一種基于中調(diào)門參調(diào)的汽輪機(jī)寬負(fù)荷高參數(shù)供熱方式研究

米 斌，曾 婭，黃 彪，韋龍飛，馬骕騁

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽618000）

近年來可再生能源發(fā)電快速發(fā)展，而新能源如太陽能、風(fēng)能等都具有不穩(wěn)定性，為了促進(jìn)可再生能源的消納，傳統(tǒng)的水電和火電需要更多地參與調(diào)峰，特別是中國發(fā)電量占比最大的火力發(fā)電。而低于某些提供較高參數(shù)的供熱汽輪機(jī)組，其調(diào)峰能力將受到較大的限制，本文將對(duì)此展開研究，提供一種較寬負(fù)荷內(nèi)的高參數(shù)供熱方式。

1 供熱方式簡述

以某電廠350 MW 亞臨界機(jī)組為例，該機(jī)組現(xiàn)有供熱需求為：4.5 MPa，400 ℃，額定供熱量100 t/h。該機(jī)組年平均發(fā)電負(fù)荷率為70%左右。根據(jù)上述需求，選擇70%電負(fù)荷工況作為供熱設(shè)計(jì)分界點(diǎn)。找出在70%電負(fù)荷時(shí)滿足供熱參數(shù)要求的位置，比如此工況下高壓第6 級(jí)后正好滿足要求（不做任何壓力調(diào)節(jié)），即選擇此處作為抽汽出口位置。如此，在機(jī)組電負(fù)荷高于70%時(shí)，可直接抽取供熱蒸汽而不采取壓力調(diào)節(jié)措施；在70%負(fù)荷以下時(shí)，通過中調(diào)門由后向前憋壓，調(diào)整抽汽口處壓力滿足供熱要求，此時(shí)需要優(yōu)化設(shè)計(jì)中調(diào)門，使其具備良好的調(diào)節(jié)性能。

供熱系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 供熱系統(tǒng)示意圖

供熱方式說明：新蒸汽首先進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸，做功后從供熱抽汽口處抽出一部分蒸汽去供熱，供熱管道上依次設(shè)置有抽汽止回閥、抽汽調(diào)節(jié)閥、抽汽關(guān)斷閥。機(jī)組負(fù)荷高于設(shè)計(jì)分界負(fù)荷時(shí)，中調(diào)門全開，直接抽取供熱蒸汽；機(jī)組負(fù)荷低于設(shè)計(jì)分界負(fù)荷時(shí)，抽汽壓力不滿足要求，此時(shí)利用中調(diào)門進(jìn)行調(diào)節(jié)，關(guān)小其開度，可提高供熱抽汽口處壓力至需求范圍。純凝工況時(shí)，機(jī)組設(shè)計(jì)為正推力，此時(shí)推力軸承定位面受力；供熱工況時(shí)，機(jī)組會(huì)出現(xiàn)負(fù)推力，此時(shí)推力軸承非定位面受力。

2 此種供熱方式的優(yōu)勢分析

該供熱方式最主要的特點(diǎn)是以年平均負(fù)荷作為抽汽工況的設(shè)計(jì)分界點(diǎn)，其主要優(yōu)勢在于：機(jī)組在一年中經(jīng)常運(yùn)行的負(fù)荷范圍供熱時(shí)不需要進(jìn)行中調(diào)門參調(diào)，如此可大大減少因中調(diào)門參與調(diào)節(jié)造成的節(jié)流損失，提高機(jī)組的綜合效率；抽汽口位于參數(shù)較高部位，機(jī)組在低負(fù)荷時(shí)通過適當(dāng)調(diào)節(jié)中調(diào)門，即可滿足供熱需求，解決機(jī)組參與深度調(diào)峰時(shí)的供熱能力問題。

以上述350 MW 亞臨界機(jī)組為例，在滿足4.5 MPa，400 ℃，額定供熱量100 t/h 的抽汽參數(shù)和抽汽量要求的情況下，機(jī)組最低的電負(fù)荷可達(dá)40%以下。

目前業(yè)內(nèi)比較常用的高參數(shù)供熱方式有如下幾種：利用大汽輪機(jī)主蒸汽帶小背壓機(jī)發(fā)電，利用小背壓機(jī)排汽供熱；采用熱壓機(jī)提壓方式，高壓汽源取自主蒸汽，低壓汽源取自再熱蒸汽，利用高壓蒸汽引射低壓蒸汽，匯流后供熱；中調(diào)門參調(diào)，從再熱冷段或熱段直接供汽。

與上述三種方式相比較，本文研究的供熱方式具有獨(dú)特的優(yōu)勢。與小背壓機(jī)供熱方式相比較，該供熱方式投資成本相對(duì)較低；大汽輪機(jī)做功效率高于小背壓機(jī)，機(jī)組在設(shè)計(jì)工況附近運(yùn)行時(shí)，從大汽輪機(jī)抽汽經(jīng)濟(jì)性更好。與熱壓機(jī)供熱方式相比較，該供熱方式抽汽部位更少，控制系統(tǒng)相對(duì)簡便，易于操作；同時(shí)，蒸汽經(jīng)過汽輪機(jī)做功再抽出，減少了直接抽取主蒸汽的能量損失，經(jīng)濟(jì)性更好。與中調(diào)門參調(diào)的再熱段抽汽相比較，該供熱方式可以滿足更低的調(diào)峰負(fù)荷要求；另外，在同樣的進(jìn)汽量下，保證同樣的供熱參數(shù)，該供熱方式中調(diào)門開度更大，節(jié)流損失更小，經(jīng)濟(jì)性更好。

將最為相似的中調(diào)門參調(diào)再熱段抽汽方式進(jìn)行詳細(xì)比較，可以看出該供熱方式的主要特點(diǎn)。由于再熱段供熱壓力受限較多，選取作為對(duì)比的供熱參數(shù)為3.0 MPa，抽汽量100 t/h，機(jī)組為350 MW 亞臨界機(jī)組。主要對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 相似的中調(diào)門參調(diào)再熱段抽汽方式比較

通過上述對(duì)比，可以明顯看出在高壓6 級(jí)后抽汽的優(yōu)勢如下：在70%負(fù)荷時(shí)，從高壓6 級(jí)抽汽不需中調(diào)門參與調(diào)節(jié)也能滿足供熱壓力需求，甚至還可以滿足更高壓力需求（4.5 MPa 以上），而從再熱段抽汽則必須中調(diào)門參與調(diào)節(jié)才能滿足要求，此時(shí)中壓缸效率已大幅下降；從高壓6 級(jí)后抽汽，滿足抽汽要求的最低供熱電負(fù)荷為8.9 萬左右，相對(duì)再熱熱段抽汽的13.3 萬，調(diào)峰優(yōu)勢明顯。

3 實(shí)現(xiàn)此種供熱方式需要解決的問題

對(duì)于供熱機(jī)組，影響其安全性最主要的問題為抽汽口前葉片強(qiáng)度問題何抽汽工況推力問題；而要實(shí)現(xiàn)供熱功能，調(diào)節(jié)手段也是必須具備的條件。

該供熱方式抽口位置在高壓靠前部分，通常該部位葉片高度較低，剛性好，只需設(shè)計(jì)時(shí)按極限工況進(jìn)行考慮，即可解決葉片強(qiáng)度問題。

通常供熱機(jī)組推力比較難解決，特別是供熱參數(shù)較高、抽汽量較大時(shí)，需要兼顧純凝工況和供熱工況汽輪機(jī)的推力均不超限。本文中，此種供熱方式?jīng)Q定了機(jī)組供熱工況較純凝工況負(fù)向推力會(huì)增大，可以考慮將機(jī)組純凝工況下的正向推力在允許范圍內(nèi)適當(dāng)放大，以降低供熱時(shí)負(fù)向推力水平。必要時(shí)也可以增大推力軸承面積，解決推力過大的問題。

在該供熱方式下，為保證機(jī)組低負(fù)荷時(shí)供熱參數(shù)滿足要求，需要利用中調(diào)門參與供熱壓力調(diào)節(jié)，需對(duì)中調(diào)門進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證其具備良好的調(diào)節(jié)性能。

4 此種供熱方式相關(guān)拓展

基于上述供熱方式，還可以對(duì)該供熱方式進(jìn)行拓展。當(dāng)供熱抽汽溫度需求較高時(shí)（壓力滿足而溫度不足時(shí)），或者因抽汽量過大再熱器出現(xiàn)干燒時(shí)，可以采取抽汽再加熱的方式來解決。即在鍋爐爐膛內(nèi)增設(shè)獨(dú)立的2 號(hào)再熱器，將供熱蒸汽引入進(jìn)行再次加熱，然后再送出供熱。系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)示意圖

流程說明：供熱時(shí)，供熱蒸汽從供熱抽汽口抽出后，進(jìn)入2 號(hào)再熱器，供熱蒸汽經(jīng)加熱后再送出供熱；機(jī)組不供熱時(shí)，依然由抽汽口部位抽出少量蒸汽，進(jìn)入2 號(hào)再熱器（用于冷卻），蒸汽加熱后再減溫減壓送入原再熱汽，以此解決2 號(hào)再熱器非供熱工況下干燒問題。采用此方式可以解決機(jī)組再熱器干燒或者供熱溫度不高的問題。

5 結(jié)語

本文提出了一種新的寬負(fù)荷高參數(shù)供熱方式，其主要特點(diǎn)如下：以年平均負(fù)荷作為設(shè)計(jì)分界點(diǎn)，可保證機(jī)組全年的綜合效率；抽汽位置取自高壓通流中參數(shù)較高部位，可有效保證機(jī)組在低負(fù)荷時(shí)的供熱能力。此種供熱方式系統(tǒng)較為簡單，易于實(shí)施，無論是新機(jī)設(shè)計(jì)還是老機(jī)改造，均可借鑒。