F級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組供熱方案研究

張濤

摘要：截至2014年底，全國(guó)電力裝機(jī)容量約13.6億kW，其中火電裝機(jī)容量為9.2億kW。在火電裝機(jī)容量9.2億kW中，燃機(jī)裝機(jī)容量約5567萬(wàn)kW，這其中又有相當(dāng)一部分機(jī)組在我國(guó)北方城市，兼具著居民采暖供熱的社會(huì)義務(wù)。文章充分吸收借鑒國(guó)內(nèi)采暖供熱煤電機(jī)組和聯(lián)合循環(huán)采暖供熱機(jī)組的成熟設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行反饋經(jīng)驗(yàn)，提出了F級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的幾種供熱方案。

關(guān)鍵詞：F級(jí)；聯(lián)合循環(huán)機(jī)組；供熱方案；熱電聯(lián)產(chǎn) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U664 文章編號(hào)：1009-2374（2015）21-0067-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.21.034

1 熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀

熱電聯(lián)產(chǎn)是熱能和電能聯(lián)合生產(chǎn)的一種高效能源生產(chǎn)方式，目前我國(guó)熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)模位居世界前列，自20世紀(jì)80年代后先后出臺(tái)了一系列的熱電聯(lián)產(chǎn)的相關(guān)政策，積極推動(dòng)熱電聯(lián)產(chǎn)的發(fā)展。最近幾年在國(guó)家實(shí)施上大壓小及節(jié)能減排政策的影響下，主要發(fā)展大型熱電聯(lián)產(chǎn)供熱機(jī)組，裝機(jī)容量一般在300MW級(jí)及以上，可以更好的提高機(jī)組效率，降低冷源損失，節(jié)約燃料，減少污染物排放量，改善生活環(huán)境。

目前現(xiàn)有以下四種熱電供熱技術(shù)：

1.1 抽汽供熱技術(shù)

目前熱電聯(lián)產(chǎn)供熱機(jī)組多數(shù)采用抽汽供熱，即將在汽輪機(jī)內(nèi)做過(guò)功的蒸汽抽出對(duì)外供熱，降低冷源損失，提高機(jī)組效率。但由于汽輪機(jī)低壓缸在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中需要有最低的冷卻流量，因此并不能完全將所有蒸汽抽出，仍有部分冷源損失。

1.2 吸收式供熱技術(shù)

2007年清華大學(xué)率先提出了“基于吸收式循環(huán)的新型熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術(shù)”，通過(guò)吸收式換熱機(jī)組、大溫差等技術(shù)，可增大一次網(wǎng)的溫差，增大熱網(wǎng)輸配能力，進(jìn)一步降低冷源損失，提高熱電廠的熱效率。

1.3 高背壓供熱技術(shù)

高背壓供熱技術(shù)，也即低真空供熱技術(shù)，是近年為適應(yīng)北方采暖供熱而出現(xiàn)的改造型技術(shù)，大都是由純凝或抽凝式機(jī)組經(jīng)改造而成。該技術(shù)最早于20世紀(jì)80年代出現(xiàn)在我國(guó)東北地區(qū)，而后逐步發(fā)展到華北地區(qū)。迄今為止，國(guó)內(nèi)在低真空供熱改造方面包括汽輪機(jī)本體、凝汽器和系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)及工程實(shí)施等都積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。采用低壓缸雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換改造方案、消除冷源損失，增大供熱能力，提高熱電廠的熱效率。

高背壓供熱技術(shù)具有投資較低，供熱量大，熱效率高等優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)大型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的重要發(fā)展方向。

1.4 背壓供熱技術(shù)

背壓供熱技術(shù)是近年來(lái)以聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為基礎(chǔ)興起的供熱技術(shù)。通過(guò)在汽輪機(jī)中、低壓缸之間設(shè)置SSS自動(dòng)同步離合器，形成NCB（抽凝背）機(jī)組，可以在純凝、抽凝、背壓三種不同狀態(tài)下運(yùn)行。機(jī)組可根據(jù)熱負(fù)荷的情況靈活切換運(yùn)行方式，其熱負(fù)荷和電負(fù)荷適應(yīng)性都很強(qiáng)。

2 F級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組供熱方案的研究

2.1 聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組配置方案

單軸方案：即燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)和汽輪機(jī)三大主機(jī)均連接在一根軸系上。此方案必須協(xié)調(diào)三大主機(jī)轉(zhuǎn)子的彎曲振動(dòng)和扭振特性，使得軸系的動(dòng)態(tài)特性要求高，對(duì)差脹、推力瓦設(shè)計(jì)及潤(rùn)滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面都比較高，需要技術(shù)支持方協(xié)調(diào)，因此單軸方案除燃機(jī)進(jìn)口外還需引進(jìn)國(guó)外技術(shù)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)配套的汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)，國(guó)產(chǎn)化程度不高，設(shè)備的初投資高，且單軸機(jī)組目前沒(méi)有供熱運(yùn)行的業(yè)績(jī)。

多軸方案：即聯(lián)合循環(huán)分軸布置，設(shè)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組及汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。多軸方案規(guī)避了單軸方案需要整體保證性能的風(fēng)險(xiǎn)，采用國(guó)產(chǎn)余熱鍋爐、汽輪機(jī)和汽輪發(fā)電機(jī)，設(shè)備初投資低。

對(duì)于供熱機(jī)組，一般采用多軸方案，即設(shè)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組及汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。

2.2 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組供熱方案優(yōu)化

2.2.1 熱網(wǎng)加熱器加熱蒸汽參數(shù)優(yōu)化。目前集中供熱一般是在電廠內(nèi)設(shè)置一級(jí)換熱站，廠外設(shè)置二級(jí)換熱站。用中壓缸排汽加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，一次熱網(wǎng)的供回水溫度一般為130℃/70℃。

一般機(jī)組的中壓缸排汽的壓力在0.4～0.5MPa.a之間，對(duì)應(yīng)的飽和溫度在143℃～152℃之間，用此蒸汽將一次熱網(wǎng)的回水由70℃加熱至130℃，熱網(wǎng)加熱器的端差較大，經(jīng)濟(jì)性較差。若進(jìn)一步降低中壓缸排汽參數(shù)至0.3MPa.a，其飽和溫度為134℃，用此蒸汽將一次熱網(wǎng)的回水由70℃加熱至130℃，熱網(wǎng)加熱器的端差在考慮蒸汽過(guò)熱段換熱的影響和蒸汽壓降后仍能超過(guò)5℃，經(jīng)濟(jì)性較高。同時(shí)蒸汽在中壓缸做功，增加發(fā)電量。

以東方電氣集團(tuán)M701F4型燃機(jī)為例，對(duì)0.5MPa和0.3MPa兩種中壓缸排汽參數(shù)進(jìn)行熱平衡計(jì)算，分析對(duì)比經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。熱平衡計(jì)算采用抽凝工況（設(shè)計(jì)熱負(fù)荷200MW/臺(tái)機(jī)組）和全背壓工況兩種工況分別進(jìn)行。從表1中可以看出，采用0.3MPa的中排壓力，機(jī)組的熱效率更高，經(jīng)濟(jì)性更好，但機(jī)組的最大供熱能力略有降低。因此，推薦汽輪機(jī)的中低壓缸分缸壓力采用0.3MPa。

2.2.2 煙氣余熱利用方案優(yōu)化。

（1）余熱利用方案簡(jiǎn)介。排煙熱損失是鍋爐各項(xiàng)熱損失中最大的一項(xiàng)，影響排煙熱損失的主要因素是排煙溫度，一般情況下，排煙溫度每增加10℃，排煙熱損失增加0.6%～1.0%。因此，降低排煙溫度對(duì)于節(jié)約燃料、降低污染具有重要的實(shí)際意義。

對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的余熱鍋爐，由于其給水溫度變化較大，尾部受熱面優(yōu)化是保證機(jī)組高效運(yùn)行的關(guān)鍵。在采暖供熱工況時(shí)，進(jìn)入余熱鍋爐的熱網(wǎng)加熱器的疏水溫度較高，排煙溫度會(huì)相應(yīng)提高，因此余熱鍋爐尾部還有很大的煙氣余熱利用空間。如果充分利用尾部煙氣余熱加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，則可以回收煙氣余熱，提高采暖供熱能力。

為了盡可能利用尾部煙氣余熱，進(jìn)一步降低排煙溫度，采用了以下兩種煙氣余熱利用方案：

方案一：采用內(nèi)置熱網(wǎng)加熱器，利用煙氣加熱熱網(wǎng)循環(huán)水。

方案二：采用擴(kuò)大低壓省煤器，抽取高溫凝結(jié)水加熱熱網(wǎng)循環(huán)水。

（2）余熱利用方案比較。在供熱期初期，機(jī)組抽凝運(yùn)行，給水由凝結(jié)水及熱網(wǎng)加熱器疏水組成，給水溫度介于25℃～80℃之間；當(dāng)供熱需求較大時(shí)，機(jī)組背壓運(yùn)行，給水由熱網(wǎng)加熱器疏水組成，溫度高達(dá)80℃。

圖5為純凝運(yùn)行工況，給水溫度較低，凝結(jié)水加熱器受熱面全部投運(yùn)即可達(dá)到設(shè)計(jì)的排煙溫度，熱網(wǎng)加熱器處于干燒狀態(tài)。圖6為機(jī)組抽凝/背壓運(yùn)行工況，由于給水溫度較高，凝結(jié)水加熱器只能部分投運(yùn)，部分處于干燒狀態(tài)，否則凝結(jié)水加熱器出口將有汽化現(xiàn)象，影響機(jī)組的安全運(yùn)行，同時(shí)投運(yùn)熱網(wǎng)加熱器以降低排煙溫度。

優(yōu)化后一體化方案可有效提高供熱品質(zhì)，且更便于利用，可提供150℃以上的熱網(wǎng)水，而傳統(tǒng)方案只能提供130℃左右的熱網(wǎng)水。在部分負(fù)荷時(shí)，優(yōu)化方案仍可提供140℃以上的熱網(wǎng)水。而且可根據(jù)不同的供熱需求，靈活調(diào)節(jié)供熱品質(zhì)和供熱量。

低壓省煤器與熱網(wǎng)加熱器合并設(shè)置，可避免非供暖期熱網(wǎng)加熱器干燒問(wèn)題，有利于余熱鍋爐安全運(yùn)行。

為了增加余熱利用供熱量，采取的措施為增加鍋爐供熱水量，但增加供熱水量的同時(shí)會(huì)造成凝結(jié)水再循環(huán)泵的出力增加及低壓主蒸汽產(chǎn)汽量的減少。在采用余熱鍋爐供熱時(shí)，高壓主蒸汽、中壓主蒸汽的流量及參數(shù)并不受余熱鍋爐抽取熱水的量的影響，因此對(duì)機(jī)組的發(fā)電功率幾乎沒(méi)有影響。

技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較：兩種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比見(jiàn)表2。

由表2可以看出，方案一初投資較高，且由于尾部煙氣換熱器水質(zhì)較差，存在由于受熱面腐蝕的潛在危險(xiǎn)；尤其是在非采暖季，煙氣換熱器需在干燒狀態(tài)下運(yùn)行；方案二雖增加了換熱面積，造成阻力增加，但影響較小，同時(shí)增加的運(yùn)行成本也較低，經(jīng)濟(jì)性更好，更加安全可靠。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，F(xiàn)級(jí)聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組的推薦供熱方案有以下關(guān)鍵因素：

（1）機(jī)組多軸布置。根據(jù)熱負(fù)荷的情況，在汽輪機(jī)中、低壓缸之間設(shè)置SSS離合器，增強(qiáng)機(jī)組的靈活性及供熱能力。

（2）汽輪機(jī)中低壓分缸壓力設(shè)為0.3MPa.a，降低熱網(wǎng)加熱器加熱蒸汽參數(shù)，提高機(jī)組的熱效率及經(jīng)

濟(jì)性。

（3）余熱鍋爐設(shè)置擴(kuò)大低壓省煤器及外置水水換熱器，降低余熱鍋爐排煙溫度，提高機(jī)組熱效率及經(jīng)濟(jì)性，運(yùn)行靈活，安全可靠。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）