200MW級機組供熱改造分析

張新雷　姜迪　董蕾

摘要：200MW級機組供熱改造方案主要包括抽汽供熱和低真空供熱兩個方向，抽汽供熱改造方案總體上具有機組冷源損失少、能源利用率高、調(diào)控靈活等特點，但改造涉及熱網(wǎng)系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、回?zé)嵯到y(tǒng)等多個熱力系統(tǒng)；低真空供熱改造方案改造涉及系統(tǒng)少、管道布置簡單，但其供熱調(diào)控不夠靈活。文章對200MW級機組供熱改造進行了分析。

關(guān)鍵詞：200MW級機組；供熱改造；低真空供熱；抽汽供熱；火力發(fā)電廠 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM611 文章編號：1009-2374（2017）01-0033-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.01.016

1 概述

隨著我國大型、清潔、高效的火力發(fā)電廠大量建設(shè)，以水力發(fā)力、風(fēng)力發(fā)電、核能發(fā)力為主的清潔能源電站迅速發(fā)展，我國電力的供應(yīng)量已超過社會對電力的需求。2011年以來，全國火電設(shè)備利用小時數(shù)整體處于加速下降趨勢，2015年甚至僅為4329小時，如果單純用于發(fā)電，全國火電設(shè)備相當(dāng)于全年處于60%以下負(fù)荷運行，發(fā)電能力已屬嚴(yán)重過剩。然而與發(fā)電能力過剩的境況相反，我國三北地區(qū)供熱機組實際供熱量大部分未能達到額定供熱能力。2013年，我國供熱量增長率為-1.78%，隨著三北地區(qū)城鎮(zhèn)人口的增加，供熱量的缺口有增大的趨勢。

200MW及以下中小型火電機組，由于能耗較高，國內(nèi)近些年已少有再建。然而國家在20世紀(jì)八九十年代曾大量建起的該類型機組，有些經(jīng)過節(jié)能環(huán)保的改造，仍處于良好運行狀態(tài)。如果將三北地區(qū)該部分機組進行供熱改造，將大幅提高其能源利用率，既可以在不增加發(fā)電量的基礎(chǔ)上提高供熱能力，又能解決由于新建供熱機組所帶來的成本問題。

2 供熱改造方案

國內(nèi)200MW級超高壓機組，通常以一次中間再熱、單軸、三缸三排汽、凝汽式汽輪機為主，該機組高壓缸獨立，中壓缸與#1低壓缸合缸，#2、#3號低壓缸對稱布置，其系統(tǒng)流程如圖1所示：

2.1 抽汽供熱方案

常見的汽輪機采暖抽汽供熱改造，一般是在汽輪機組中壓缸排汽連通管上連通閥前打孔，進行抽汽供熱，通過調(diào)節(jié)連通閥開度控制抽汽量。由于中壓缸與低壓缸合缸的設(shè)計，導(dǎo)致通過中壓缸排汽管道的中壓缸排汽約為全部排汽量的一半，而且要保證#2、#3低壓缸不產(chǎn)生鼓風(fēng)工況，影響機組發(fā)電效率，還需要維持一定排汽至兩低壓缸內(nèi)，所以該方案可抽出的最大汽量一般為150t/h左右，甚至更低。如果要進一步增大抽汽量，就需要在打孔抽汽方案基礎(chǔ)上，對低壓缸進行改造，使排入#2、#3低壓缸的汽量最大限度減少，以增加抽汽量進行供熱。

2.1.1 背壓機方案。背壓機方案是指取消機組2個獨立的低壓缸及機組凝汽器，將中低壓合缸排汽全部用于供熱，此時供熱能力將大幅增加。由于不存在低壓缸鼓風(fēng)工況以及低壓缸冷卻等問題，機組最大抽汽量可擴大至500t/h，幾乎不存在冷源損失。

不過雖然將機組改背壓機可以最大限度地增加采暖抽汽量，但在非采暖期由于中壓缸排汽無熱用戶，只能處于停機狀態(tài)，限制了其發(fā)電能力。

2.1.2 低壓轉(zhuǎn)子“光軸”改造?！肮廨S”改造是指為現(xiàn)有的機組低壓缸合缸部分另外再設(shè)計一根軸承，無需安裝葉片，該軸承只用于傳遞扭矩，不對外作功發(fā)電。雖然沒有葉片，但高速轉(zhuǎn)動過程中仍會由于與空氣摩擦產(chǎn)生熱量，所以需要保證低壓缸最小冷卻用蒸汽流量，通常需要5～10t/h，其余均可作為采暖抽汽供熱。最大抽汽量可達330t/h。雖然抽汽量較改成背壓機的方案有所減少，存在一定的冷源損失，但由于非采暖期可以更換為原有低壓缸轉(zhuǎn)子進行純凝工況運行，使得機組運行更具靈活性。不過由于每年需要更換二次轉(zhuǎn)子，對設(shè)備存在一定損傷。

對于抽汽供熱方案，從改造難度方面來看，因抽取中壓缸排汽用于供熱，凝汽器排汽量大幅減小甚至沒有排汽，使得循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、回?zé)嵯到y(tǒng)都需要重新設(shè)計。而且設(shè)計過程中還要考慮到凝汽器為防止結(jié)垢所需要的最小流速要求、軸封加熱器所需要的最小冷卻水量等一系列問題。另外，如果是做過打孔抽汽改造的機組，想進一步增加抽汽量改造時，對于現(xiàn)存的熱網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備，由于供汽量增加近一倍以上，所需增加或更換的設(shè)備及管道較多，改造相對復(fù)雜。

2.2 低真空供熱方案

低真空供熱是指機組在非采暖期時以常規(guī)純凝機組運行，但進入采暖期后，改用熱網(wǎng)循環(huán)水回水作為凝汽器的冷卻水源，低壓缸排汽用于加熱熱網(wǎng)水回水的供熱改造方案。由于該方案從理論上講幾乎消除了機組的冷源損失，所以機組能源利用率非常高。

凝汽器的背壓取決于飽和凝結(jié)水溫度所對應(yīng)壓力，采用熱網(wǎng)循環(huán)水回水作為凝汽器的冷源來冷卻低壓缸排汽，由于冷卻水的溫度較高，一般為60℃左右（根據(jù)地區(qū)及供暖時期不同有所區(qū)別），考慮到溫升及傳熱端差，由其冷卻下來的飽和凝結(jié)水水溫一般可達68℃或更高。對應(yīng)飽和壓力為28.5kPa左右，顯著高于普通濕冷機組HRL工況的11.8kPa，故稱為低真空供熱或高背壓

供熱。

由于低壓缸排汽背壓升高，導(dǎo)致其容積流量減少，低壓轉(zhuǎn)子末級葉片容易產(chǎn)生鼓風(fēng)工況。另外，低壓轉(zhuǎn)子由于偏離設(shè)計背壓，自然垂度會發(fā)生變化，在高速轉(zhuǎn)動過程中，容易導(dǎo)致葉片顫振、軸系振動等問題，所以通常需要針對低壓轉(zhuǎn)子進行改造。

2.2.1 換轉(zhuǎn)子改造方案。換轉(zhuǎn)子改造方案是指針對高背壓工況專門另設(shè)計一套低壓轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子比正常轉(zhuǎn)子減少l～2級葉片，末級葉片葉高適當(dāng)縮短，以滿足冬季低真空供熱要求，重新設(shè)計一套末級隔板和導(dǎo)葉與之匹配。而在夏季純凝工況時則恢復(fù)使用原機的轉(zhuǎn)子和隔板。該方案能夠保證汽輪發(fā)電機組全年都滿負(fù)荷運行，滿足供熱與發(fā)電的不同需求。與“光軸”改造一樣，每年需要開缸兩次更換轉(zhuǎn)子，在每次更換時需要鉸孔或使用液壓螺栓，對設(shè)備存在一定損傷。

2.2.2 單轉(zhuǎn)子改造方案。單轉(zhuǎn)子改造方案是指將機組現(xiàn)存低壓缸轉(zhuǎn)子去掉末級葉片，并將次末級葉片加固，制成可供低真空供熱使用的轉(zhuǎn)子，冬季低真空工況和夏季純凝工況均采用該轉(zhuǎn)子。這種低壓缸轉(zhuǎn)子改造方式簡單，花費資金少，轉(zhuǎn)子不需要經(jīng)常更換。但由于低壓轉(zhuǎn)子減少一級，機組的額定出力將受到影響。

2.2.3 不改變轉(zhuǎn)子改造方案。如果確實需要在不改變低壓缸轉(zhuǎn)子的情況下進行高背壓改造，則需要汽輪機廠家認(rèn)真核算低壓轉(zhuǎn)子安全性，運行中也要嚴(yán)密監(jiān)查機組運行狀態(tài)，以防出現(xiàn)安全事故。

從改造難度方面來看，與抽汽供熱改造相比，因低真空供熱幾乎不需要更改各熱力系統(tǒng)，所以具有系統(tǒng)簡單、造價低、改造后能源利用率高等優(yōu)點。

不過，低真空供熱采用的是熱網(wǎng)循環(huán)水冷卻低壓缸排汽，由于熱源與冷源傳熱端差小，所以所需的熱網(wǎng)循環(huán)水水量較大，熱網(wǎng)循環(huán)水溫升也較低，通過凝汽器僅能將大量熱網(wǎng)循環(huán)水進行初步加熱，所以如果缺少進一步對其進行加熱的熱源，則會因為無法將熱網(wǎng)水加熱至供出時所需溫度而影響供熱量。

另外，如果機組作過打孔抽汽改造，在進行低真空改造后，因低壓缸防止鼓風(fēng)工況所需最小通流量增加的原因，抽汽量也會有所降低，所以高背壓改造必須配合其他供熱機組才能夠發(fā)揮其高能效的作用，如果缺少輔助汽源，低真空供熱改造不僅無法有效增加供熱面積，甚至有可能低于改造前的供熱能力。

3 結(jié)語

200MW級純凝火電機組能源利用效率較低，屬于高污染、高能耗機型。通過有效的供熱改造后，可以將其能源利用效率由原來的不足50%提升至90%以上，既可以滿足國家對燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造的要求，又能切實滿足三北地區(qū)對供熱的需求。

目前常用的供熱改造主要有抽汽供熱和低真空供熱兩個方向，抽汽供熱總體上具有效果直接、調(diào)控靈活、供熱效果不受其他機組制約的特點。但常規(guī)的打孔抽汽供熱改造抽汽量較少，為了增大抽汽量，還需要進一步對機組進行背壓機改造或者對低壓轉(zhuǎn)子進行“光軸”改造。因抽汽供熱改造涉及多個系統(tǒng)，需要重新設(shè)計大量設(shè)備與管線，改造難度大，造價較高。低真空供熱改造則與抽汽供熱相反，改造簡單、造價低，但其供熱能力受其他熱源制約，供熱調(diào)控不夠靈活。

參考文獻

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作者簡介：張新雷（1985-），男，吉林長春人，中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司工程師，碩士，研究方向：熱能與動力。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）