300 MW機(jī)組高低旁路聯(lián)合供熱改造實(shí)踐分析

宣偉東

(大唐東北電力試驗(yàn)研究院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012)

經(jīng)濟(jì)生活水平的改善以及城市的發(fā)展使得居民的供熱需求不斷提升，這就賦予了傳統(tǒng)火力發(fā)電機(jī)組更多的社會(huì)責(zé)任，使得機(jī)組在滿足調(diào)峰任務(wù)的同時(shí)必須保障城市供熱[1]。當(dāng)前，機(jī)組“以熱定電”的運(yùn)行方式是將穩(wěn)定供熱放在首位，但在當(dāng)前全社會(huì)用電需求放緩、火電出力被壓縮的背景下，同時(shí)兼顧機(jī)組調(diào)峰與供熱變得越發(fā)困難[2-3]。因此，基于現(xiàn)有熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組或純凝機(jī)組，學(xué)者開展了許多優(yōu)化改造工作，旨在提升機(jī)組的供熱能力或調(diào)峰性能[4-6]。但傳統(tǒng)改造方案無法有效解決熱電耦合特性，特別是新能源的大規(guī)模并網(wǎng)，使得調(diào)峰需求進(jìn)一步提升，給機(jī)組帶來了諸多安全隱患[7-8]。當(dāng)前學(xué)者不斷探索基于熱電解耦的改造方案[9]。包括引入水蓄能[10]、汽輪機(jī)高低壓旁路聯(lián)合供熱等研究[11]。汽輪機(jī)高低壓旁路作為一種投資小的改造方法卻可以極大提高機(jī)組低負(fù)荷供熱能力和電調(diào)峰能力的技術(shù)深受電廠關(guān)注[12]。

本文通過對(duì)某電廠300 MW機(jī)組高低旁路聯(lián)合供熱改造前后的調(diào)試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析，總結(jié)出同類型機(jī)組高、低旁聯(lián)合供熱改造對(duì)其運(yùn)行安全、經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能降耗、供熱穩(wěn)定性、調(diào)峰能力、機(jī)組協(xié)調(diào)等諸多方面的積極影響，同時(shí)也為今后同類機(jī)組靈活性改造提供參考。

1 機(jī)組概況及存在的問題

東北某300 MW機(jī)組為例，該機(jī)組的額定抽汽量為320 t/h，最大抽汽量為520 t/h，是其所在市區(qū)的主要供熱熱源。目前設(shè)計(jì)供熱面積為960萬m2，2018～2019年實(shí)際供熱面積已近1 100萬m2。并且，機(jī)組在供熱期間還承擔(dān)有調(diào)峰任務(wù)，機(jī)組目前每晚約有8 h負(fù)荷在150 MW以下。若仍按目前機(jī)組以熱定電的方式運(yùn)行，進(jìn)入調(diào)峰期間高質(zhì)量的完成供熱、發(fā)電將面臨巨大考驗(yàn)。所以，為保證深度調(diào)峰期間供熱質(zhì)量，不發(fā)生熱網(wǎng)瓦解事故，該電廠在2019年對(duì)1號(hào)機(jī)組實(shí)施了高、低旁路聯(lián)合供熱改造。

2 高低旁路聯(lián)合供熱改造機(jī)理分析

2.1 高壓缸旁路蒸汽流量分析

高低旁路聯(lián)合供熱是通過高壓旁路管道將部分主蒸汽直接輸送至高壓缸排汽端，然后經(jīng)過鍋爐再熱器進(jìn)入汽輪機(jī)再熱蒸汽管道，隨后經(jīng)低壓旁路前三通抽汽口經(jīng)減溫減壓后作為熱網(wǎng)加熱器的補(bǔ)充汽源。為保證汽輪機(jī)軸向推力平衡和汽輪機(jī)安全運(yùn)行，該方案的關(guān)鍵控制因素是控制高壓旁路蒸汽流量與低旁蒸汽流量相匹配。

高壓缸旁路蒸汽流量可利用高低旁蒸汽流量和焓值并根據(jù)能量守恒、質(zhì)量守恒計(jì)算得出[12]

Q1=Q2×(H2-H3)/(H3-H1)

式中Q1、H1——供熱高壓旁路閥前蒸汽流量和焓值；

Q2、H2——供熱高壓旁路減溫水流量和焓值；

Q3、H3——供熱高壓旁路閥后蒸汽流量和焓值。

同理，低壓旁路流量計(jì)算方法同上。

2.2 高、低壓旁路聯(lián)合供熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)控制策略

依據(jù)質(zhì)量守恒原則，高壓旁路蒸汽流量為低壓旁路蒸汽流量減去高壓旁路減溫水流量[12]。低壓旁路供熱調(diào)節(jié)閥及其供熱減溫水調(diào)節(jié)閥控制以供熱參數(shù)為目標(biāo)，投入自動(dòng)控制方式，高壓旁路供熱蒸汽調(diào)節(jié)閥以計(jì)算出的低壓旁路蒸汽流量和計(jì)算出的高壓旁路蒸汽流量為依據(jù)，并始終自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度以跟蹤低壓旁路供熱蒸汽流量，高壓旁路蒸汽減溫水調(diào)節(jié)閥以高壓旁路蒸汽調(diào)節(jié)閥后溫度為目標(biāo)投入自動(dòng)，為不影響汽輪機(jī)及安全運(yùn)行，在上述控制策略中，增加高壓旁路和低壓旁路供熱調(diào)節(jié)閥開度受高壓缸排汽壓比或排汽溫度限制條件，低壓旁路開度受中壓缸進(jìn)汽壓力限制條件。

3 某電廠高低壓旁路聯(lián)合供熱改造應(yīng)用

該機(jī)組的額定抽汽量為320 t/h，最大抽汽量為520 t/h。本次改造利用高低壓旁路聯(lián)合供熱增加機(jī)組的調(diào)峰能力，保證機(jī)組供熱期安全運(yùn)行。供熱改造具體內(nèi)容概況如下：

(1)高壓旁路部分改造

在原高壓旁路蒸汽轉(zhuǎn)換閥前加裝電動(dòng)閘閥，設(shè)置疏水管道及閥門，原高壓旁路蒸汽轉(zhuǎn)換閥不更換。

(2)低壓旁路部分改造

在原低壓旁路蒸汽轉(zhuǎn)換閥前引三通及彎頭，在三通至熱網(wǎng)供汽母管上布置電動(dòng)閘閥、流量計(jì)、減溫減壓裝置、安全閥、手動(dòng)隔離閥。

(3)方案的優(yōu)點(diǎn)介紹

此方案優(yōu)點(diǎn)為保證了高壓旁路系統(tǒng)在非調(diào)峰期間不發(fā)生內(nèi)漏、低壓旁路蒸汽轉(zhuǎn)換閥不受沖刷；同時(shí)，保留低壓旁路安全特性，低壓旁路在熱備用狀態(tài)，以在調(diào)峰期間，便于調(diào)整高、中壓缸進(jìn)汽量，滿足事故時(shí)需求，管路流量響應(yīng)迅速。改造后系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 高低壓旁路聯(lián)合供熱改造示意圖

4 旁路供熱系統(tǒng)調(diào)整試驗(yàn)數(shù)據(jù)

機(jī)組功率149.5 MW(50%電負(fù)荷)，旁路供熱系統(tǒng)投運(yùn)。投旁路供熱投運(yùn)后調(diào)整各工況試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)工況對(duì)比表

表中：工況一：主蒸汽流量550 t/h，中壓缸排汽至熱網(wǎng)加熱器單獨(dú)供熱，未投旁路供熱;工況二：主蒸汽流量550 t/h，中壓缸排汽及低壓旁路聯(lián)合供熱至熱網(wǎng)加熱器，LV閥開度100%;工況三：主蒸汽流量550 t/h，中壓缸排汽及低壓旁路聯(lián)合供熱至熱網(wǎng)加熱器，LV閥開度20%;工況四：主蒸汽流量550 t/h，中壓缸排汽及低壓旁路聯(lián)合供熱至熱網(wǎng)加熱器，LV閥開度15%;工況五：熱網(wǎng)疏水流量220 t/h，中壓缸排汽及低壓旁路聯(lián)合供熱至熱網(wǎng)加熱器，LV閥開度20%。

5 旁路供熱調(diào)整試驗(yàn)分析

通過對(duì)1號(hào)機(jī)旁路供熱系統(tǒng)不同工況調(diào)整試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

(1)550 t/h主蒸汽流量下旁路供熱能力

1號(hào)機(jī)組負(fù)荷146.2 MW，主蒸汽流量550 t/h，低旁供熱減溫減壓器前壓力1.34 MPa，高壓旁路蒸汽轉(zhuǎn)換閥開度63.4%，低壓旁路供熱調(diào)節(jié)門開度80%條件下，低壓旁路供熱抽汽流量約125.8 t/h。

(2)旁路供熱系統(tǒng)投運(yùn)后調(diào)峰能力

在維持1號(hào)機(jī)組供熱負(fù)荷基本不變的條件下，中壓缸排汽及旁路供熱系統(tǒng)聯(lián)合供熱至熱網(wǎng)加熱器較中壓缸排汽至熱網(wǎng)加熱器單獨(dú)供熱發(fā)電機(jī)功率降低36.7 MW。

(3)550 t/h主蒸汽流量下旁路改造后機(jī)組供熱能力

1號(hào)組機(jī)組負(fù)荷117.4 MW、主蒸汽流量550 t/h，高壓旁路蒸汽轉(zhuǎn)換閥開度64.7%，低壓旁路供熱調(diào)節(jié)門開度80.9%， LV閥開度15%條件下，中壓缸排汽及旁路供熱系統(tǒng)聯(lián)合供熱至熱網(wǎng)加熱器供熱蒸汽流量約251.4 t/h。較相同主蒸汽流量下中壓缸排汽單獨(dú)供熱工況增加供熱流量約30 t/h。

在上述試驗(yàn)工況中針對(duì)1號(hào)機(jī)組所選擇的工況是機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行的典型工況；由于該熱電廠為所在區(qū)域的供熱主力機(jī)組，為保證供熱安全未進(jìn)行停機(jī)不停爐和滿負(fù)荷投旁路供熱工況試驗(yàn)。

6 高、低壓旁路聯(lián)合供熱改造對(duì)機(jī)組產(chǎn)生的影響

6.1 調(diào)峰能力

機(jī)組高、低壓旁路聯(lián)合供熱改造后，機(jī)組調(diào)峰能力顯著加強(qiáng)，在冬季保證供熱區(qū)域正常供熱前提下，機(jī)組可滿足電廠冬季供熱期每晚8 h有償調(diào)峰的要求。

6.2 供熱安全

改造實(shí)施后，機(jī)組實(shí)現(xiàn)了停機(jī)不停爐的供熱需求，保證了該熱電廠作為所在地區(qū)的供熱任務(wù)，完成了冬季安全供熱、不發(fā)生熱網(wǎng)瓦解事故的任務(wù)。

6.3 電網(wǎng)影響

高、低壓旁路聯(lián)合供熱改造在提高機(jī)組深度調(diào)峰能力的同時(shí)，也為電網(wǎng)消納風(fēng)電、太陽(yáng)能等新能源的負(fù)荷波動(dòng)釋放了空間，在一定程度上提高了電網(wǎng)安全。

6.4 汽機(jī)安全

旁路供熱系統(tǒng)投運(yùn)后，汽機(jī)差脹、缸脹、軸位移在正常范圍，汽機(jī)金屬溫度正常，各監(jiān)控點(diǎn)上、下缸溫差在正常范圍，機(jī)組振動(dòng)在正常范圍，汽輪機(jī)各缸排汽溫度均在正常范圍內(nèi)。

6.5 運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)

在投運(yùn)旁路供熱時(shí)，一方面因主蒸汽壓力及高壓旁路減溫水壓力都較高，對(duì)高壓旁路蒸汽閥、高壓旁路減溫水閥的靈活性和溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)要求均有提高，所以，在調(diào)試過程中，會(huì)出現(xiàn)高壓旁路閥后溫度大幅波動(dòng)情況；另一方面，在調(diào)整高壓旁路開度時(shí)，要保證高排壓比、再熱蒸汽參數(shù)、熱網(wǎng)母管壓力等參數(shù)維持在正常范圍內(nèi)，所以旁路供熱系統(tǒng)熱態(tài)投運(yùn)過程中，操作增多，需要關(guān)注的參數(shù)較多，對(duì)運(yùn)行人員水平要求很高，需要有足夠的經(jīng)驗(yàn)。

6.6 協(xié)調(diào)影響

機(jī)組高、低壓旁路聯(lián)合供熱改造后，機(jī)組原有基于調(diào)節(jié)級(jí)壓力得到的主汽流量并未考慮到高壓旁路抽汽，因此，該參數(shù)并不能完全代表鍋爐實(shí)際的負(fù)荷需求，需要在最終的主汽流量中對(duì)高壓旁路抽汽量進(jìn)行補(bǔ)償。

6.7 經(jīng)濟(jì)性分析

(1)高品質(zhì)蒸汽浪費(fèi)

高低壓旁路聯(lián)合供熱改造后，在旁路供熱系統(tǒng)投入時(shí)，高參數(shù)蒸汽經(jīng)高旁減溫減壓，直接流回鍋爐再熱器，再經(jīng)低壓旁路供熱減溫減壓器去往熱網(wǎng)供汽系統(tǒng)，該部分高溫高壓蒸汽無做功過程，經(jīng)歷兩次減溫減壓后被送往熱網(wǎng)，造成部分熱量的損失。

(2)機(jī)組煤耗影響

機(jī)組40%～50%負(fù)荷率之間，每降低1%，熱耗率增加48.5 kJ/kWh，改造后負(fù)荷降低3萬kW，影響負(fù)荷率10%，折算影響煤耗16.6 g/kWh，折算影響全天煤耗升高5.53 g/kWh。不利于電廠完成節(jié)能指標(biāo)。而且在鍋爐蒸發(fā)量不變情況下，投入旁路供熱系統(tǒng)不能有效提高機(jī)組供熱能力。

(3)廠用電率影響

機(jī)組負(fù)荷率在40%～50%之間，廠用電率增加1.5%，影響煤耗升高5.1 g/kWh。共計(jì)影響煤耗升高21.7 g/kWh。折算影響全天煤耗升高7.2 g/kWh。

(4)調(diào)峰收益影響

對(duì)于東北地區(qū)，根據(jù)東北監(jiān)能市場(chǎng)[2018]220號(hào)文件規(guī)定單機(jī)有償調(diào)峰，負(fù)荷率降在50%～40%最高補(bǔ)助0.4元，機(jī)組高、低壓旁路聯(lián)合供熱改造后，按照90天，每天調(diào)峰8 h計(jì)算，改造后，深調(diào)期間單機(jī)負(fù)荷可從150 MW降低至120 MW計(jì)算，有償調(diào)峰補(bǔ)助為864萬元。由于改造后綜合煤耗增加7.2 g/kWh，每噸標(biāo)煤按照500元計(jì)算，可得燃煤損失為31萬，所以整體調(diào)峰收益833萬元。

(5)社會(huì)環(huán)保效益

當(dāng)機(jī)組參與調(diào)峰時(shí)，整個(gè)電網(wǎng)新能源發(fā)電量相應(yīng)增加，減少了燃煤機(jī)組的燃煤量，仍按照720 h發(fā)電計(jì)算，整個(gè)調(diào)整周期新能源可多發(fā)2 160萬kWh，按照煤耗300 g/kWh計(jì)算，減少燃煤達(dá)6 480 t。此項(xiàng)每年可減少排放CO2約1.7萬t、NOx約50 t以及SOx約105 t。

7 總結(jié)

機(jī)組高低壓旁路聯(lián)合供熱改造既可以有效提高機(jī)組的調(diào)峰能力，提高電廠深度調(diào)峰時(shí)期收益；另一方面，盡管高、低壓旁路聯(lián)合供熱改造后，機(jī)組低負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)提高了機(jī)組煤耗，但降低了整個(gè)發(fā)電側(cè)的燃煤量，具有很高的社會(huì)環(huán)保效益。