好的熱經(jīng)濟性和運營經(jīng)濟性。

（3）在實際工程應(yīng)用中，需要考慮背壓機方案中增加的改造成本。

（4）在實際工程應(yīng)用中，還應(yīng)考慮背壓機發(fā)出電能的上網(wǎng)問題。如果供廠用電使用時，需要考慮廠用電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

［1］戈志華，楊佳霖，何堅韌，等.大型純凝汽輪機供熱改造節(jié)能研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2012，32（17）：25-30.