大型熱電聯(lián)產(chǎn)機組高背壓供熱改造全工況熱經(jīng)濟分析

萬燕，孫詩夢，戈志華，何堅忍

(電站設備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，北京市 102206)

大型熱電聯(lián)產(chǎn)機組高背壓供熱改造全工況熱經(jīng)濟分析

萬燕，孫詩夢，戈志華，何堅忍

(電站設備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，北京市 102206)

抽凝供熱機組抽汽參數(shù)往往高于熱網(wǎng)所需，熱損失大。高背壓供熱機組利用排汽余熱供熱，增加供熱能力，減少供熱抽汽量。單轉子運行和雙轉子互換是大型汽輪機高背壓供熱改造的2種主流方式,為研究不同方式的經(jīng)濟性和適用性，以某350 MW機組為例，采用Ebsilon仿真軟件建立高背壓供熱汽輪機變工況計算模型。結合單耗理論進行不同改造方式下供熱季與非供熱季經(jīng)濟性及能耗對比。結果表明：和單轉子方式相比，雙轉子互換方式在供熱季發(fā)電量多200萬 kW·h，平均發(fā)電煤耗低0.24 g/( kW·h)，最大供熱量少6.48 MW，非供熱季其效率高于單轉子方式。但考慮到雙轉子互換方式供熱季優(yōu)勢并不明顯，且每年需要2次更換轉子，因此對于大型熱電聯(lián)產(chǎn)機組高背壓供熱改造首選單轉子方式，以降低成本。

熱電聯(lián)產(chǎn)；供熱改造；高背壓；單轉子；雙轉子互換； 全工況

0 引 言

近年來，隨著用熱需求的持續(xù)增加，我國的熱電聯(lián)產(chǎn)機組規(guī)模不斷擴大，截止到2014年底，我國熱電聯(lián)產(chǎn)裝機容量達283 GW，約占火電裝機容量30%?，F(xiàn)有的熱電聯(lián)產(chǎn)機組中，大多數(shù)為300 MW及以上容量的大型機組，供熱方式主要是在汽輪機中壓缸后抽汽加熱熱網(wǎng)水[1,2]。該供熱方式抽汽參數(shù)過高，與用戶側熱負荷需求參數(shù)不匹配，造成高品位能的損失[3,4]，并且汽輪機排汽余熱通過循環(huán)水系統(tǒng)排放到環(huán)境中，造成能量的極大浪費，使熱電廠效率提升有限[5,6]。為此國內(nèi)學者對現(xiàn)有的聯(lián)產(chǎn)供熱方式進行探索和改進，提出汽輪機高背壓運行供熱方式[7]、NCB熱電機組供熱方式[8]、電廠耦合吸收式熱泵供熱方式[9]，以進一步挖掘熱電聯(lián)產(chǎn)節(jié)能降耗的潛力。其中，汽輪機高背壓運行供熱是指在采暖期通過提高凝汽器的背壓，從而提高排汽溫度，利用排汽余熱直接加熱熱網(wǎng)循環(huán)水的一種供熱方式。對機組進行高背壓供熱改造，可充分利用排汽余熱能，減少高品位抽汽量，達到能量的梯級利用，既提高了機組的循環(huán)熱效率，又可大幅提升機組的供熱能力，降低供電煤耗[10,11]。同時，近年來隨著氣候變暖和建筑節(jié)能的推廣，供熱指標以及供水溫度有所下降，也使高背壓供熱方式有很廣闊的應用前景。

將機組進行高背壓供熱改造，如果是空冷汽輪機，設計背壓較高，可以在冬季適當提高背壓加熱循環(huán)水實現(xiàn)對外供熱。若是濕冷機組，由于其設計背壓較空冷機組低，考慮到設備的安全性，必須要更換汽輪機的低壓轉子[12,13]。目前有2種改造方法，一種是將濕冷汽輪機低壓轉子更換為空冷轉子，供熱季與非供熱季都采用空冷低壓缸的運行方式，冬夏低壓缸采用同一根轉子；另一種是供熱期采用專門設計的高背壓低壓轉子，供熱結束后更換回原來的凝汽式轉子。已有許多學者從高背壓供熱改造的可行性、安全性等方面進行了大量的論證。常立宏在文獻[7]中研究了亞臨界300 MW濕冷機組空冷化改造范圍并驗證了空冷化改造后機組軸系的安全性。閆森等在文獻[13]中介紹了上海汽輪機廠對300 MW汽輪機進行雙轉子互換高背壓改造的方案，低壓部分采用先進的通流技術，結構部件進行了較大優(yōu)化以確保機組的安全性。邵建明等[14]和石德靜等[15]結合華電青島電廠的工程實例，詳細敘述了雙轉子互換高背壓改造需考慮的主要問題及改造內(nèi)容。王學棟等在文獻[16]中分析了2種改造方式的技術特征和改造后由熱力試驗得到的經(jīng)濟指標，但由于這2種改造方式分別用在2臺不同機組中，缺少可比性，且研究的是小容量機組，和大型熱電聯(lián)產(chǎn)機組存在較大差距?，F(xiàn)有文獻中缺少不同改造方式適用性研究，以及改造方式對非供熱期經(jīng)濟性影響尚無涉及，造成高背壓供熱改造存在一定的盲目性。

在上述背景下，本文以某地區(qū)350 MW抽汽供熱機組為例，對該機組進行高背壓供熱改造，分別對2種不同的換轉子改造方案進行研究。分析不同改造方式在供熱季與非供熱季全工況條件下的經(jīng)濟性及能耗對比，并綜合分析2種改造方式各自的安全性和適應性，以期為大型熱電聯(lián)產(chǎn)機組高背壓供熱改造方式的選擇提供理論依據(jù)。

1 理論分析

1.1 機組不同供熱方式理論分析

對于濕冷機組，其運行背壓一般為5 kPa左右，對應的飽和溫度為32.5 ℃，不能直接用于對外供熱。一次網(wǎng)回水溫度通常高于45 ℃，若要滿足供熱要求，機組必須改造成為高背壓機組，需將背壓提高。但汽輪機背壓提高過多，會影響汽輪機安全運行，故機組高背壓改造時必須更換低壓缸轉子。將汽輪機低壓缸凝汽轉子換成適應高背壓運行的轉子后，汽輪機排汽升高，對應凝結溫度升高，則可以利用汽輪機排汽余熱直接加熱熱網(wǎng)水。嚴寒期從中壓缸后抽汽尖峰加熱，達到供水溫度。改造前該機組全部采用抽汽供熱如圖1，高背壓改造后系統(tǒng)如圖2。

圖1 機組抽汽供熱示意圖Fig.1 Schematic diagram of heat supply unit with extraction steam

圖2 機組高背壓供熱示意圖Fig.2 Schematic diagram of heat supply unit with high back pressure

機組高背壓供熱改造過程中，影響最大的即為汽輪機本體[14]。低壓缸級數(shù)、通流面積、隔板等均需重新設計或調(diào)整，由于更換低壓缸轉子，所帶來的軸系穩(wěn)定性與標高也需顧及。除此之外，還需要考慮供熱管線、回熱系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等變化。供熱季時，機組的供熱凝汽器接入熱網(wǎng)水，對熱網(wǎng)回水進行加熱，供熱凝汽器實現(xiàn)熱網(wǎng)換熱器功能；在非供熱季，凝汽器熱網(wǎng)側閥門關閉，供熱凝汽器切回普通凝汽器使用。

更換低壓轉子有2種方式，一種是將濕冷汽輪機低壓缸轉子更換為空冷轉子，使其夏季額定工作背壓維持在15 kPa，冬季額定供熱工況背壓可達到34 kPa安全運行。由于其供熱季與非供熱季采用同一根轉子，以下稱該改造方式為單轉子方式。另一種方案是供熱期采用專門設計的供熱低壓轉子，汽輪機高背壓運行，供熱結束后更換回原來的凝汽式轉子，夏季背壓較改造前不變；冬季供熱時，汽輪機運行背壓可達到54 kPa，由于其供熱季與非供熱季采用不同的低壓缸轉子，以下稱該改造方式為雙轉子互換方式。

1.2 單耗理論分析

為對單轉子方式和雙轉子互換方式經(jīng)濟性對比研究，引入單耗分析理論。對任何產(chǎn)品，其單耗都由2部分構成[17]：理論最低單耗和附加單耗。其中，理論最低單耗表示生產(chǎn)該單位產(chǎn)品無任何損失時燃料單耗；附加單耗表示生產(chǎn)產(chǎn)品各環(huán)節(jié)設備損耗引起的燃料單耗之和。單耗b可表示為

(1)

式中：ep、ef分別表示產(chǎn)品和燃料的比；Bi、P表示各環(huán)節(jié)投入的和產(chǎn)出的；bmin為理論最低單耗；bi為附加單耗。由此得到熱力學第二定律效率，即效率

(2)

由式(2)可看出，只要知道實際燃料單耗，就可以計算出該產(chǎn)品的效率，而不必對整個生產(chǎn)過程及系統(tǒng)設備進行詳細分析。

對于汽輪機組[18]，若發(fā)電量為Pe，則其第二定律效率為

(3)

(4)

2 基于Ebsilon軟件的供熱機組計算模型

2.1 機組供熱邊界條件的確定

本文以某地區(qū)350 MW機組為案例，研究不同更換轉子方式機組的經(jīng)濟效益。改造前機組采用傳統(tǒng)的抽汽供熱方式，基本參數(shù)如表1所示。

表1 350 MW供熱機組基本參數(shù)
Table 1 Basic parameters of 350 MW heating unit

根據(jù)該地區(qū)溫度情況及熱網(wǎng)特性，供熱邊界條件如圖3所示。

圖3 供熱季參數(shù)分布Fig.3 Parameter distribution in heating season

供熱季共為120天，分嚴寒期和非嚴寒期。其中嚴寒期為43天，非嚴寒期為77天。嚴寒期供、回水溫度維持在100/45 ℃，非嚴寒期供熱溫度線性變化，即供、回水溫度在65/38 ℃至100/45 ℃之間均勻變化，經(jīng)驗證，發(fā)電功率及總熱耗基本呈線性變化；嚴寒期設計供熱負荷為350 MW；供熱初期溫度為65 ℃，回水溫度為38 ℃，機組主汽流量根據(jù)供熱負荷變工況計算得到；熱網(wǎng)調(diào)節(jié)采用質(zhì)調(diào)節(jié)，熱網(wǎng)水流量按設計流量計算；供熱期機組運行小時數(shù)為2 880 h。為便于比較，單轉子方式和雙轉子互換改造方式機組承擔的熱負荷相同。

2.2 基于Ebsilon軟件供熱汽輪機熱力模型

本文采用Ebsilon軟件建立汽輪機及熱力系統(tǒng)模型，進行供熱機組全工況經(jīng)濟性分析。該軟件對鍋爐、汽輪機、凝汽器等設備元件，具備高建模能力及自定義校正功能，對于功率、級組效率等物理參數(shù)，計算準確性較高[19,20]。搭建的350 MW機組模型如圖4所示。

圖4 Ebsilon軟件模擬電廠系統(tǒng)Fig.4 Power plant system simulated by Ebsilon software

為提高汽輪機組件變工況的準確性，采用迭代計算高背壓下變工況參數(shù)，實現(xiàn)汽輪機的變工況計算。本文采用改進的弗流格爾公式[21]對汽輪機組件進行編程，使機組性能及各項參數(shù)與實際的高背壓機組吻合。式(5)為改進的弗留格爾公式。

(5)

式中：G表示級組蒸汽流量；v0表示級組前蒸汽比容；p0表示級組前蒸汽壓力；下標A、B分別表示兩個不同工況；π表示級組壓力比，表達式為

(6)

式中p2、p0分別表示該級組出口和入口蒸汽壓力。通過式(1)說明在不同工況下，同級葉片滿足上述關系式。因此可根據(jù)式(1)，對汽輪機組的性能參數(shù)進行修正，使其與實際機組參數(shù)更加吻合。

對于回熱器等換熱部件，蒸汽所釋放的熱量全部被熱網(wǎng)水所吸收，熱平衡方程為

(7)

為保證模型正確，必須對模型進行額定工況和變工況正確驗證。本文以該機組熱平衡圖中THA工況、75%工況、50%工況及40%工況為參照，對模型進行變工況模擬，并對其中小汽水流量、調(diào)節(jié)級滑壓曲線及末級效率進行修正后，模擬計算得到的發(fā)電功率和熱平衡圖上對應工況實際功率值進行比較，如圖5所示。

圖5 模擬功率與設計功率比較圖Fig.5 Comparison between simulated power and designed power

經(jīng)計算，最大相對誤差不超過0.8%，滿足工程上的精度要求。因此基于Ebsilon軟件建立的高背壓供熱汽輪機模型經(jīng)過修正能正確反映出機組的運行狀況，模擬結果可信并可用于實際供熱機組變工況計算。

3 不同改造方式全工況經(jīng)濟性分析

3.1 供熱季2種換轉子方式經(jīng)濟性對比

汽輪機采用單轉子方式供熱時，供熱季和非供熱季采用同一根轉子，供熱季汽輪機運行背壓可至 34 kPa，對應的飽和溫度為72 ℃，假定凝汽器換熱端差為 2 ℃，凝汽器出口可將熱網(wǎng)水加熱至70 ℃，對于供熱初期有可能滿足供熱要求，當供水溫度高于70 ℃時，采用抽汽作為尖峰加熱。

雙轉子互換方式供熱，即在供熱季時，將原濕冷機組汽輪機低壓缸轉子更換為高背壓轉子，使其背壓提高至54 kPa，同樣假定凝汽器2 ℃的換熱器端差，則排汽余熱可將熱網(wǎng)水加熱至81 ℃。當需要的供熱溫度超過81 ℃時，再繼續(xù)從汽輪機中壓缸末端抽汽補充加熱，使熱網(wǎng)水能夠滿足對外供熱需求。

采用基于Ebsilon軟件的供熱系統(tǒng)模型，計算2種不同換轉子方式進行供熱改造機組的熱經(jīng)濟性指標，結果匯總于表2。

表2 不同改造方式供熱期熱經(jīng)濟性對比
Table 2 Comparison of economy in heating season between two modes

由表2看出，相同供熱負荷下，單轉子運行方式與雙轉子互換方式的煤耗均遠遠低于傳統(tǒng)抽汽供熱方式，節(jié)煤效果顯著。雙轉子互換方式和單轉子方式相比供熱季發(fā)電量多200萬 kW·h，平均發(fā)電煤耗率低0.24 g/( kW·h)，有微弱優(yōu)勢。若該地區(qū)供熱季發(fā)電需求大，雙轉子互換方式供熱略有優(yōu)勢；從最大供熱能力方面分析，單轉子方式最大供熱負荷為490.24 MW，比雙轉子互換方式供熱多6.48 MW，供熱能力稍高，但供熱能力差別不大。

3.2 非供熱季2種換轉子方式經(jīng)濟性比較

由于不同改造方式夏季運行情況不同，本文進行2種不同改造方式非供熱期經(jīng)濟性分析，以期達到全工況經(jīng)濟性比較。單轉子方式供熱季結束后，機組背壓維持在15 kPa，高于原機組的設計背壓4.9 kPa，純凝運行時，機組的發(fā)電功率相比原機組功率低，其額定功率326 MW，可計算出不同工況對應功率值。雙轉子方式供熱期結束后換回原來的純凝低壓轉子，背壓及額定功率恢復至改造前參數(shù)，發(fā)電功率比較如圖6所示。

圖6 兩種換轉子方式非供熱季功率對比Fig.6 Comparison of generation power in non-heating season between two modes

從圖6看出，單轉子方式非供熱期由于運行背壓提高，發(fā)電功率降低。但僅從功率角度無法判斷哪種方式具有更高的能源利用效率，本文將以單耗理論為基礎，對2種不同換轉子方式非供熱季采用單耗理論分析機組能耗。

圖7 2種換轉子方式非供熱季效率對比Fig.7 Comparison of exergy efficiency in non-heating season between two modes

圖8 2種換轉子方式非供熱季損失對比Fig.8 Comparison of exergy loss in non-heating season between two modes

3.3 機組運行成本比較

機組進行高背壓供熱改造，除更換低壓轉子外，凝汽器需要更換加固，供熱季充當?shù)蜏負Q熱器，利用排汽余熱加熱熱網(wǎng)水；非供熱季，凝汽器作為普通凝汽器使用。

就單轉子運行方式而言，僅需要更換1次轉子即可，但對于雙轉子，則在供熱季與非供熱季交替時都需要更換低壓缸轉子，1年當中需要換2次轉子。假設2種換轉子方式下新設計轉子成本一致，則雙轉子互換方式需要更大的更換成本。就350 MW濕冷機組而言，每更換1次轉子大約需要停機20天，人工費、材料費等大約需要50萬元。而且每更換1次轉子，需要對低壓缸中軸線進行調(diào)試，完成對中，操作相對復雜。

4 結 論

通過高背壓供熱不同改造方式供熱季與非供季全工況條件下的經(jīng)濟性及能耗對比，可以得出結論：

(1)機組采用高背壓供熱方式，由于排汽余熱被有效利用，供熱期機組發(fā)電煤耗降至140 g/( kW·h)左右，遠低于傳統(tǒng)供熱方式機組煤耗，節(jié)煤效果顯著；

(2)供熱期采用雙轉子互換和單轉子方式對比，機組平均煤耗率稍低，但差別很小，單轉子運行方式的最大供熱能力稍高于雙轉子互換方式；

(4)雙轉子互換方式需要頻繁更換轉子，運行成本高，綜合考慮供熱期運行情況，高背壓供熱改造時應盡量選擇單轉子運行方式，以降低成本。

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(編輯 劉文瑩)

Thermo-Economic Analysis of High Back Pressure Heating Retrofit for Large-Scale Cogeneration Unit under Full Condition

WAN Yan，SUN Shimeng，GE Zhihua，HE Jianren

(Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Education, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Extraction steam parameters of extraction condensate heating unit are often higher than the heating network required, which resulted in a great loss of heat. High back pressure unit makes use of exhaust heat for heating, thus increasing heating capacity and reducing heating steam extraction. There are two main methods of high back pressure heating retrofit for large steam turbine, which are single-rotor mode and double-rotor interchange mode. For the study of different forms of economy and applicability, taking a 350 MW unit as an example,this paper constructs an off-design calculation model of high back pressure heating turbine using Ebsilon simulation software. We comparatively analyze the economic efficiency and energy consumption in heating season and non-heating season under two modes based on the theory of unit fuel consumption. The results show that in heating season,the electricity output of double-rotor interchange mode is 2 000 MW·h higher, the average coal consumption rate is 0.24 g/kW·h lower and the maximum heating capacity is 6.48 MW lower compared with that of single rotor mode. In non-heating season, the exergy efficiency of double-rotor interchange mode is better than that of single-rotor mode. However,the advantage of double-rotor interchange mode in heating season is not obvious and double-rotor interchange mode requires replacing rotor twice a year. Therefore, in order to reduce cost, single-rotor mode is the first choice for high back pressure heating retrofit of large-scale cogeneration unit.

cogeneration; heating retrofit; high back pressure; single rotor; double-rotor interchange; full condition

國家科技支撐計劃項目(2014BAA06B01)

TM 611.3

A

1000-7229(2016)04-0131-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.04.020

2016-02-22

萬燕(1990)，女，碩士生，主要研究方向為熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能；

孫詩夢(1992)，女，碩士研究生，主要研究方向為熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能；

戈志華(1969)，女，博士，教授，主要研究方向為電站機組運行優(yōu)化和大型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能；

何堅忍(1940)，男，學士，高級工程師，主要研究方向為汽輪機及供熱技術。

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