超臨界NCB機組在熱電聯(lián)產(chǎn)中的應(yīng)用

郝云燕

(華北電力設(shè)計院有限公司，北京 100120)

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展和環(huán)保要求的日益嚴格，集中供熱需求一直在持續(xù)增長，而電力產(chǎn)能近年來嚴重過剩，這種熱電矛盾制約了熱電聯(lián)產(chǎn)項目的發(fā)展，因此最大化提升汽輪機供熱能力，同時減少對電網(wǎng)的壓力，成為新形勢下供熱機組發(fā)展的新方向，350 MW超臨界抽凝背式供熱汽輪機就是在這種思路下，由國內(nèi)自主研發(fā)的一種新型節(jié)能高效的供熱機組，該機型結(jié)合了常規(guī)抽凝式供熱機組(簡稱CN型)和背壓供熱機組(簡稱B型)的優(yōu)點，可實現(xiàn)凝汽、抽凝、背壓三種運行模式(簡稱NCB型)。該機型供熱能力更大，熱效率更高，且調(diào)峰能力強，是新一代技術(shù)升級型供熱機組。

1 超臨界NCB機組的主要技術(shù)特點

1.1 NCB機組技術(shù)特點及工作原理

超臨界NCB汽輪機是以常規(guī)350 MW超臨界抽凝式就汽輪機為母型機，在汽輪機的高中壓缸與低壓缸之間加裝3S同步離合器，通過3S離合器脫開和嚙合使機組實現(xiàn)低壓缸在線解列和并列。3S離合器是NCB機組的關(guān)鍵裝置。它是一種單向傳遞扭矩的裝置，通過棘爪定位、齒輪傳遞功率，屬于超越式純機械離合機構(gòu)。3S離合器依靠輸入端和輸出端的齒輪轉(zhuǎn)速的變化自動進行切換，當離合器的輸入端、輸出端轉(zhuǎn)速完全相等時兩者相位同步、自動軸向移動而嚙合。而一旦輸入轉(zhuǎn)速低于輸出轉(zhuǎn)速時離合器脫開。

在NCB機組中，將3S離合器安裝在抽凝式汽輪機的高中壓缸與低壓缸轉(zhuǎn)子之間，3S離合器的功率輸入端連接低壓缸轉(zhuǎn)子，輸出端連接高壓缸轉(zhuǎn)子，每當?shù)蛪焊邹D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速開始低于輸出端轉(zhuǎn)速時時，3S離合器逐漸自動脫開，使高、低壓轉(zhuǎn)子自動分離，從而使低壓缸解列，汽輪機轉(zhuǎn)為背壓運行，每當?shù)蛪焊邹D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升至試圖超過輸出端轉(zhuǎn)速時，離合器便可自動嚙合，將高、低壓轉(zhuǎn)子自動連接，達到輸入端與輸出端的轉(zhuǎn)速同步，完成低壓缸的并列過程，汽輪機轉(zhuǎn)為抽凝或純凝運行。通過采用3S離合器裝置，可實現(xiàn)低壓缸的在線解列及并列，使汽輪機具備了凝汽、抽汽、背壓三種運行功能。

1.2 NCB供熱機組的結(jié)構(gòu)特點簡介

NCB汽輪機是以常規(guī)的350 MW超臨界抽凝機(CN型)為母型機的基礎(chǔ)上改進而來，所不同的是在高中壓轉(zhuǎn)子與低壓缸轉(zhuǎn)子之間加裝了3S離合器，將發(fā)電機位置由常規(guī)的低壓缸末端改在高壓缸機頭前端，高壓轉(zhuǎn)子直接與發(fā)電機轉(zhuǎn)子相接。NCB汽輪機在機組外型以及高、中壓缸、低壓缸尺寸、通流設(shè)計等均可采用成熟的350 MW抽凝機組的設(shè)計模塊，供熱抽汽口位置仍可保留的中壓缸排汽口處，主汽閥、再熱主汽閥也可通用。

與常規(guī)350 MW超臨界抽凝式供熱汽輪機相比， NCB機組在結(jié)構(gòu)型式及技術(shù)特點主要有以下幾個方面：

(1) 在高中壓轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子之間設(shè)置自動同步離合器，實現(xiàn)低壓缸的在線脫開和并列。

(2) 發(fā)電機位置由常規(guī)的低壓缸末端改在高壓缸前端，發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接與高壓轉(zhuǎn)子相接。

(3) 因發(fā)電機前置，汽輪機前軸承箱的長度略有縮短，原常規(guī)安裝在前軸承向內(nèi)的主油泵取消，改為采用電動主油泵。

(4) 增加離合器和發(fā)電機前置，NCB機組的軸系長度增加約4～5m左右，軸系穩(wěn)定性設(shè)計與常規(guī)供熱機組有所不同，在離合器與中壓轉(zhuǎn)子之間增加一個軸承，確保離合器在運行中有良好的對中性；防止高中壓轉(zhuǎn)子振動對自同步離合器產(chǎn)生的耦合效應(yīng)。NCB機組的布置方式及軸系特點見圖1。

圖1 NCB機組布置方式及軸系示意圖

(5) 為保證低壓缸解列及嚙合過程中的安全穩(wěn)定性，在中低壓連通管上增加關(guān)閉蝶閥和調(diào)節(jié)蝶閥，還設(shè)有低壓旁通管，旁通管上也設(shè)有調(diào)節(jié)閥和關(guān)斷閥，以到達準確控制低壓缸流量的目的。低壓缸連通管進汽閥門控制系統(tǒng)見圖2。

(6) 采用雙頂軸油系統(tǒng)設(shè)計，低壓模塊在解列模式下低壓轉(zhuǎn)子仍以大約200 rpm左右的被拖曳轉(zhuǎn)動，因此須在低壓模塊解列期間為低壓模塊支持軸承提供頂軸油壓。為此特別設(shè)有高壓轉(zhuǎn)子—發(fā)電機轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子二套頂軸油系統(tǒng)。

(7) 純電超速保護設(shè)計：NCB機組由高壓端輸出功率，前軸承箱無法設(shè)置機械超速保護裝置(危急遮斷器)，因此采用純電超速保護設(shè)計。

2 NCB機組的技術(shù)優(yōu)勢分析

與常規(guī)350 MW超臨界抽凝機組相比，NCB機組技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點：

2.3 運行方式更加靈活

NCB機組具有凝汽、抽凝、背壓三種運行模式，可根據(jù)熱負荷、電負荷不同的需求狀況調(diào)整機組的運行方式，對熱、電負荷間的不同需求特性的適應(yīng)性更強，協(xié)調(diào)性能更好。

圖2 低壓缸進汽控制閥系統(tǒng)圖

2.4 機組供熱能力更大

在不增加燃煤量和排放量的條件下，與常規(guī)常規(guī)350 MW抽凝機組相比，NCB機組的供熱能力可提高20%～30%。常規(guī)350 MW抽凝機組的最大采暖抽汽量一般在550 t/h左右，在最大抽汽工況下，為防止低壓缸出現(xiàn)鼓風(fēng)效應(yīng)威脅低壓缸末級葉片的安全，低壓缸仍需保證一定的冷卻蒸汽通流，該部分蒸汽約在150 t/h左右，這部分蒸汽幾乎沒有作功能力，低壓轉(zhuǎn)子基本處于“陪轉(zhuǎn)”狀態(tài)。 NCB機組在背壓運行時，低壓缸解列，不需要再消耗冷卻蒸汽，該部分蒸汽可用來對外供熱，同時與低壓缸相關(guān)的低壓加熱器也停運，低加抽汽也可以節(jié)省用于供熱，其最大供熱抽汽量可達到700 t/h左右，增加供熱量約105 MW與同容量抽凝機組相比供熱能力可增加20%～30%。

以單抽采暖供熱機組為例，根據(jù)汽機廠提供的二種機型熱平衡圖數(shù)據(jù)，在汽輪機進汽量相同，供熱抽汽參數(shù)相同的條件下，二種機型的最大抽汽能力對比見表1。

從表1中的對比數(shù)據(jù)可以看出，在新蒸汽進汽量相同，供熱抽汽參數(shù)一致的條件下，NCB機組的供熱能力提高了28.3%，可多供采暖面積約210萬m2。

表1 二種機型的抽汽能力及供熱量對比(單臺機組)

2.3 具有較強的調(diào)峰能力

常規(guī)供熱機組受保證低壓缸冷卻蒸汽量限制，機組在供熱期間的輸出功率比背壓運行要高，因此機組的調(diào)峰能力相對也較小。NCB機組可在高負荷或低負荷的條件下轉(zhuǎn)入背壓運行模式，在背壓運行期間，機組的發(fā)電出力顯著減少。表2是以采暖抽汽量分別在400 t/h及500 t/h的工況為例，對二種機型的發(fā)電輸出功率的進行對比的結(jié)果 。

表2 二種機型供熱量與發(fā)電量比較

通過表中數(shù)據(jù)可以看出，在供熱量相同的條件下，NCB機組的發(fā)電輸出功率遠低于同容量的常規(guī)抽凝機組，對于我國目前電力市場飽和，而集中供熱缺口不斷增大的矛盾現(xiàn)狀來說，NCB機組在緩解電網(wǎng)壓力，增加機組深度調(diào)峰能力方面的優(yōu)勢明顯。

2.4 具有更好的經(jīng)濟性

常規(guī)超臨界抽凝汽輪機在最大抽汽能力工況下，由于存在低壓缸最小冷卻流量，仍存在一定的冷源損失，機組發(fā)電熱效率在65%～69%左右，NCB機組背壓運行沒有冷源損失，在背壓工況下，汽輪機發(fā)電熱效率都在80%以上，機組運行經(jīng)濟性提高顯著。

二種機型在最大供熱能力下的熱經(jīng)濟指標的比較見表3。

表3 最大供熱能力工況二種機型熱經(jīng)濟指標

由表3中的幾個關(guān)鍵性經(jīng)濟指標可看出：與常規(guī)抽凝機相比，NCB機組在供熱期間發(fā)電熱效率顯著提高，因此使機組全年平均發(fā)電標煤耗降低12.5 g/kw.h，全廠總熱效率提高5.3%。全年可節(jié)約標煤2.1萬t，節(jié)能效果十分明顯。

3 NCB機組的社會效益分析

與常規(guī)抽凝機組供熱相比，NCB機組的應(yīng)用可作為提高熱源點尖峰時段供熱能力的一種手段，實現(xiàn)減少或取消尖峰鍋爐的目的。

NCB機組是在不增機組燃煤量的基礎(chǔ)上，通過節(jié)省常規(guī)抽凝機組低壓缸的冷卻蒸汽量來增加供熱能力的，這部分增加的供熱量可彌補常規(guī)抽凝機組在熱負荷尖峰時段供熱量不足的缺欠，從而減少機組供熱覆蓋范圍內(nèi)尖峰鍋爐數(shù)量。NCB機型在采暖供熱期的發(fā)揮的作用見圖3。

圖3 采暖熱負荷曲線

圖3中：(Q1+Q2+Q3)為電站供熱機組的供熱范圍內(nèi)全年采暖熱負荷總量，Q1為常規(guī)抽凝式供熱機組的采暖期供熱量，Q2+Q3則為區(qū)域尖峰鍋爐的補充供熱量。采用NCB機組可多供熱量Q2，相應(yīng)區(qū)域尖峰鍋爐的供熱量Q3減小或為零.。

與電站先進的大型鍋爐相比，小型供熱鍋爐效率低，煙氣凈化設(shè)施也相對落后，屬于典型的高能耗高污染設(shè)備。以某熱電廠安裝2×350 M的NCB供熱機組為例，與常規(guī)2×35 MW抽凝式供熱機組相比，從節(jié)能、環(huán)保二方面分析NCB機組帶來的社會效益。

(1)節(jié)能效益

如前所述，與常規(guī)350 MW抽凝式機組相比， 2臺350 MW NCB機組是在不增加燃煤量的條件下，通過解列低壓缸，機組轉(zhuǎn)入背壓運行可增加供熱能力約105 MW，2臺機組可增加供熱量210 MW，相當于3臺70 MW的大中型區(qū)域供熱鍋爐的供熱能力，目前集中供熱鍋爐的效率一般在70%～80%，以區(qū)域供熱鍋爐效率80%考慮，其供熱標準煤耗率約45.19 kg/GJ，若210 MW供熱量全部由區(qū)域供熱鍋爐承擔，按冬季采暖期尖峰鍋爐投入時間為1個月(720 h)計算，則多消耗標準煤量約為2.46×104t。

(2)環(huán)保效益

以采暖期供熱小鍋爐多消耗燃煤2.46×104t計算，多產(chǎn)生的煙氣量約2.02×107Nm3(按普通煙煤計算)。我國2014年版的頒布的《鍋爐大氣污染排放標準》(GB 13271－2014)中，對于燃煤鍋爐的煙氣中粉塵、SO2、氮氧化物的排放標準分別為低于50、300、300(mg/m3)，重點地區(qū)為低于30、200、200(mg/m3)，目前新建的工業(yè)鍋爐及供熱鍋爐都能保證或低于國家標準。電站鍋爐的煙氣排放標準則要嚴格得多，目前實際大型電站煙塵、SO2、氮氧化物排放標準一般都控制在低于5、20、30 (mg/m3)。

供熱小鍋爐的排放指標按照國標《鍋爐大氣污染排放標準》中的規(guī)定值計算，在尖峰鍋爐投入時間720 h內(nèi)統(tǒng)計的污染物排放結(jié)果見表4。

表4 720 h 供熱小鍋爐污染物排放量

由上述分析可看出，小鍋爐供熱即造成能源浪費，也是造成采暖期環(huán)境質(zhì)量變差的主要根源之一，熱電聯(lián)產(chǎn)的目標就是取代小供熱鍋爐，用優(yōu)質(zhì)高效的熱源實現(xiàn)節(jié)能減排的目的，而NCB機組則是實現(xiàn)這一目的的最佳選擇。

4 結(jié)語

(1) NCB型汽輪機是新一代技術(shù)升級型供熱機組，該機型在不增加能源消耗的基礎(chǔ)上，可顯著提升供熱能力，具有運行方式靈活、熱效率高，調(diào)峰能力強等顯著的優(yōu)勢。

(2) NCB機組增加的供熱能力可進一步減少和替代技術(shù)相對落后的供熱小熱鍋爐，節(jié)能環(huán)保的社會效益顯著，在熱電聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域中的有著非常好的應(yīng)用前景。

(3) NCB型汽輪機目前在燃氣聯(lián)合循環(huán)供熱機組上已有運行實踐，但在燃煤機組上尚無實際應(yīng)用業(yè)績，汽輪機的結(jié)構(gòu)型式及控制系統(tǒng)與常規(guī)機組也有所不同，在NCB機汽輪機進入到具體的的工程實踐應(yīng)用中時，還需要對相關(guān)的熱力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、以及汽輪機基礎(chǔ)設(shè)計，管道布置方案設(shè)計等進行多方位的研究和優(yōu)化。