超臨界再熱型兩級(jí)調(diào)節(jié)工業(yè)抽汽背壓式汽輪機(jī)供熱方案研究

宋萍， 劉曉燕， 唐麗麗， 賴強(qiáng)， 張文祥， 羅方

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000 )

1 前言

國家發(fā)改委、 國家能源局和國家環(huán)保部三部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于印發(fā)煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020 年）的通知》（發(fā)改能源[2014]2093 號(hào)）要求, 要實(shí)現(xiàn)大型工業(yè)區(qū)高參數(shù)工業(yè)蒸汽的集中供應(yīng), 同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)電。 按照“以熱定電”, 對(duì)于有充足、 穩(wěn)定產(chǎn)業(yè)熱負(fù)荷和采暖負(fù)荷的地區(qū), 原則上建設(shè)背壓式汽輪機(jī)組, 必要時(shí)配合建設(shè)大型抽汽凝汽式機(jī)組, 按抽背聯(lián)合運(yùn)行方式供熱, 優(yōu)先安排背壓型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的原則確定機(jī)組容量和機(jī)組型式。

某工業(yè)區(qū)作為國家新型工業(yè)化石化產(chǎn)業(yè)示范基地, 正式納入國家發(fā)改委與工信部聯(lián)合下發(fā)的《石化產(chǎn)業(yè)國華布局方案》, 明確將“推動(dòng)天津石化產(chǎn)業(yè)向某工業(yè)區(qū)聚集發(fā)展” 作為未來重大石化項(xiàng)目的唯一承載地, 該工業(yè)區(qū)被授予國家原油儲(chǔ)備基地。 其發(fā)展目標(biāo)以發(fā)展石油化工、 治金裝備制造為主導(dǎo), 承接重大產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目為重點(diǎn)。 整個(gè)工業(yè)區(qū)的發(fā)展需要大量的工業(yè)蒸汽作為項(xiàng)目支撐,本文依據(jù)該熱電項(xiàng)目的供熱需求, 對(duì)背壓機(jī)組的主機(jī)型式和熱力系統(tǒng)布置進(jìn)行全新優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 熱負(fù)荷要求

本項(xiàng)目為超臨界再熱型背壓機(jī), 工業(yè)參數(shù)要求如下：

中壓蒸汽參數(shù)： 4.4～4.7 MPa（g）、 440～450 ℃、最大流量1 400 t/h；

低壓蒸汽參數(shù)： 1.3～1.6 MPa（g）、 320～330 ℃、最大流量600 t/h。

根據(jù)管道壓損, 中壓蒸汽額定壓力5.0 MPa,低壓蒸汽額定壓力1.8 MPa。 汽輪機(jī)排汽額定背壓0.15 MPa（a）, 允許背壓范圍0.1～0.35 MPa（a）, 不同于常規(guī)背壓機(jī)的排汽用于工業(yè)用汽或是采暖,本項(xiàng)目機(jī)組的排汽無熱用戶, 排汽僅用于回?zé)嵯到y(tǒng)加熱, 機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)需保證排汽全部被回?zé)嵯到y(tǒng)利用, 無溢流。

3 機(jī)組選型

根據(jù)國家相關(guān)政策, 按照“以熱定電”, 優(yōu)先安排背壓型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的原則, 確定機(jī)組容量和形式。 本工程供熱量大, 機(jī)組設(shè)計(jì)遵循“以熱定電”、 節(jié)煤、 節(jié)水、 超低排放的原則。

由于本項(xiàng)目工業(yè)熱負(fù)荷的需求量大, 壓力要求高。 中壓熱負(fù)荷要求蒸汽壓力5.0 MPa, 該中壓蒸汽壓力與現(xiàn)有350 MW 超臨界空冷機(jī)組高壓缸的進(jìn)排汽參數(shù)相當(dāng)。 低壓蒸汽參數(shù)與現(xiàn)有350 MW超臨界中壓缸進(jìn)汽壓力相當(dāng), 但熱段供熱后, 進(jìn)入中壓缸的流量小, 溫度低, 比容大, 且中壓對(duì)外供熱汽量占中壓進(jìn)汽總量的比值大, 汽輪機(jī)設(shè)計(jì)需量身定制。 本項(xiàng)目與常規(guī)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 本項(xiàng)目與常規(guī)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

圖1 本工程原則性熱力系統(tǒng)圖

基于提高機(jī)組的能源利用效率、 降低能耗指標(biāo), 提高機(jī)組技術(shù)裝備水平, 打造高效清潔可持續(xù)發(fā)展的發(fā)電產(chǎn)業(yè)目標(biāo), 并結(jié)合熱用戶對(duì)供熱的可靠性要求, 提出并論證了超臨界+高溫高壓背壓機(jī)同軸再熱布置的供熱方案, 在獲得同等的工業(yè)供汽總量前提下, 獲得高品位電能, 提高高壓背壓機(jī)的做功能力。 機(jī)組系統(tǒng)布置如圖1 所示。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

根據(jù)本項(xiàng)目工業(yè)用汽參數(shù)及用電量的特殊要求, 機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路如下：

（1）為減小廠房結(jié)構(gòu)布置、 將高壓背壓機(jī)及中壓背壓機(jī)同軸布置, 通過再熱滿足供熱溫度需求,提高蒸汽中壓進(jìn)汽蒸汽品質(zhì)。

（2）低壓抽汽： 抽汽點(diǎn)通過旋轉(zhuǎn)隔板調(diào)節(jié), 成熟可靠； 中壓抽汽： 抽汽點(diǎn)通過中調(diào)門及熱用戶共同參與調(diào)節(jié)。

（3）本項(xiàng)目背壓機(jī)排汽無熱用戶, 所有乏汽用于回?zé)峒訜? 且機(jī)組供熱用于工業(yè)園區(qū), 供熱負(fù)荷多變, 因此本項(xiàng)目對(duì)機(jī)組的調(diào)節(jié)性能及適應(yīng)性能要求極高。

（4）通流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí), 考慮中壓供熱后流量減小, 將中壓通流縮小以滿足中壓供熱壓力的需求及通流匹配度更好。

（5）額定工況定義： 將額定抽汽工況作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況, 巧妙解決了傳統(tǒng)定義時(shí)抽汽工況與設(shè)計(jì)點(diǎn)偏離, 減小中調(diào)門及旋轉(zhuǎn)隔板的調(diào)節(jié)幅度,提高經(jīng)濟(jì)性。

（6）根據(jù)熱用戶對(duì)用電量的需求, 在常規(guī)背壓機(jī)的定義上增加通流級(jí)數(shù), 滿足機(jī)組除氧、 發(fā)電等功能。

（7）輔機(jī)及控制系統(tǒng)參考已有背壓機(jī)的啟動(dòng)運(yùn)行方式, 結(jié)合本項(xiàng)目諸多非常規(guī)系統(tǒng)設(shè)計(jì), 需將通流、 結(jié)構(gòu)、 輔機(jī)、 控制等聯(lián)合設(shè)計(jì)。

5 供熱可靠性分析

低壓供熱抽汽作為常規(guī)的供熱方式, 通過旋轉(zhuǎn)隔板調(diào)節(jié), 這種運(yùn)行方式是成熟可靠的。 對(duì)于常規(guī)供熱機(jī)組, 供熱參調(diào)負(fù)荷一般要求在75%負(fù)荷以上, 但本項(xiàng)目的難點(diǎn)則在于供熱量巨大, 參調(diào)負(fù)荷范圍廣, 采用何種手段才能有效滿足供熱參數(shù)的要求。

5.1 閥門布置可行性分析

目前國內(nèi)350 MW 級(jí)超臨界機(jī)組實(shí)行雙抽的機(jī)組有青山, 宿州電廠等, 660 MW 級(jí)機(jī)組實(shí)行雙抽的機(jī)組有南熱電廠。 其中青山及南熱電廠高壓抽汽均利用中聯(lián)門調(diào)節(jié)再熱熱段4.0 MPa 左右抽汽。 青山超臨界2×350 MW 及南熱超臨界2×600 MW 電廠雙抽可調(diào)整抽汽均有同時(shí)運(yùn)行, 據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況, 反映良好, 且有較高經(jīng)濟(jì)收益。

借鑒已經(jīng)投運(yùn)機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn), 在滿足中壓最大進(jìn)汽量的情況下, 本項(xiàng)目擬采用“一大一小”閥門結(jié)構(gòu)形式, 供熱狀態(tài)下, 中聯(lián)門采用順序閥運(yùn)行, 先關(guān)大閥, 再關(guān)小閥。 這種調(diào)節(jié)方式可有效保證機(jī)組在低負(fù)荷的供熱情況下, 閥門調(diào)節(jié)性能還有效。

圖2 閥門配汽曲線

通過計(jì)算分析, 從圖2 可以看出, 采用順序閥, 同等低負(fù)荷情況下, 采用“一大一小” 閥結(jié)構(gòu)后, 單個(gè)閥門開度相對(duì)常規(guī)機(jī)組開度大很多,如圖2 同樣流量百分比a 對(duì)應(yīng)常規(guī)設(shè)計(jì)閥門升程為a″, 而采用“一大一小” 閥, 閥門升程為a′。閥門大開度對(duì)穩(wěn)定機(jī)組運(yùn)行, 保證供熱參數(shù)具有更可靠更安全的作用。

圖3 中聯(lián)門參調(diào)結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)組左右兩側(cè)各布置一個(gè)中壓聯(lián)合汽閥。 中壓聯(lián)合汽閥內(nèi)主汽閥和調(diào)節(jié)閥共用1 個(gè)閥座, 由獨(dú)立的油動(dòng)機(jī)分別控制。 中壓聯(lián)合汽閥可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。

5.2 中調(diào)門供熱業(yè)績(jī)支撐

同類工程的中調(diào)門供熱業(yè)績(jī)見表2。

表2 同類工程業(yè)績(jī)表

5.3 自動(dòng)控制

本工程配套汽輪機(jī)除對(duì)外有兩級(jí)可調(diào)整抽汽,與傳統(tǒng)背壓機(jī)排汽端向熱用戶供汽不同, 中壓排汽末端帶大氣除氧器。 其控制邏輯不同于常規(guī)抽凝機(jī)組和背壓機(jī), 當(dāng)不同的用戶對(duì)抽汽量有變化時(shí), 各級(jí)流量的調(diào)節(jié)將相互影響。 為了確保供汽品質(zhì), 本工程控制原則為： 采用熱電分調(diào)的控制方案, 即控制發(fā)電機(jī)負(fù)荷的調(diào)門指令及控制抽汽調(diào)節(jié)閥的指令分別根據(jù)各自的調(diào)節(jié)需要來控制；優(yōu)先保證的控制參數(shù)依次為中壓/低壓抽汽壓力、中壓排汽背壓, 電負(fù)荷則是以上各項(xiàng)控制過后自動(dòng)平衡的結(jié)果。 運(yùn)行中分別調(diào)節(jié)高調(diào)門、 中調(diào)門及旋轉(zhuǎn)隔板、 溢流調(diào)節(jié)閥的開度, 使機(jī)組的熱負(fù)荷、 抽汽壓力和背壓達(dá)到所需工況。 本系統(tǒng)為全新設(shè)計(jì), 理論設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行可能存在偏差, 在后續(xù)工作中將結(jié)合機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況做一定邏輯修改, 保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行。

6 經(jīng)濟(jì)性分析

某項(xiàng)目以成熟的350 MW 級(jí)超臨界抽凝汽輪機(jī)為原型, 進(jìn)行超臨界雙抽背壓新型汽輪機(jī)設(shè)計(jì)。鍋爐主蒸汽首先進(jìn)入高壓缸做功, 做功后進(jìn)入再熱器加熱, 再熱后從再熱母管抽出5.0 MPa 中壓供汽467 t/h。 再熱提高蒸汽品質(zhì)后進(jìn)入中壓缸做功, 同時(shí)從中低壓缸抽出1.8 MPa 低壓蒸汽, 最終實(shí)現(xiàn)向工業(yè)園區(qū)供應(yīng)蒸汽667 t/h, 發(fā)電容量達(dá)157 MW。 同時(shí), 相對(duì)熱電分產(chǎn)的供熱鍋爐, 本工程采用了高參數(shù)、 大容量、 高效率鍋爐。

某項(xiàng)目額定工況下熱耗值為4 139 kJ/kWh,供電煤耗約157 g/kWh, 而常規(guī)超臨界機(jī)組供電煤耗約280 g/kWh, 供電煤耗降低了123 g/kWh。 根據(jù)協(xié)議, 機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)6 500 計(jì)算, 廠用電率按3.3%（不含脫銷）, 機(jī)組銘牌出力157 MW,每年可節(jié)約標(biāo)煤量：

同常規(guī)超臨界抽凝機(jī)組相比, 實(shí)現(xiàn)了大流量的供熱, 每年還可節(jié)約上萬噸的耗煤量。

目前市場(chǎng)上背壓機(jī)多采用高溫高壓參數(shù), 即主汽參數(shù)為8.83 MPa、 535 ℃。 相同供熱量下,機(jī)組的出力對(duì)比見表3。

表3 相同供熱不同機(jī)組出力對(duì)比表

對(duì)單臺(tái)機(jī)組而言, 該項(xiàng)目在滿足供熱需求的同時(shí), 出力也增加105 MW。 其5.0 MPa 中壓抽汽最大1 400 t/h, 1.8 MPa 低壓抽汽最大600 t/h。 如果采用常規(guī)的背壓機(jī), 則需要6 臺(tái)高溫高壓的鍋爐, 6 臺(tái)發(fā)電機(jī)組。 而本項(xiàng)目?jī)H3 臺(tái)鍋爐及發(fā)電機(jī)組就可滿足用汽要求。

熱電分產(chǎn)的供熱鍋爐, 其初參數(shù)低, 熱效率低。 該大型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組采用高參數(shù)、 大容量、高效率鍋爐, 配以高效率汽輪發(fā)電機(jī), 使其每年比熱電分產(chǎn)節(jié)約標(biāo)煤耗量50 萬噸以上, 可大大節(jié)約燃煤消耗量。 無論從直接經(jīng)濟(jì)效益, 還是從環(huán)保等社會(huì)效益來看, 大型供熱機(jī)組都有巨大的優(yōu)越性。

該項(xiàng)目采用超臨界參數(shù)作為進(jìn)汽參數(shù), 蒸汽品質(zhì)高, 做功后的蒸汽進(jìn)入到鍋爐再熱器加熱,再熱后蒸汽一部分供中壓抽汽, 一部分進(jìn)入中壓缸做功, 做功后的蒸汽一部分供低壓抽汽, 剩余蒸汽全部用于發(fā)電和回?zé)嵯到y(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的0冷源損失, 蒸汽能量的梯級(jí)利用。 基于提高機(jī)組的能源利用效率、 降低能耗指標(biāo), 提高機(jī)組技術(shù)裝備水平, 打造高效清潔可持續(xù)發(fā)展的發(fā)電產(chǎn)業(yè),并結(jié)合熱用戶對(duì)供熱的可靠性要求, 前期提出并論證了該項(xiàng)目的供熱方案可操作性, 可在獲得同等工業(yè)供汽總量的前提下, 獲得更多的高品位電能, 一改過去化工企業(yè)自建自備供熱設(shè)施的低效率做法, 實(shí)現(xiàn)工業(yè)蒸汽的集中供應(yīng)、 高效發(fā)電。