超臨界間冷機(jī)組高背壓供熱技術(shù)的應(yīng)用分析

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(1.華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450046； 2.新疆華電喀什熱電有限責(zé)任公司，新疆 喀什 844000)

0 引言

我國(guó)目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，以燃煤為主的熱-電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組得到較大發(fā)展。然而，隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)峻，國(guó)家深入推進(jìn)節(jié)能降耗政策，高效能源、清潔能源利用技術(shù)的研究和推廣將成為我國(guó)下一階段的重點(diǎn)發(fā)展方向。如何減少煤耗、提升能量利用率、降低環(huán)境污染成為火電機(jī)組迫切需要解決的問(wèn)題。

高背壓供熱技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型供熱技術(shù)，是一種在原有抽汽供熱機(jī)組的基礎(chǔ)上對(duì)主、輔設(shè)備及熱網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，使得汽輪機(jī)的冷源損失能夠部分甚至全部回收利用的技術(shù)。高背壓供熱機(jī)組相較普通的抽汽供熱機(jī)組，其供熱能力有較大的提升，機(jī)組熱耗及發(fā)電煤耗大幅降低[1-2]。

1 高背壓供熱系統(tǒng)的原理

1.1 純凝機(jī)組高背壓供熱

目前，按照排汽壓力進(jìn)行劃分，汽輪機(jī)可以分為凝汽式汽輪機(jī)與背壓式汽輪機(jī)。北方地區(qū)的機(jī)組大部分采用抽凝式汽輪機(jī)，機(jī)組在夏季為純凝工況運(yùn)行，冬季為抽汽供熱方式運(yùn)行。抽凝式機(jī)組無(wú)論以何種工況運(yùn)行，低壓缸做功后的乏汽均需利用循環(huán)水進(jìn)行冷卻，凝結(jié)后排入機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)。此運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)組排汽余熱大量損失，造成綜合熱效率降低[3-4]。

抽凝機(jī)組高背壓供熱改造是利用熱網(wǎng)循環(huán)水冷卻低壓缸排汽，冬季供熱期，利用凝汽器作為熱網(wǎng)循環(huán)水的一級(jí)加熱器，充分利用機(jī)組排汽的汽化潛熱來(lái)加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，再利用本機(jī)或鄰機(jī)的抽汽對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行二次加熱，將熱網(wǎng)循環(huán)水加熱至熱網(wǎng)所需溫度向用戶供熱。夏季非供熱期，機(jī)組仍采用純凝工況運(yùn)行，真空恢復(fù)至純凝工況設(shè)計(jì)值。

圖1 雙溫區(qū)凝汽器供熱技術(shù)原理Fig.1 Principle of heating technology for dual temperature zone condenser

1.2 空冷機(jī)組高背壓供熱

空冷機(jī)組分為直接空冷機(jī)組和間接空冷機(jī)組。直接空冷機(jī)組將汽輪機(jī)低壓缸排汽直接引入空冷島翅片管束，在管束中與空氣進(jìn)行換熱凝結(jié)成水。直接空冷機(jī)組的總體熱效率較低，其中通過(guò)空冷島排放到大氣中的能量約占總能量的50%以上，大量余熱未得到利用。間接空冷類似純凝機(jī)組，保留有凝汽器，乏汽在凝汽器中冷凝，冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，通過(guò)空冷塔換熱，其中循環(huán)水為閉式循環(huán)。

1.2.1 直接空冷機(jī)組高背壓供熱改造

高背壓供熱改造不改變機(jī)組空冷島、汽輪機(jī)及原抽汽系統(tǒng)，但需設(shè)置1臺(tái)高背壓凝汽器，回收汽輪機(jī)低壓缸排汽余熱，對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)回水進(jìn)行加熱。高背壓供熱凝汽器與原熱網(wǎng)加熱器采用串聯(lián)布置方式，熱網(wǎng)循環(huán)回水首先進(jìn)入高背壓凝汽器，由低壓缸排汽進(jìn)行一級(jí)加熱，水溫由55 ℃升高至68 ℃左右(具體由機(jī)組背壓確定)，然后通過(guò)熱網(wǎng)循環(huán)泵系統(tǒng)升壓，送至熱網(wǎng)加熱器入口母管進(jìn)行二級(jí)加熱，向用戶供熱。

1.2.2 間接空冷機(jī)組高背壓循環(huán)水供熱改造

新疆華電喀什熱電有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱喀什公司)2×350 MW超臨界間接空冷熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，采用高背壓循環(huán)水供熱技術(shù)進(jìn)行供熱節(jié)能改造。該項(xiàng)目采用雙機(jī)并聯(lián)，背壓供熱模式，根據(jù)供熱需求，回收汽輪機(jī)低壓缸排汽余熱。對(duì)凝汽器進(jìn)行改造，開(kāi)發(fā)雙溫區(qū)凝汽器供熱技術(shù)，即一側(cè)進(jìn)入主機(jī)閉式循環(huán)水，另一側(cè)進(jìn)入熱網(wǎng)循環(huán)水，在不影響凝汽器安全運(yùn)行和冬季空冷塔防凍的條件下，盡量增大熱網(wǎng)循環(huán)水流量，減小主機(jī)循環(huán)水流量，充分利用乏汽余熱，在凝汽器中對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行一級(jí)加熱后，通過(guò)熱網(wǎng)循環(huán)水泵升壓進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器系統(tǒng)進(jìn)行二次加熱，滿足供熱需求溫度。

2 高背壓供熱的改造實(shí)施

2.1 凝汽器雙溫區(qū)的改造

根據(jù)喀什公司超臨界間接空冷機(jī)組的特點(diǎn)，制定凝汽器雙溫區(qū)供熱技術(shù)方案及切換方案。間接空冷機(jī)組抽凝工況運(yùn)行時(shí)在凝汽器采用循環(huán)水冷卻低壓缸排汽，通過(guò)間冷塔冷卻循環(huán)水。高背壓供熱工況時(shí)凝汽器為雙溫區(qū)運(yùn)行模式，即凝汽器采用兩路獨(dú)立冷卻水源，各半側(cè)換熱，半側(cè)通入熱網(wǎng)循環(huán)水，通過(guò)熱網(wǎng)循環(huán)水和低壓缸排汽的有效換熱，冷卻低壓缸排汽，同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)循環(huán)水的一級(jí)加熱，熱網(wǎng)循環(huán)水通過(guò)熱網(wǎng)加熱器二級(jí)加熱后實(shí)現(xiàn)對(duì)外供熱，凝汽器另半側(cè)通入冷卻循環(huán)水，作為備用冷卻和空冷塔防凍循環(huán)水，如圖1所示。

2.2 空冷塔循環(huán)水系統(tǒng)的改造

喀什公司#5機(jī)組和#6機(jī)組供熱改造后，為了保持循環(huán)水系統(tǒng)供水能力、適應(yīng)熱網(wǎng)循環(huán)水量變化及保證機(jī)組運(yùn)行的安全性，根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況(一臺(tái)機(jī)組高背壓工況運(yùn)行，一臺(tái)機(jī)組抽凝工況運(yùn)行)，2臺(tái)機(jī)組增設(shè)1臺(tái)公用的小流量變頻循環(huán)水泵，當(dāng)機(jī)組在高背壓供熱工況下運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)需要只開(kāi)啟增設(shè)的小流量變頻循環(huán)水泵，水泵流量根據(jù)機(jī)組負(fù)荷及熱網(wǎng)循環(huán)水量采用變頻調(diào)節(jié)進(jìn)行控制。并通過(guò)新增DN 1 200 mm循環(huán)水管道分別與原#5，#6機(jī)組主循環(huán)水管道進(jìn)水管道連接，出水管道接至#5，#6機(jī)組循環(huán)水泵聯(lián)絡(luò)管上。即在#5機(jī)組高背壓工況運(yùn)行時(shí)，新增變頻循環(huán)水泵進(jìn)、出口管道均與#5，#6機(jī)組循環(huán)水管道連接。

表1 各工況試驗(yàn)條件Tab.1 Testing conditions of each working condition

為實(shí)現(xiàn)凝汽器雙溫區(qū)改造及運(yùn)行切換需要，凝汽器進(jìn)、出口與熱網(wǎng)水連接口處增設(shè)電動(dòng)蝶閥，實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)水與循環(huán)水根據(jù)工況需求自動(dòng)切換。

2.3 凝結(jié)水系統(tǒng)的改造

供熱機(jī)組在采暖期以高背壓工況運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水在熱井出口的溫度，高于凝結(jié)水精處理的正常運(yùn)行溫度，原凝結(jié)水精處理裝置采用常規(guī)樹(shù)脂，凝結(jié)水溫度高時(shí)，使得凝結(jié)水精處理裝置性能難以保證，不能正常安全運(yùn)行。改造增加一套換熱器系統(tǒng)，通過(guò)熱網(wǎng)循環(huán)回水冷卻凝結(jié)水，使得凝結(jié)水溫度保持在65 ℃以下，滿足凝結(jié)水精處理裝置的水溫要求，同時(shí)可充分吸收系統(tǒng)放熱量，即空冷塔防凍熱量，避免熱量損失。

3 汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 機(jī)組試驗(yàn)

改造完成后，對(duì)機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)分析，分別在機(jī)組無(wú)抽汽全背壓工況、高背壓工況、寒冷天氣高背壓工況時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定機(jī)組的發(fā)電能力、供熱能力和機(jī)組性能，見(jiàn)表1。

各工況試驗(yàn)方案如下。

(1)嚴(yán)格按照系統(tǒng)隔離清單對(duì)熱力系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)隔離，并檢查、確認(rèn)。

(2)進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)水，調(diào)整除氧器水箱水位、凝汽器熱井水位至較高值，各加熱器水位保持正常、穩(wěn)定，停止補(bǔ)水。試驗(yàn)期間，除氧器水箱水位、熱井水位變化幅度穩(wěn)定，避免劇烈波動(dòng)。

(3)調(diào)整鍋爐燃燒情況，在試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。試驗(yàn)期間，如非必須，不對(duì)機(jī)爐進(jìn)行與試驗(yàn)無(wú)關(guān)的操作。

(4)調(diào)整機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，使其滿足試驗(yàn)要求，參數(shù)需維持穩(wěn)定，其偏差及波動(dòng)值符合試驗(yàn)規(guī)程要求。

(5)調(diào)整高壓主蒸汽調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使之滿足試驗(yàn)要求，同時(shí)記錄各調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度值。

(6)關(guān)閉取樣閥等。

(7)確認(rèn)分布式控制系統(tǒng)(DCS)測(cè)點(diǎn)正常工作，試驗(yàn)記錄人員按指定位置就位。

(8)按統(tǒng)一時(shí)間開(kāi)始試驗(yàn)并記錄。

(9)試驗(yàn)期間，對(duì)于無(wú)法隔離的熱力系統(tǒng)明漏量，采用人工容積法進(jìn)行測(cè)量。

3.2 汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性分析

本文主要針對(duì)各工況下汽輪機(jī)熱耗率、發(fā)電煤耗、高壓缸效率和中壓缸效率進(jìn)行對(duì)比分析。其中汽輪機(jī)效率根據(jù)熱平衡圖計(jì)算。

表2表明，提升機(jī)組背壓后，由于汽輪機(jī)乏汽熱量被熱網(wǎng)有效利用后，機(jī)組發(fā)電煤耗顯著下降，200 MW左右發(fā)電煤耗最低。當(dāng)提升機(jī)組背壓后，同時(shí)中壓缸抽部分采暖蒸汽時(shí)，供熱末期(220 MW)發(fā)電煤耗低于不抽采暖蒸汽時(shí)供熱末期(180 MW)的發(fā)電煤耗。數(shù)據(jù)表明，汽輪機(jī)乏汽熱量吸收可有效降低機(jī)組煤耗，采暖抽汽越多，機(jī)組煤耗下降越多。高背壓額定供熱工況和寒冷天氣(300 MW)對(duì)比表明，相同工況下，熱網(wǎng)回水溫度越低，機(jī)組煤耗越低，因此充分利用熱網(wǎng)供水熱量，有效降低熱網(wǎng)回水溫度，對(duì)機(jī)組的發(fā)電煤耗影響較大。

對(duì)比汽輪機(jī)實(shí)際熱耗值和設(shè)計(jì)熱耗值、發(fā)電煤耗實(shí)際值和發(fā)電煤耗設(shè)計(jì)值，為了更直觀分析，作出差值對(duì)比圖如圖2、圖3所示。其中，汽輪機(jī)熱耗差值=汽輪機(jī)實(shí)際熱耗-汽輪機(jī)設(shè)計(jì)熱耗，發(fā)電煤耗差值=發(fā)電煤耗設(shè)計(jì)值-發(fā)電煤耗實(shí)際值。

對(duì)比所有工況下機(jī)組發(fā)電煤耗試驗(yàn)結(jié)果可以看出：改造后汽輪機(jī)發(fā)電煤耗明顯下降，節(jié)能效果顯著。考核試驗(yàn)工況下機(jī)組發(fā)電煤耗下降了118.246 g/(kW·h)，完全達(dá)到了節(jié)能降耗的預(yù)期目的。

通過(guò)綜合對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，高背壓改造后機(jī)組折算總供熱量為513.16 MW，增加了189.32 MW的供熱量，增加可供熱面積378.58萬(wàn)m2，超過(guò)了“增加供熱量186.53 MW”的預(yù)期目標(biāo)。經(jīng)過(guò)折算，整個(gè)供熱期可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤55 882.09 t，經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。

表2 各工況試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Testing results of each working condition

圖2 汽輪機(jī)實(shí)際熱耗與設(shè)計(jì)熱耗的差值Fig.2 Difference between the actual heat consumption and the designed heat consumption of the gas turbine

圖3 發(fā)電煤耗實(shí)際值與設(shè)計(jì)值的差值Fig.3 Difference between actual coal consumption and designed coal consumption for power generation

4 結(jié)束語(yǔ)

采用雙溫區(qū)凝汽器高背壓供熱技術(shù)后，機(jī)組供熱能力有所提高，能夠滿足供熱負(fù)荷增加需求。同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)純凝、抽汽供熱、高背壓供熱3種運(yùn)行方式的切換，使供熱機(jī)組能夠連續(xù)運(yùn)行，增加了機(jī)組調(diào)節(jié)的靈活性。本次改造既挖掘了機(jī)組節(jié)能降耗的潛力，又能夠保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，可為大容量機(jī)組高背壓運(yùn)行提供技術(shù)參考。