高參數(shù)供熱背壓式小汽輪機(jī)研究及效益分析

唐星君 徐亦淳

1.上海上電漕涇發(fā)電有限公司2.上海電力股份有限公司

高參數(shù)供熱背壓式小汽輪機(jī)研究及效益分析

唐星君1徐亦淳2

1.上海上電漕涇發(fā)電有限公司2.上海電力股份有限公司

為滿足地區(qū)供熱，某大型企業(yè)2×1 000 MW超超臨界燃煤機(jī)組向該地區(qū)供高壓和中壓蒸汽的基本情況，介紹了（抽）背式小汽輪供熱的兩個(gè)改造方案及該兩方案的熱力參數(shù)，最后給出了采用背壓式小汽輪機(jī)改造后的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

大型燃煤機(jī)組；供熱潛力；背壓機(jī)；經(jīng)濟(jì)效益

Some large enterprise’s 2×1 000 MW super critical coal-fired unit supply high pressure and middle pressure steam to meet regional heating need. The article introduces two renovation solution of (pumping) back pressure turbine and related thermal parameters, final puts forward economic benefit and social benefit after renovation.

Large Scale Coal-Fired Unit, Heating Potential, Back Pressure Turbine, Economic Benefit

隨著坑口大型燃煤機(jī)組的興建、特高壓西電東送、新能源比例的加大，很多沿海、沿江地區(qū)超超臨界機(jī)組的利用小時(shí)逐年下降。同時(shí)這些超超臨界機(jī)組大都地處經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，電廠周邊存在大量的化工、冶金、紡織、食品等行業(yè)，隨著國(guó)家環(huán)保、能耗等指標(biāo)的不斷提高，這些企業(yè)的自備小熱電、小鍋爐逐漸被關(guān)停，電廠周邊的用汽需求逐年上升，供汽參數(shù)范圍廣，基本在0.5MPa～5MPa、200～450℃的范圍。在此背景下，取消分散小鍋爐，采用高參數(shù)、低煤耗、低排放的大機(jī)組進(jìn)行集中供熱的方式既滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，又滿足環(huán)境保護(hù)的要求。由于大部分超超臨界機(jī)組由于長(zhǎng)期中低負(fù)荷運(yùn)行，受到汽輪機(jī)本身抽氣壓力和流量限制無法滿足高壓力、大流量的供熱需求，但鍋爐的富余量較多，研究超超臨界機(jī)組主蒸汽作為進(jìn)汽的高背壓式小汽輪機(jī)，可增大高參數(shù)的供熱量，增加鍋爐負(fù)荷，同時(shí)降低廠用電，整體提高機(jī)組發(fā)電、供熱的經(jīng)濟(jì)性，可成為超超臨界機(jī)組集中供熱的典范。

1 概況

上海市某化工區(qū)有數(shù)10家大型跨國(guó)化工企業(yè)，有較大的供熱需求，高壓管網(wǎng)參數(shù)5.0MPa330℃，中壓管網(wǎng)參數(shù)3 MPa290℃，總最大供熱量需求550 t。

某2×1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，鍋爐為上海鍋爐廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈水冷壁直流爐，單爐膛、一次中間再熱、采用四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)、塔式、露天布置燃煤鍋爐。汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的超超臨界、一次中間再熱、凝汽式、單軸、四缸四排汽汽輪機(jī)，型號(hào)N1000-26.25/600/600。該超超臨界機(jī)組已經(jīng)在0抽、1抽和冷再進(jìn)行打孔抽汽，經(jīng)過減溫減壓站減溫減壓后向外供應(yīng)高壓（5.0 MPa330℃）或中壓蒸汽（3.0 MPa290℃）兩檔蒸汽，不同時(shí)供應(yīng)兩檔蒸汽，由于抽汽對(duì)機(jī)組軸向推力的控制和軸向位移控制產(chǎn)生較大影響，經(jīng)過制造廠核算，單機(jī)最大抽汽量100 t/h，單機(jī)常規(guī)抽汽量60～80 t/h。根據(jù)環(huán)保要求，上海市政府安排該工業(yè)區(qū)內(nèi)2×120 t工業(yè)供熱鍋爐于2017年底關(guān)停，為了替代該部分供熱量，超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組需要再新增200 t左右供熱量。

2 （抽）背壓小汽輪機(jī)供熱方案選擇

2.1 背壓式和抽背式的基本特性

背壓式汽輪機(jī)的排汽壓力高，通流部分的級(jí)數(shù)少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要龐大的凝汽器和冷卻水系統(tǒng)。排汽用于供熱時(shí)，能量得到充分利用。背壓機(jī)的功率與供熱需要的蒸汽量相關(guān)，不能同時(shí)滿足熱負(fù)荷和電（或動(dòng)力）負(fù)荷變動(dòng)的需要。

抽背式汽輪機(jī)從汽輪機(jī)的中間級(jí)抽取部分蒸汽，供需要較高壓力等級(jí)的熱用戶，同時(shí)保持一定背壓的排汽，供需要較低壓力等級(jí)的熱用戶使用或進(jìn)入機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)，該型機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性與背壓式機(jī)組類似，設(shè)計(jì)工況下的經(jīng)濟(jì)性較好，但是對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較差。圖1 為主汽壓力隨負(fù)荷變化的曲線，圖2為主汽蒸汽隨溫度隨負(fù)荷變化曲線。

圖1 主汽壓力隨負(fù)荷變化的曲線

圖2 主汽蒸汽隨溫度隨負(fù)荷變化曲線

由圖1、圖2可以看出，在50%負(fù)荷時(shí)主汽壓力降低為13.9 MPa，負(fù)荷低于50%時(shí)，排汽參數(shù)會(huì)相應(yīng)地降低。目前，漕涇電廠平均電負(fù)荷率在70%左右，采用小汽輪機(jī)供熱方案，主汽參數(shù)從19.7 MPa，600℃減壓減溫到13.5 MPa，535℃，該過程存在能量品質(zhì)的損失，蒸汽作功能力下降。

2.2 背壓式小汽輪機(jī)（發(fā)電）

見圖3，該方案設(shè)置一臺(tái)背壓式小汽輪機(jī)及發(fā)電機(jī)，抽取部分主汽，經(jīng)過減溫減壓后，進(jìn)入小汽輪機(jī)。小汽輪機(jī)的額定進(jìn)汽參數(shù)為13.5MPa，535℃，額定排汽參數(shù)可選擇高壓（5 Mpa、395℃）或中壓（3.2 MPa，325℃）兩檔，額定進(jìn)汽流量為100 t/h，最大進(jìn)汽流量為120 t/h，排汽供熱，發(fā)電進(jìn)入廠高壓變母線。

2.3 抽背壓式小汽輪機(jī)（發(fā)電）

見圖4，該方案設(shè)置一臺(tái)抽背式小汽輪機(jī)及發(fā)電機(jī)，小汽輪機(jī)設(shè)置一個(gè)中間抽汽口，抽汽量為100 t/h。小汽輪機(jī)為定速運(yùn)行，功率可達(dá)20MW，發(fā)電進(jìn)入廠高壓變母線。該型小汽輪機(jī)的排汽進(jìn)入機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)，包括除氧器、低加、高加或輔汽系統(tǒng)。

圖3 背壓式小汽輪機(jī)供熱的示意圖

圖4 抽背式小汽輪機(jī)方案示意圖

表1 不同類型小機(jī)的熱力參數(shù)

2.4 方案對(duì)比

根據(jù)制造廠提供的熱平衡圖，在熱力計(jì)算軟件Ebsilon中建立100%THA工況的熱力平衡圖。根據(jù)3種改造方案，在Ebsilon中建立了相應(yīng)的熱力系統(tǒng)圖，在不影響發(fā)點(diǎn)機(jī)發(fā)電的情況下（1000MW，THA工況），計(jì)算得到了改造后的熱力特性參數(shù)，2種方案的計(jì)算結(jié)果見表1所示。

電廠要同時(shí)滿足發(fā)電和供熱的安全穩(wěn)定性，保證改造后，在額定供熱量下不影響發(fā)電能力；同時(shí)，在低負(fù)荷下要保證供熱的安全穩(wěn)定性。

背壓式小汽輪機(jī)將供熱與發(fā)電解耦，小機(jī)的供熱與大機(jī)的發(fā)電不會(huì)產(chǎn)生相互的影響。小機(jī)可以保持額定的進(jìn)汽參數(shù)和流量，小機(jī)的排汽供熱，不會(huì)對(duì)大機(jī)的回?zé)嵯到y(tǒng)產(chǎn)生影響。在背壓發(fā)電小機(jī)中，若選擇排汽壓力5 MPa的小機(jī)，因小機(jī)的總焓降少，級(jí)數(shù)較少（約6～7級(jí)），小機(jī)效率偏低，僅能達(dá)到71%左右，小機(jī)出力6 MW，經(jīng)濟(jì)性不顯著，改造后預(yù)估全廠熱耗7271 kJ/kWh。若選擇排汽壓力3.2MPa的小機(jī)，級(jí)數(shù)能達(dá)到11～12級(jí)，小機(jī)效率78%，小機(jī)出力9.8 MW，經(jīng)濟(jì)性要好于排汽壓力5MPa的小機(jī)，改造后預(yù)估全廠熱耗7245kJ/kWh。

抽背壓式小汽輪機(jī)排汽進(jìn)入除氧器、低加、高加或者輔汽系統(tǒng)，額定排汽壓力為0.5～0.8 MPa，而除氧器在額定負(fù)荷下為1 MPa左右，排汽壓力可能與除氧器或高加等回?zé)嵫b置不匹配。經(jīng)過向制造廠核實(shí)，要保證汽輪機(jī)能抽出100 t/h的蒸汽，進(jìn)汽量最低需要達(dá)到170 t/h，則排汽量最小為70 t/h，在機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，合理有效地分配70 t/h的排汽較為困難。抽背發(fā)電的機(jī)組總熱耗為7 296 kJ/kWh，抽背發(fā)電機(jī)組對(duì)熱耗的降低不明顯，同時(shí)采用抽背發(fā)電后主蒸汽流量達(dá)到2 922 t/h，汽機(jī)側(cè)若要新增加100 t/h的抽汽則會(huì)影響發(fā)電機(jī)的正常發(fā)電。

通過對(duì)以上兩種小機(jī)方案的論述和比較，背壓式小汽輪機(jī)是比較適合的方案。

國(guó)外小機(jī)調(diào)研中，符合項(xiàng)目要求的有西門子SST-060號(hào)緊湊型小汽輪機(jī)，該型小機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)13.1 MPa，530℃，背壓可達(dá)2.9 MPa，輸出功率6MW。國(guó)內(nèi)各主要汽輪機(jī)制造廠商均有生產(chǎn)（抽）背壓式小汽輪機(jī)的成熟業(yè)績(jī)，杭州汽輪機(jī)廠HG40/25緊湊型小汽輪機(jī)，汽輪機(jī)進(jìn)汽13.5MPa，535℃，排汽3.2 MPa，120 t/h，最大發(fā)電量約11 MW。

3 背壓式小汽輪機(jī)（發(fā)電）工程設(shè)想

3.1 系統(tǒng)規(guī)劃

背壓機(jī)方案中小機(jī)汽源采用主蒸汽，由汽機(jī)廠房17m2平臺(tái)主蒸汽管道抽出，抽汽管道管徑DN150，材質(zhì)采用P92，減溫減壓裝置布置在給煤機(jī)平臺(tái)，減溫減壓后管道管徑DN200，材質(zhì)12Cr1MoV。減溫減壓裝置將鍋爐主蒸汽減溫減壓至13.5MPa、535℃進(jìn)入小機(jī)。新增小發(fā)電機(jī)的接入該電廠廠用電6 kV母線。

3.2 閥門及減溫減壓器選型需注意的問題

背壓汽輪機(jī)汽源采用主蒸汽減溫減壓至超高壓參數(shù)進(jìn)入小機(jī)，減溫減壓裝置的選型對(duì)整個(gè)方案至關(guān)重要。對(duì)整個(gè)市場(chǎng)上的減溫減壓裝置進(jìn)行了調(diào)研，目前僅有Flowserve（英國(guó)福斯）的減溫減壓裝置能夠滿足26.5 Mpa、600℃蒸汽參數(shù)要求，且無使用業(yè)績(jī)，減壓閥材質(zhì)為P91，與主蒸汽管道P92材質(zhì)間需采用過渡段來保證裝置的可靠性。

針對(duì)以上情況，推薦采用先減溫后減壓的方案，減溫至580℃以下則其它一些減壓閥品牌，如Fisher、CCI均可使用。采用該方案需保證減溫水裝置的可靠性，同時(shí)在減溫后留足直管段，保證進(jìn)入減壓閥前蒸汽品質(zhì)。

無論采用以上哪種方案，對(duì)超超臨界、600℃參數(shù)的蒸汽進(jìn)行減溫減壓，均是第一次實(shí)施，需確保減溫減壓裝置的可靠性。

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

從整個(gè)供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性來分析，采用背壓機(jī)方案供應(yīng)高壓蒸汽可以減少減壓的幅度，同時(shí)采用汽輪機(jī)抽汽來供應(yīng)中壓蒸汽，提高了汽輪機(jī)高壓缸的效率。但是采用背壓機(jī)供應(yīng)高壓蒸汽，背壓汽輪機(jī)級(jí)數(shù)小、效率低，排汽需減溫后供熱，經(jīng)濟(jì)性大打折扣。

根據(jù)以上分析，對(duì)可能的供熱方案均進(jìn)行了收益分析，如表所示。收益分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下：蒸汽價(jià)格100元/t，電價(jià)0.33元/kWh，煤價(jià)750元/t，年運(yùn)行小時(shí)6 500 h。改造方案之前兩臺(tái)機(jī)組按單機(jī)供應(yīng)100 t/h計(jì)算，改造后單機(jī)能夠供應(yīng)高壓、中壓兩檔蒸汽，兩臺(tái)機(jī)組最大供汽量400 t/h。表2為背壓機(jī)不同排汽參數(shù)的單機(jī)收益比較。

如表2所示，背壓機(jī)方案減少了廠用電量，在發(fā)電量恒定的情況下上網(wǎng)電量增加，有一定的發(fā)電收益。同時(shí)采用汽輪機(jī)供中壓蒸汽相比供高壓蒸汽也有一定的發(fā)電收益，這主要是因?yàn)槠啓C(jī)抽汽供高壓減少了高壓缸的做功能力和效率，供電煤耗相比供中壓參數(shù)有一定的上升，經(jīng)過熱平衡計(jì)算，影響供電煤耗約0.3 g/kWh。

4.2 社會(huì)效益

從環(huán)保方面考慮，供熱改造后，提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性，折算降低電廠的碳排放。如果實(shí)現(xiàn)大機(jī)組增加供熱，可減少CO2排放量約4 960 t/年；NOx按照200 mg/Nm3，減少排放約1.632 t/年；SOx按照132 mg/ Nm3，減少排放約0.72 t/年。

表2 背壓機(jī)不同排汽參數(shù)的單機(jī)收益比較萬元

[1]王新雷,周云,徐彤,張鋒. 發(fā)展背壓機(jī)供熱替代分散鍋爐[J]. 節(jié)能技術(shù),2015,(03):271-274

[2]劉吉臻,王琪,田亮,劉鑫屏. 供熱機(jī)組負(fù)荷-壓力簡(jiǎn)化模型及特性分析[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2012,(03):192-196+228

[3]朱泓邏. 基于Ebsilon的火電廠熱力系統(tǒng)建模、監(jiān)測(cè)及優(yōu)化研究[D].清華大學(xué),2015.

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.12.007

唐星君：（1969-），男，助理工程師，本科， 從事發(fā)電計(jì)劃管理工作。徐亦淳：（1979-），男，工程師，本科，從事發(fā)電技術(shù)管理工作。