抽凝供熱機組運行優(yōu)化及改造

宗緒東

(華電國際技術服務中心，濟南 250014)

0 引言

節(jié)能減排是我國經(jīng)濟實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基本國策，對于發(fā)電行業(yè)，熱電聯(lián)產(chǎn)是實現(xiàn)國家節(jié)能減排的一項重要措施[1]。采暖供熱主要有抽凝、吸收式熱泵、高背壓3種方式，抽凝供熱因系統(tǒng)簡單、投資少，在國內應用最廣泛。抽凝供熱機組可分為兩類：一類是設計抽汽供熱機組；另一類為純凝改造供熱機組。抽汽供熱機組設計參數(shù)、系統(tǒng)配置比較合理，問題相對較少；純凝改造機組由于設計參數(shù)、改造方案不合理等原因，存在問題較多。實際運行中，存在供汽部件(電動閥、快關閥、調節(jié)閥、逆止閥)及保護配置、運行調節(jié)不當?shù)葐栴}，不僅對汽輪機本體、供熱帶來安全風險，而且導致機組能耗升高。

為提高抽凝供熱機組安全、經(jīng)濟運行水平，本文在對80多臺供熱機組調研和診斷的基礎上，對供熱系統(tǒng)設計、運行、改造中的問題進行了系統(tǒng)的分析和研究，旨在形成一套安全、經(jīng)濟的優(yōu)化改造方案。

1 抽凝機組安全風險及優(yōu)化

1.1 中壓缸末級葉片斷裂

采用中壓缸排汽打孔抽汽的供熱機組，易發(fā)生中壓缸末級葉片斷裂事故。

1.1.1 案例分析

2013年2月15日，河南某公司330 W機組運行中#3軸承振動大而導致跳閘，盤車時中壓缸有明顯異音。解體發(fā)現(xiàn)中壓缸末級葉片斷裂，影響了供熱安全。

1.1.2 原因分析

(1)供熱季機組長時間處于低負荷(55%額定負荷)工況運行，由于采暖抽汽量大，運行人員未及時節(jié)流低壓缸進汽調節(jié)閥，導致中壓缸末級葉片前、后壓差過大，葉片應力增加，長期運行導致疲勞、斷裂。

(2)中壓缸末級葉片的安全性缺乏有效監(jiān)控手段。中壓缸末級排汽壓力有測點，但末級進汽壓力無測點，因此運行中無法監(jiān)視末級葉片前、后壓差。以上海汽輪機廠CC330機組為例，其熱力特性書規(guī)定：機組采暖供熱時，中壓缸排汽壓力不低于0.4 MPa(絕對壓力，下同)。但在供熱季，由于機組負荷較低，中壓缸排汽壓力大部分時間均低于0.4 MPa，運行人員沒有參考依據(jù)。

1.1.3 優(yōu)化方案

在機組分散控制系統(tǒng)(DCS)微機中增加三段抽汽與中壓缸排汽實際壓差監(jiān)視曲線，如圖1所示。正常運行中，通過調節(jié)機組負荷、低壓缸進汽調節(jié)閥，控制三段抽汽與中壓缸排汽壓差不超過最大供熱抽汽工況設計值，保證中壓缸末級葉片的安全性。

按上述方案整改后，該公司運行中未再出現(xiàn)中壓缸末級葉片斷裂事故。

圖1 三段抽汽與中壓缸排汽壓差監(jiān)控曲線

1.2 供汽母管倒汽導致機組跳閘

兩臺抽凝機組共用供汽母管，單臺機組在事故情況下必須可靠隔離。如果系統(tǒng)安全配置存在問題，機組跳閘后，母管倒汽會造成汽輪機飛車事故。

1.2.1 案例分析

某熱電廠#4，#5機組抽汽經(jīng)母管供熱網(wǎng)首站，其中#4機組容量為25 MW，#5機組容量為50 MW，供熱系統(tǒng)如圖2所示。2015年1月12日，值班人員啟動磨煤機時，斷路器短路導致#4機組跳閘，廠用電消失，汽輪機嚴重超速，轉子與隔板等發(fā)生摩擦，末級葉片斷裂后擊穿汽缸飛出，勵磁機損壞，汽輪機報廢。

圖2 #4，#5機組供汽系統(tǒng)

1.2.2 原因分析

(1)#4機組廠用電消失，凝結水泵跳閘，抽汽逆止閥無法關閉；供汽快關閥保護電源由該機組廠用電系統(tǒng)供，失電后供汽快關閥無法關閉，母管蒸汽倒入#4機組，造成汽輪機超速。

(2)#4機組對外供汽管道未設置逆止閥。

1.2.3 優(yōu)化方案

(1)將#4，#5機組抽汽快關閥電源由本機400 V母線改為保安段供。

(2)在#4，#5機組供汽母管上加裝翻板式逆止閥，可以徹底避免母管倒汽，如圖3所示。

圖3 #4，#5機組優(yōu)化供汽系統(tǒng)

采取上述措施后該問題得到了徹底解決，該公司未再發(fā)生類似事故。

1.3 供熱機組并列投入導致機組低真空度保護動作跳閘

兩臺抽凝機組供熱網(wǎng)首站，一臺機組已經(jīng)投入供熱運行，當一臺機組并入熱網(wǎng)時，因系統(tǒng)配置、操作不當?shù)?，會造成另一臺機組低真空度保護動作跳閘，影響供熱安全。

1.3.1 案例分析

某電廠#1，#2機組容量為330 MW，采用中壓缸排汽打孔抽汽經(jīng)母管供熱網(wǎng)兩臺加熱器，供熱系統(tǒng)如圖4所示。2016年12月28日，因#1機組供熱網(wǎng)A，B加熱器溫度較低，值長令#2機組投熱網(wǎng)，投入過程中，#1機組凝汽器真空度迅速下降，機組跳閘。

圖4 #1，#2機組供汽系統(tǒng)

1.3.2 原因分析

(1)為節(jié)省投資，#1，#2機組供汽母管設計不合理，存在安全隱患(很多單位存在此問題)。

(2)#2機組運行人員投入供熱速度過快，未對本機供熱管道進行充分疏水、排空氣，且供汽壓力高，造成大量汽氣混合物倒入#1機組低壓缸，凝汽器真空度降至保護動作值。

(3)#1，#2機組供汽逆止閥為抗燃油(EH)控制，接受機組跳閘信號強制關閉，在發(fā)生母管倒汽時無法關閉。

1.3.3 優(yōu)化方案

(1)現(xiàn)有條件下，并列投入供熱時應嚴格控制兩臺機組中壓缸排汽壓力一致，并進行充分疏水、排空氣。

(2)供熱季結束后，在兩臺機組逆止閥前加裝能夠測量正、反向流量的電磁流量計，并將信號接入逆止閥EH油控制回路，運行中當檢測到蒸汽反向流動時，卸掉EH油壓，關閉逆止閥。

(3)在進行供熱改造或設計時，應使兩臺機組能夠單獨供熱網(wǎng)加熱器，加裝聯(lián)絡閥以徹底解決母管倒汽問題，如圖5所示。

圖5 #1，#2機組優(yōu)化供汽系統(tǒng)

2 抽凝機組供熱調節(jié)對經(jīng)濟性的影響及優(yōu)化

2.1 存在的問題

純凝改造供熱機組的中壓缸排汽壓力較高，額定負荷下為0.80～1.00 MPa。冬季對外供水溫度一般為90～110 ℃，熱網(wǎng)加熱器進汽壓力為0.17 MPa，能滿足最高供水溫度。由于供汽壓力過高，低壓缸進汽調節(jié)閥、供熱調節(jié)閥、加熱器進汽調節(jié)閥節(jié)流，導致機組經(jīng)濟性降低。以某660 MW超臨界抽凝改供熱機組為例，運行參數(shù)如圖6所示。

圖6 某660 MW超臨界機組供汽參數(shù)

設計抽凝供熱機組額定負荷下中壓缸排汽壓力為0.40～0.50 MPa，由于運行調整方面的原因，低壓缸進汽調節(jié)閥、供熱調節(jié)閥、熱網(wǎng)加熱器調節(jié)閥節(jié)流，導致機組經(jīng)濟性降低。以某330 MW亞臨界抽凝供熱機組為例，運行參數(shù)如圖7所示。

圖7 某330 MW機組供汽參數(shù)

2.2 蒸汽節(jié)流影響機組經(jīng)濟性機理

總能系統(tǒng)是指基于能的梯級利用原理將各種熱力過程集成于一個系統(tǒng)，來同時滿足每個熱力過程需求的能量系統(tǒng)?；凇皽囟葘?、梯級利用”原理集成的熱力系統(tǒng)則稱為熱工領域的總能系統(tǒng)[2]。因采暖抽汽壓力與熱網(wǎng)加熱器壓力存在較大偏差，違背了“溫度對口、梯級利用”原理。

蒸汽節(jié)流為等焓熵增過程，節(jié)流后蒸汽壓力和溫度均降低，比焓-比熵(h-s)圖如圖8所示。圖中：p1為節(jié)流前蒸汽壓力；t1為節(jié)流前蒸汽溫度；p1′為節(jié)流后蒸汽壓力；t1′為節(jié)流后蒸汽溫度；Δht為未節(jié)流理想比焓降；Δht′為節(jié)流后理想比焓降；δhmac為因蒸汽節(jié)流造成的理想比焓降損失，δhmac=Δht-Δht′[3]。

圖8 蒸汽節(jié)流h-s圖

2.3 優(yōu)化方案

(1)運行中進行優(yōu)化調整試驗，逐漸開大各加熱器進汽調節(jié)閥，調整低壓缸進汽調節(jié)閥開度，在保證中壓缸末級葉片前后壓差不超限的前提下，控制加熱器出口水溫正常。利用停機機會，熱工增加自動控制邏輯，以三段抽汽與中壓缸排汽壓差、加熱器出水溫度為跟蹤目標，自動調節(jié)各機組低壓缸進汽調節(jié)閥、熱網(wǎng)加熱器進汽調節(jié)閥。

(2)利用機組檢修機會，進行中壓缸排汽供汽背壓機發(fā)電改造。中壓缸排汽抽汽出口加裝背壓機、發(fā)電機，發(fā)電并入廠用電系統(tǒng)，排汽引入熱網(wǎng)加熱器，改造方案如圖9所示。供暖期供熱負荷相對較大時，抽汽參數(shù)穩(wěn)定，蒸汽在背壓機中做功后排入熱網(wǎng)加熱器，可以更為合理地滿足供熱要求，從而避免了高品位能量的浪費。但在供熱初期和末期，供熱負荷較低，此時抽汽壓力會隨著熱負荷的變化而進行相應調整，不利于背壓機的安全運行，供熱抽汽通過旁路直接進入熱網(wǎng)加熱器，即傳統(tǒng)的抽汽供熱方式[4]。

圖9 中壓缸排汽抽汽拖動背壓機發(fā)電改造系統(tǒng)

以上述330，660 MW機組供熱參數(shù)為例，按改造后背壓機穩(wěn)定運行90 d計算，每個供熱季增加效益分別為790萬元，1 600萬元，計算數(shù)據(jù)見表1。

表1 330，660 MW機組進行背壓機改造后效益分析

3 結論

本文針對抽凝供熱機組運行中存在的典型問題進行剖析，通過理論分析探討提高機組安全性、經(jīng)濟性的有效方法，力圖為機組設計、優(yōu)化改造提供參考，主要結論如下。

(1)抽凝供熱機組中壓缸末級葉片的安全性應引起足夠的重視，運行中應監(jiān)控三段抽汽與中壓缸排汽壓差不超過最大設計值。

(2)母管制供熱機組要充分考慮蒸汽倒流帶來的安全風險，應對保護電源、邏輯、逆止閥、管道等進行合理配置。

(3)供熱蒸汽節(jié)流導致做功能力降低，是影響抽凝供熱經(jīng)濟性的關鍵。在機組設計階段應做好參數(shù)匹配，已投產(chǎn)機組要對低壓缸進汽調節(jié)閥等進行優(yōu)化調節(jié)，對于抽汽、供汽參數(shù)嚴重不匹配的要進行背壓機改造。