300?MW直接空冷汽輪機(jī)高背壓供熱改造淺析

孫宏亮 韓全文 常嘉明

[摘? ? 要]火力發(fā)電是煤炭資源最高效的利用形式之一。然而，受環(huán)境條件和熱力學(xué)基本規(guī)律的約束，燃煤火力發(fā)電的能源轉(zhuǎn)換和利用效率僅能達(dá)到40%左右。直接空冷汽輪機(jī)的乏汽余熱回收可有效降低電廠散熱損失，提高電廠整體熱效率?；厥掌啓C(jī)乏汽余熱后將極大提高電廠的供熱能力。文章介紹300MW直接空冷汽輪機(jī)高背壓供熱的改造方案。

[關(guān)鍵詞]直接空冷;余熱回收;高背壓

[中圖分類(lèi)號(hào)]TM621 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）05–00–02

Brief Analysis on High Back Pressure Heating Reform

of 300 MW Direct Air-cooled Steam Turbine

Sun Hong-liang，Han Quan-wen，Chang Jia-ming

[Abstract]Thermal power generation is one of the most efficient forms of utilization of coal resources. However， subject to environmental conditions and the basic laws of thermodynamics， the energy conversion and utilization efficiency of coal-fired thermal power generation can only reach about 40%. The exhaust heat recovery of the direct air-cooled steam turbine can effectively reduce the heat dissipation loss of the power plant and improve the overall thermal efficiency of the power plant. After recovering the exhaust heat of the steam turbine， the heating capacity of the power plant will be greatly improved.

[Keywords]direct air cooling; waste heat recovery; high back pressure

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組將高品質(zhì)熱量用于發(fā)電，低品質(zhì)熱量用于供熱，可有效減少冷源損失，顯著提高能源轉(zhuǎn)換利用率，具有顯著的節(jié)能減排經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。大型空冷機(jī)組汽輪機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行的安全背壓可達(dá)到35 kPa，對(duì)應(yīng)的排汽溫度可達(dá)72 ℃左右。豐富的余熱能源，為構(gòu)建低位能供熱系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)[1]。遼寧調(diào)兵山煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“調(diào)兵山電廠”）于2014年將2臺(tái)300 MW凝汽機(jī)組改造為抽凝機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組額定抽汽量250 t/h，供熱能力180 MW，總供熱能力360 MW。同時(shí)，調(diào)兵山電廠還擁有兩臺(tái)6 MW背壓式汽輪發(fā)電機(jī)和4臺(tái)電蓄熱調(diào)峰鍋爐。該電廠承擔(dān)著沈陽(yáng)市法庫(kù)縣全部、遼寧省調(diào)兵山市部分供暖負(fù)荷。隨著社會(huì)發(fā)展，城市城區(qū)不斷擴(kuò)建、改造，電廠的供暖負(fù)荷在逐年增大。

1 總體改造方案

1.1 高背壓凝汽器改造

根據(jù)機(jī)組及熱負(fù)荷需求實(shí)際情況，調(diào)兵山電廠對(duì)2號(hào)機(jī)組進(jìn)行了高背壓供熱改造，改造后，熱網(wǎng)回水首先經(jīng)過(guò)2號(hào)機(jī)組高背壓凝汽器，利用2號(hào)機(jī)組乏汽潛熱加熱至70.5 ℃（35kPa）后，再供至熱電蓄熱與小機(jī)熱網(wǎng)站，最后再送至熱網(wǎng)站，加熱至所需溫度后，供至熱用戶(hù)。改造后供熱原理如圖1所示。

對(duì)于汽輪機(jī)空冷管道，在2號(hào)機(jī)組原有豎直的排汽管道上接出一根DN3200管道，接至熱網(wǎng)凝汽器蒸汽入口，新增乏汽管道上加裝電動(dòng)真空蝶閥，汽輪機(jī)額定背壓11 kPa，最高運(yùn)行背壓35 kPa。原空冷島兩根無(wú)閥門(mén)的支管，各增設(shè)一個(gè)電動(dòng)真空蝶閥。冬季采暖季時(shí)，將乏汽管道上的電動(dòng)蒸汽隔離閥打開(kāi)，部分乏汽通過(guò)管道進(jìn)入熱網(wǎng)凝汽器進(jìn)行冷凝供熱;夏季非采暖季時(shí)，關(guān)閉乏汽管道上的隔離閥，使熱網(wǎng)凝汽器隔絕，汽輪機(jī)所有排汽由空冷系統(tǒng)冷卻。

1.2 熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)改造

電廠熱網(wǎng)循環(huán)水回水管經(jīng)過(guò)高背壓凝汽器，加熱熱網(wǎng)循環(huán)水后分成3路，第一路進(jìn)入電蓄熱，加熱后送至熱網(wǎng)站，第二路通過(guò)一根DN700的管道送至小機(jī)熱網(wǎng)站，第三路為旁路管道，與第一路匯至一根DN800的管道至熱網(wǎng)站。在第一路和第三路設(shè)有調(diào)節(jié)閥，保證至電蓄熱和小機(jī)熱網(wǎng)站的熱網(wǎng)循環(huán)水流量為3000 t/h左右。

為保證凝結(jié)溫度不超標(biāo)，熱網(wǎng)回水引出一DN350的支路，用于冷卻2號(hào)機(jī)組凝結(jié)水，凝結(jié)水冷卻器冷卻水進(jìn)出水管道上均設(shè)點(diǎn)動(dòng)可調(diào)電動(dòng)門(mén)，可根據(jù)凝結(jié)水出口溫度進(jìn)行水量調(diào)節(jié)。

2 改造難點(diǎn)和解決辦法

2.1 小容積流量工況對(duì)排汽缸的影響

汽輪機(jī)末級(jí)排汽是影響排汽缸運(yùn)行的關(guān)鍵因素，汽輪機(jī)在高背壓工況下運(yùn)行，汽輪機(jī)末級(jí)處于小容積流量工況下，末級(jí)動(dòng)葉后根部出現(xiàn)渦流，脫流高度增加，出口流量分布發(fā)生改變，對(duì)排汽缸內(nèi)流場(chǎng)以及氣動(dòng)性能的影響不容忽視[2]。根據(jù)權(quán)威計(jì)算，當(dāng)汽輪機(jī)背壓升高到15 kPa（相對(duì)容積流量k=0.36）時(shí)，負(fù)攻角首先導(dǎo)致末級(jí)動(dòng)葉50%葉高截面前緣區(qū)域發(fā)生流動(dòng)分離，隨著流量的進(jìn)一步減小，流動(dòng)分離產(chǎn)生的渦逐漸增大;90%葉高處由于扭轉(zhuǎn)角度較大，負(fù)攻角的作用一直不大，但是壓力升高到25 kPa（相對(duì)容積流量k=0.23）時(shí)，開(kāi)始受到靜葉擴(kuò)壓和動(dòng)葉離心力產(chǎn)生的葉頂渦的影響，流場(chǎng)比較混亂[3]。

過(guò)小的容積流量可導(dǎo)致降低末級(jí)效率、葉片發(fā)生振顫甚至斷裂、低壓缸末級(jí)動(dòng)葉水侵蝕等一系列不利影響。為保證汽輪機(jī)末級(jí)的安全運(yùn)行，應(yīng)對(duì)高背壓供熱帶來(lái)的影響，對(duì)汽輪機(jī)的整體參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算。計(jì)算后得出汽輪機(jī)高背壓運(yùn)行工況圖如圖2所示。該曲線的繪制，將為汽輪機(jī)高背壓運(yùn)行提供指導(dǎo)性的依據(jù)，從而保證低壓缸的安全。

2.2 高背壓供暖對(duì)空冷島防凍的影響

東北地區(qū)的冬季環(huán)境溫度較低，對(duì)直接空冷機(jī)組帶來(lái)不小的安全隱患。汽輪機(jī)高背壓供熱改造后，大部分蒸汽進(jìn)入高背壓凝汽器，只有少量蒸汽進(jìn)入空冷島散熱，雖然空冷島各蒸汽列有閥門(mén)隔離，但大型蒸汽蝶閥的密封率只能做到97%左右，盡管閥門(mén)關(guān)閉，空冷島還是有少量蒸汽流通，極易發(fā)生空冷島冬季的惡劣事件，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)安全運(yùn)行。解決高背壓供熱后的空冷島防凍問(wèn)題一般有兩種：①空冷島部分蒸汽列采取關(guān)閉進(jìn)汽蝶閥、關(guān)閉抽真空閥、保持開(kāi)啟凝結(jié)水閥的方式備用。此種方法降低了空冷島發(fā)生凍結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)，但不適用于東北這樣的極寒天氣。②空冷島部分蒸汽列采取關(guān)閉進(jìn)汽蝶閥、關(guān)閉抽真空閥、關(guān)閉凝結(jié)水閥、破壞部分蒸汽列真空的方式。此種方法可以完全阻止蒸汽進(jìn)入空冷島，對(duì)于空冷島有著較高的防凍能力。調(diào)兵山電廠高背壓供熱改造后將六列空冷島其中的三列采取這種方式進(jìn)行防凍，另外三列利用風(fēng)筒防凍裝置、散熱片表面感溫電纜等手段進(jìn)行防凍。

2.3 改造后機(jī)組靈活性問(wèn)題

汽輪機(jī)高背壓供熱改造后，原則上回收汽輪機(jī)乏汽余熱越多、空冷島散熱量越小，對(duì)經(jīng)濟(jì)性越有力。但是，隨著時(shí)代的進(jìn)步與發(fā)展，新能源發(fā)電已日趨常態(tài)化，我國(guó)已擁有全球最大風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量。為了煤電和新能源之間可形成協(xié)作關(guān)系，目前國(guó)家電網(wǎng)對(duì)火電機(jī)組的靈活性要求在逐步增大。同時(shí)，供熱負(fù)荷也是根據(jù)環(huán)境溫度而設(shè)定的。汽輪機(jī)的排汽量多少與汽輪機(jī)負(fù)荷成正比，這樣，就會(huì)有汽輪機(jī)乏汽與供熱負(fù)荷不對(duì)應(yīng)的狀況出現(xiàn)。

為了調(diào)配電網(wǎng)靈活性和供熱負(fù)荷相適應(yīng)，仔細(xì)計(jì)算了汽輪機(jī)排汽和余熱回收的相關(guān)數(shù)據(jù)，得出汽輪機(jī)排汽壓力在20 kPa、35 kPa時(shí)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)比，見(jiàn)表1。

通過(guò)參數(shù)對(duì)比，汽輪機(jī)在180～250 MW時(shí)的運(yùn)行方式最經(jīng)濟(jì)。如果機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰，可適當(dāng)降低汽輪機(jī)背壓運(yùn)行，以滿(mǎn)足低壓缸安全性。同時(shí)，不足的供熱負(fù)荷可由另一臺(tái)汽輪機(jī)供熱抽汽和電蓄熱鍋爐補(bǔ)充。機(jī)組負(fù)荷調(diào)整時(shí)，由原來(lái)的單機(jī)調(diào)度方式調(diào)整為全廠調(diào)度方式。即優(yōu)先由臨機(jī)的抽凝機(jī)組調(diào)整。當(dāng)另一臺(tái)機(jī)組達(dá)到最大出力后，再由高背壓供熱機(jī)組增加負(fù)荷，負(fù)荷增加后根據(jù)熱負(fù)荷的多少調(diào)整汽輪機(jī)上島蒸汽量。

3 改造后的經(jīng)濟(jì)性

直接空冷機(jī)組高背壓供熱改造充分利用了機(jī)組余熱損失，提高了機(jī)組循環(huán)熱效率，通過(guò)采取保障措施，可以增加高背壓供熱改造的安全性[4]。通過(guò)高背壓供熱改造，調(diào)兵山電廠的供熱能力可由360 MW提高至538.5 MW，可替代供熱蒸汽247 t/h，供熱能力得到的極大的改善。高背壓供熱改造后回收了大部分汽輪機(jī)乏汽余熱，與常規(guī)抽汽供熱相比年節(jié)約標(biāo)煤4.8×104 t，增加的了電廠的能源轉(zhuǎn)化率，采暖季可實(shí)現(xiàn)降低發(fā)電標(biāo)煤80～100 g/kW·h。

4 結(jié)語(yǔ)

在全世界倡導(dǎo)低碳環(huán)保的大環(huán)境下，如何實(shí)現(xiàn)低能耗居民供暖或使用清潔能源供暖是當(dāng)代所研究的課題。如今火力發(fā)電廠的能源利用率僅為40%，剩余的60%能源以低品位熱源的方式散入外界環(huán)境中。不僅會(huì)產(chǎn)生能源浪費(fèi)，還會(huì)增加環(huán)境污染。汽輪機(jī)高背壓供熱的改造就是利用電廠的低品位熱源，改變汽輪機(jī)運(yùn)行方式，達(dá)到清潔、經(jīng)濟(jì)供熱的目的。通過(guò)詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析，找出直接空冷汽輪機(jī)高背壓供熱改造的難點(diǎn)，逐一解決，為同類(lèi)型機(jī)組的提效改造做出參考。

參考文獻(xiàn)

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