200 MW機(jī)組三缸三排汽凝汽式汽輪機(jī)供熱改造研究

沈 峰，朱鵬達(dá)，譚 銳

（國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院，南京 210031）

200 MW機(jī)組三缸三排汽凝汽式汽輪機(jī)供熱改造研究

沈 峰，朱鵬達(dá)，譚 銳

（國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院，南京 210031）

200 MW機(jī)組三缸三排汽式汽輪機(jī)由于其特殊的設(shè)計(jì)方式，在早期供熱改造后供熱能力較差，能耗指標(biāo)較高。對(duì)此，首先通過(guò)供熱升級(jí)改造，將汽輪機(jī)的通流方式由三排汽改為兩排汽，提高機(jī)組的供熱可調(diào)節(jié)能力。在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步降低機(jī)組的發(fā)電煤耗，進(jìn)行高背壓供熱改造，改造后機(jī)組的控制能力較差，則利用發(fā)電廠內(nèi)其他機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰，以最大限度發(fā)揮改造機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

三缸三排汽；供熱；高背壓；煤耗率

節(jié)能減排是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源利用的基本國(guó)策。結(jié)合國(guó)家煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃要求，經(jīng)濟(jì)性較差的火電機(jī)組在不久即將被強(qiáng)制關(guān)停。對(duì)于部分裝機(jī)容量較小、參數(shù)較低的機(jī)組，熱電聯(lián)產(chǎn)是改善其經(jīng)濟(jì)性的重要手段。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)投產(chǎn)的200 MW機(jī)組三缸三排汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組有160余臺(tái)，早期天津電力科學(xué)研究院通過(guò)供熱改造，已實(shí)現(xiàn)熱電兩用的基本目標(biāo)[1]。然而，該機(jī)型汽輪發(fā)電機(jī)組經(jīng)過(guò)改造后，供熱能力較弱，機(jī)組能耗指標(biāo)較高，仍不能達(dá)到國(guó)家對(duì)火電機(jī)組的能耗要求。因此，需要進(jìn)行新的技術(shù)改造，以進(jìn)一步提高機(jī)組的供熱能力，在滿足城市不斷擴(kuò)大的供暖需求的同時(shí)，降低機(jī)組的煤耗指標(biāo)。

1 機(jī)組供熱現(xiàn)狀

以型號(hào)為N200-13.5/535/535的三缸三排汽凝汽式汽輪機(jī)為例，主蒸汽進(jìn)入高壓缸做功，高壓缸排汽進(jìn)入鍋爐再熱器加熱后進(jìn)入中壓缸，中壓缸排汽一路直接進(jìn)入中壓缸內(nèi)低壓流通部分，另一路經(jīng)聯(lián)通管進(jìn)入對(duì)稱布置的兩個(gè)低壓缸。

前期通過(guò)中、低壓聯(lián)通管打孔抽汽的方式進(jìn)行供熱改造。由于三排汽的設(shè)計(jì)，部分蒸汽通過(guò)中壓缸直接進(jìn)入中壓缸內(nèi)低壓流通部分，聯(lián)通管開(kāi)孔抽汽對(duì)外供熱能力有限，最大供熱流量約為150 t/h，其供熱能力嚴(yán)重不足，機(jī)組能耗水平差。

2 供熱改造技術(shù)介紹

針對(duì)該機(jī)型，目前有常規(guī)供熱改造和高背壓供熱改造2種方案[2-6]。常規(guī)供熱改造通過(guò)改變機(jī)組排汽方式來(lái)提高對(duì)外供熱抽汽能力；高背壓供熱改造采用提高機(jī)組背壓的方式，利用低壓缸排汽余熱以及中壓缸抽汽對(duì)熱網(wǎng)進(jìn)行分級(jí)加熱。

2.1 常規(guī)供熱改造

機(jī)組通過(guò)控制中、低壓缸聯(lián)通管上蝶閥開(kāi)度來(lái)改變進(jìn)入低壓缸的蒸汽流量，從而調(diào)節(jié)對(duì)外供熱的蒸汽流量。當(dāng)?shù)y開(kāi)度減小時(shí)，受中壓缸內(nèi)帶5級(jí)低壓流通的影響，蝶閥調(diào)節(jié)能力逐漸削弱，降低蝶閥開(kāi)度已不能增加供熱蒸汽流量。基于這種特殊的設(shè)計(jì)方式，提出3種改造方案，見(jiàn)表1。

表1 中、低壓缸改造方案

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，方案二并不能明顯提高機(jī)組供熱能力，而方案一可以最大限度提高機(jī)組供熱能力，但供熱流量隨主汽參數(shù)同步變化，調(diào)節(jié)能力差，運(yùn)行難度高。方案三在顯著提高供熱能力的同時(shí)，又可利用蝶閥調(diào)節(jié)供熱量，運(yùn)行操作方便。因此，常規(guī)供熱改造采用方案三，其他系統(tǒng)保持不變（如圖1所示），保持中壓缸前部、中部、排汽部分不變，取消中壓缸內(nèi)單流程低壓流通部分，采用光軸代替，將三排汽改造為兩排汽的流通方式，增加聯(lián)通管蝶閥的可調(diào)節(jié)性。

圖1 機(jī)組本體改造示意

維持低壓缸現(xiàn)有狀態(tài)，受低壓通流強(qiáng)度限制，改造后純凝工況運(yùn)行時(shí)主汽流量降低，在背壓為5.2 kPa供熱條件下，最大主汽流量約670 t/h，不同供熱量對(duì)機(jī)組熱力特性的影響如圖2所示。

改造后，機(jī)組供熱流量提高260 t/h，供熱負(fù)荷從382.70 GJ/h提高至1005.49 GJ/h，發(fā)電煤耗降低約65 g/kWh，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性明顯提高。

2.2 高背壓供熱改造

將機(jī)組低壓缸排汽作為低位能熱源，中壓缸排汽作為高位能熱源，對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水實(shí)行分級(jí)加熱，系統(tǒng)如圖3所示。由于大量利用機(jī)組的排汽余熱，供熱能力有較大提高，且發(fā)電功率損失較少，發(fā)電煤耗大幅降低。

圖2 最大主汽流量下機(jī)組的熱力特性

圖3 高背壓供熱改造系統(tǒng)

為了保證一次加熱的效果，機(jī)組采用高背壓運(yùn)行方式。機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子及葉片、凝汽器等設(shè)備以及熱網(wǎng)系統(tǒng)均需要進(jìn)行改造。

背壓提高，低壓缸轉(zhuǎn)子須重新設(shè)計(jì)加工，低壓葉片級(jí)數(shù)也須進(jìn)行縮減。同時(shí)，由于排汽溫度較高，需要通過(guò)增加膨脹節(jié)應(yīng)對(duì)凝汽器熱膨脹發(fā)生的變化。凝汽器換熱管束材料也應(yīng)進(jìn)行更換，在更換材料的同時(shí)，隨著換熱系數(shù)的變化，凝汽器換熱面積也應(yīng)重新核算。

考慮不同的供熱需要，可只選取1臺(tái)機(jī)組進(jìn)行高背壓改造，廠內(nèi)其他機(jī)組維持不變。多臺(tái)機(jī)組同時(shí)供熱時(shí)，高背壓供熱機(jī)組僅提供低位能熱源，高位能熱源則來(lái)自其他機(jī)組。

以背壓為45 kPa，熱網(wǎng)回水、供水溫度分別為40℃，90℃為例。在最大供熱能力下，供熱主要參數(shù)如表2所示。

表2 最大供熱主要參數(shù)

單機(jī)進(jìn)行熱網(wǎng)供熱時(shí)，在最大熱負(fù)荷下，中壓缸供熱抽汽流量約180 t/h，超出現(xiàn)有最大供熱流量約20%。因此，高背壓供熱改造方案必須在常規(guī)供熱改造后進(jìn)行，才能最大限度發(fā)揮高背壓供熱的優(yōu)勢(shì)。

多臺(tái)機(jī)組同時(shí)進(jìn)行熱網(wǎng)供熱時(shí)，高背壓改造機(jī)組最大限度利用排汽余熱，在提高供熱能力的同時(shí)，進(jìn)一步降低發(fā)電煤耗。

對(duì)單機(jī)而言，高背壓供熱改造后機(jī)組由于大量利用低品位熱能，對(duì)外供熱能力有一定的提升，機(jī)組熱負(fù)荷達(dá)到1048.28 GJ/h，較常規(guī)改造方案提高約4.31%。同時(shí)，由于機(jī)組功率損失較小，發(fā)電煤耗降低更多，較常規(guī)改造方案降低約77 g/kWh。

3 供熱改造技術(shù)分析

3.1 機(jī)組供熱運(yùn)行控制方式

常規(guī)供熱改造后，通過(guò)控制聯(lián)通管上蝶閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)整對(duì)外供熱流量，同時(shí)，通過(guò)控制主汽參數(shù)，在一定的范圍內(nèi)可自由調(diào)整機(jī)組的發(fā)電負(fù)荷。機(jī)組可實(shí)現(xiàn)供熱和發(fā)電的獨(dú)立控制調(diào)整，運(yùn)行操作簡(jiǎn)單，因此常規(guī)改造方案可在全廠進(jìn)行。

高背壓供熱通過(guò)主汽流量的變化來(lái)同時(shí)控制供熱熱負(fù)荷及發(fā)電功率，單機(jī)運(yùn)行時(shí)，供熱熱負(fù)荷變化，發(fā)電功率也隨之變化，不能實(shí)現(xiàn)兩者的獨(dú)立控制[7-9]。熱負(fù)荷和發(fā)電功率幾乎很難同時(shí)匹配，單機(jī)運(yùn)行調(diào)節(jié)靈活性較差。

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，若加入其他機(jī)組進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，高背壓供熱機(jī)組僅需滿足供熱和發(fā)電其中一個(gè)要求。高背壓供熱機(jī)組由于供熱效率更高，可優(yōu)先滿足其供熱條件，通過(guò)調(diào)整其他機(jī)組的電負(fù)荷來(lái)適應(yīng)全廠調(diào)度，便可以同時(shí)滿足供熱和發(fā)電的雙重要求。在供熱需求較大的區(qū)域，將高背壓供熱機(jī)組作為供熱和發(fā)電的基礎(chǔ)機(jī)組，其他機(jī)組則進(jìn)行供熱和發(fā)電的雙重調(diào)峰。因此，高背壓供熱改造一般選擇部分機(jī)組進(jìn)行改造，而不是全廠改造。

3.2 機(jī)組供熱經(jīng)濟(jì)性

常規(guī)改造后，中壓缸供熱抽汽流量最高可達(dá)到410 t/h，與改造前相比，機(jī)組的最大供熱能力提高了173%，發(fā)電煤耗降低約65 g/kWh。

高背壓改造后，在最大供熱條件下，單臺(tái)機(jī)組的供熱能力較改造前提高約185%，發(fā)電煤耗降低約142 g/kWh。若能實(shí)現(xiàn)全廠供熱調(diào)度，該機(jī)組供熱能力可提高約187%，發(fā)電煤耗可降低約166 g/kWh。

3.3 機(jī)組改造投資及收益

常規(guī)供熱改造需要取消中壓缸內(nèi)低壓流通部分，替換為光軸，低壓缸部分不需要進(jìn)行改造，機(jī)組本體改造投入較少。另外，熱網(wǎng)系統(tǒng)需要進(jìn)行增容改造，機(jī)組改造投入費(fèi)用約2000萬(wàn)元。

高背壓供熱改造在常規(guī)供熱改造的基礎(chǔ)上，對(duì)低壓缸轉(zhuǎn)子、葉片以及凝汽器等汽輪機(jī)本體進(jìn)行了改造，系統(tǒng)較復(fù)雜，工程量較大，改造費(fèi)用約7000萬(wàn)元。

發(fā)電負(fù)荷對(duì)比：在最大供熱流量下，常規(guī)改造方案低壓缸做功很少，機(jī)組負(fù)荷損失較大，較改造前發(fā)電負(fù)荷降低約18 MW；高背壓供熱改造低壓缸做功降低較少，機(jī)組負(fù)荷損失較少，較改造前發(fā)電負(fù)荷降低約10 MW。

供熱對(duì)比：以年利用小時(shí)數(shù)2000 h、供暖熱價(jià)30元/GJ計(jì)算，與中壓缸抽汽供熱150 t/h進(jìn)行對(duì)比。常規(guī)供熱改造后，年供熱增加124.56萬(wàn)GJ，年供熱收益增加3736.80萬(wàn)元；高背壓供熱改造后，年供熱增加133.12萬(wàn)GJ，年供熱收益為3993.48萬(wàn)元。

對(duì)比2種改造方案，單臺(tái)運(yùn)行時(shí)，高背壓供熱改造后年供熱量提高8.56萬(wàn)GJ，年供熱收益增加256.68萬(wàn)元，年發(fā)電量增加約1600萬(wàn)kWh，以發(fā)電利潤(rùn)0.15元/kWh計(jì)算，年發(fā)電收入增加240萬(wàn)元。發(fā)電煤耗降低77 g/kWh，年節(jié)約標(biāo)煤2.46萬(wàn)t，以標(biāo)煤400元/t計(jì)算，年節(jié)煤量帶來(lái)的成本降低約984萬(wàn)元。

總體而言，較常規(guī)改造，高背壓供熱改造方案年收益增加約1480.68萬(wàn)元。若考慮多臺(tái)機(jī)組同時(shí)參與熱網(wǎng)供熱的情況，高背壓供熱改造機(jī)組的總體收益將更高。

4 結(jié)論

（1）200 MW機(jī)組三缸三排汽供熱機(jī)組由于受到中壓缸內(nèi)低壓流通級(jí)數(shù)的影響，中、低壓缸聯(lián)通管蝶閥供熱調(diào)整能力有限。將三排汽改為兩排汽的通流方式，是進(jìn)行所有供熱升級(jí)改造的基礎(chǔ)。

（2）常規(guī)供熱改造后機(jī)組在運(yùn)行操作上較靈活，而高背壓供熱改造后的機(jī)組在全廠聯(lián)動(dòng)控制下，也可實(shí)現(xiàn)供熱和發(fā)電的獨(dú)立控制。

（3）2種改造方案均可以大幅提升機(jī)組的供熱能力。高背壓供熱改造投資較高，但高背壓供熱改造后機(jī)組在發(fā)電量，發(fā)電煤耗上優(yōu)勢(shì)明顯，機(jī)組的收益也更高。

（4）為了充分利用機(jī)組排汽余熱、提高供熱能力、降低發(fā)電煤耗，200 MW機(jī)組三缸三排汽供熱機(jī)組采用高背壓供熱改造是更好的選擇。

[1]鐘史明，章禮道，于希曾，等.N200-12.75/535/535型三缸三排汽汽輪機(jī)組供熱改造成熱電兩用機(jī)[J].區(qū)域供熱，2006（2）∶6-13.

[2]孔令先，李繼偉，李宏偉，等.220 MW汽輪機(jī)組供熱改造研究與應(yīng)用[J].節(jié)能技術(shù)，2010，28（4）∶319-322.

[3]林閩城.300 MW純凝機(jī)組供熱改造技術(shù)可行性分析[J].浙江電力，2010，29（3）∶40-43.

[4]林俊光，任淵源，張衛(wèi)靈，等.兩種利用電廠熱量采暖供熱的方案比較[J].浙江電力，2013，32（10）∶55-57.

[5]王學(xué)棟，姚飛，鄭威，等.兩種汽輪機(jī)高背壓供熱改造技術(shù)的分析[J].電站系統(tǒng)工程，2013，29（2）∶47-50.

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[7]劉偉，王建強(qiáng)，謝安進(jìn)，等.215 MW機(jī)組供熱改造后的控制策略及運(yùn)行[J].浙江電力，2014，33（1）∶38-42.

[8]江浩，黃嘉駟，王浩.200 MW高背壓循環(huán)水供熱機(jī)組熱力特性研究[J].熱力發(fā)電，2015，44（4）∶17-21.

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（本文編輯：張 彩）

Research on Heat Supply Retrofit of Triple-cylinder Triple-exhaust Condensing Steam Turbine of 200 MW Units

SHEN Feng，ZHU Pengda，TAN Rui
(Guodian Science and Technology Research Institute，Nanjing 210031，China)

Due to its special design mode，a 200 MW triple-cylinder triple-exhaust steam turbine is low in heat supply capacity and its energy consumption index is high after retrofit long before.Therefore，throughflow of the unit is transformed from three exhausts into two ones to improve its adjustable heat supply capacity.On the basis，the use of high back pressure heat supply transformation is implemented to further reduce coal consumption of generating units.After transformation，control capacity of the unit is poor，and other units in the plant are used for peak shaving to exert economic advantage of the transformed unit to the great extent.

triple-cylinder triple-exhaust；heat supply；high back pressure；coal consumption rate

TK269+.1

：B

：1007-1881（2017）03-0051-04

2016-10-12

沈 峰（1984），男，工程師，主要從事火電機(jī)組汽輪機(jī)熱力性能診斷、節(jié)能及優(yōu)化調(diào)整工作。