大同第二發(fā)電廠600MW亞臨界機(jī)組供熱改造

王文飛

（國家能源集團(tuán)國電電力大同發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 大同037000）

大同市作為山西省第二大城市，有著豐富的煤炭資源以及旅游資源。近年來，隨著城市的高速發(fā)展，作為城市建設(shè)的主要基礎(chǔ)設(shè)施集中供熱熱源需求急劇增長，大同第二發(fā)電廠作為大同市供熱主要熱源，面臨著資源約束、環(huán)境保護(hù)、市場競爭等多方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著國家節(jié)能減排要求的不斷提升，以及電力裝機(jī)容量過剩、利用小時(shí)數(shù)的逐年降低，火力燃煤發(fā)電企業(yè)機(jī)組單靠發(fā)電實(shí)現(xiàn)盈利的空間已很有限，在當(dāng)前日益嚴(yán)峻的經(jīng)營形勢下，積極發(fā)展供熱，轉(zhuǎn)型為熱電并重的綜合性企業(yè)，才是發(fā)電企業(yè)扭虧轉(zhuǎn)盈的有效手段[1]。

鑒于凝汽發(fā)電機(jī)組冬季實(shí)施高背壓循環(huán)水供熱技術(shù)已在國內(nèi)各大中城市得到普遍推廣與使用，為了將供熱能力最大化，大同第二發(fā)電廠將二期8號空冷機(jī)組進(jìn)行了低位能分級混合供暖技術(shù)改造，機(jī)組由正常背壓工況運(yùn)行改為高背壓供熱工況運(yùn)行。

1 機(jī)組供熱情況及熱負(fù)荷現(xiàn)狀

大同發(fā)電有限責(zé)任公司是大同市重要熱源點(diǎn)，總裝機(jī)容量3720MW，分三期建成。其中，一期6臺200MW超高壓機(jī)組，采用打孔抽汽供熱方式，最高供熱負(fù)荷550MW，最高供熱面積1130萬m2，供熱管線主干管DN1200，從廠區(qū)東北側(cè)接出，接至青年路管網(wǎng)主干線，至大同市區(qū)管網(wǎng)；二期建設(shè)2臺600MW亞臨界直接空冷機(jī)組，采用打孔抽汽供熱方式，最高供熱負(fù)荷535MW，最高供熱面積1100萬m2，供熱管線主干管DN1200，從廠區(qū)西側(cè)接出，沿魏都大道接至市區(qū)；三期建設(shè)2臺660MW超臨界直接空冷機(jī)組，采用熱泵（回收小機(jī)乏汽）基礎(chǔ)加熱、抽汽提質(zhì)加熱的供熱方式，最高供熱負(fù)荷640MW，最高供熱面積1300萬m2，三期東線供熱管主干管DN1200，從廠區(qū)東南側(cè)接出，沿著御河?xùn)|路向北敷設(shè)至御東新區(qū)。并在電廠三期擴(kuò)建端新增加了一條南線供熱主干管DN1400，最高可增加約15000t/h的熱網(wǎng)循環(huán)水量。

目前，電廠一、二、三期機(jī)組分別各自承擔(dān)供熱面積1000萬m2，全廠共計(jì)承擔(dān)供熱面積3000萬m2、年供熱量約1314萬GJ。根據(jù)大同市近些年的供熱規(guī)劃，2014年大同市建筑面積共9082萬m2。急需替代中小型燃煤鍋爐房和無采暖設(shè)施建筑面積1839萬m2。另外，城市總建筑面積以平均每年約600萬m2的速度增加，2015-2020年規(guī)劃期內(nèi)大同市還將新增建筑面積3498.23萬m2[1]。

2 空冷機(jī)組低位能分級混合供暖技術(shù)改造

空冷機(jī)組低位能分級混合供暖技術(shù)是將二期8號機(jī)排汽主管道上增設(shè)大口徑排汽旁路管道，將8號機(jī)組排汽全部引至新增的4臺高背壓熱網(wǎng)凝汽器，用于加熱各管線熱網(wǎng)循環(huán)水回水；同時(shí)對8號機(jī)抽汽蝶閥進(jìn)行改造，將8號機(jī)抽汽能力提高至400t/h以上。在三期擴(kuò)建端新建南線熱網(wǎng)首站，用于南線熱網(wǎng)循環(huán)水的尖峰加熱。其中空冷機(jī)組低位能分級混合供暖系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 空冷機(jī)組低位能分級混合供暖系統(tǒng)圖

此供熱系統(tǒng)新增高背壓熱網(wǎng)凝汽器，并在熱網(wǎng)凝汽器入口蒸汽管道上裝設(shè)大口徑真空電動蝶閥。并將各凝汽器排汽凝結(jié)水接至原空冷凝結(jié)水回水系統(tǒng)至機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)。為確保8號機(jī)精處理裝置的正常運(yùn)行，新增1臺凝結(jié)水換熱器，由熱網(wǎng)循環(huán)水將凝結(jié)水冷卻至60℃以下。對8號機(jī)導(dǎo)汽管蝶閥進(jìn)行改造，以增大其中排抽汽能力。

此系統(tǒng)在保證機(jī)組連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，維持汽輪機(jī)本體通流部分不改變，冬季供熱工況下使機(jī)組額定背壓提高到36kPa以上，同時(shí)空冷風(fēng)機(jī)全停。在供熱初末期，僅乏汽余熱就能使各管線供熱循環(huán)水回水加熱至72℃左右，基本滿足供熱需求；供熱嚴(yán)寒期，乏汽供熱不能滿足供熱需求，從中低壓聯(lián)通管抽汽作為尖峰熱源，二次加熱熱網(wǎng)水來增加熱負(fù)荷，階梯利用能量[1-3]。

3 熱網(wǎng)高背壓凝汽器應(yīng)用及對汽輪機(jī)運(yùn)行影響

空冷機(jī)組低位能分級混合供暖技術(shù)核心是熱網(wǎng)高背壓凝汽器的應(yīng)用，其中熱網(wǎng)高背壓凝汽器采用哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N-10000、N-15000高背壓凝汽器，外形如圖2所示，其結(jié)構(gòu)為單殼體、對分四流程，單背壓表面式，殼體和水室為全焊接結(jié)構(gòu)，在真空運(yùn)行條件下有足夠的剛度和穩(wěn)定性[3]。高背壓凝汽器冷卻水管管束采用先進(jìn)的塔式管束布置方案，減少了汽阻，同時(shí)提高換熱性能。高背壓供熱凝汽器可以滿足8號機(jī)組空冷風(fēng)機(jī)全停時(shí)機(jī)組高背壓運(yùn)行，在冬季供熱時(shí)8號機(jī)組600MW汽輪機(jī)改低真空運(yùn)行，當(dāng)機(jī)組背壓提高到36kPa，對應(yīng)的排汽溫度為73.4℃；空冷機(jī)組低壓缸為落地軸承，排汽溫度升高不會引起軸承標(biāo)高的變化；額定工況下，排汽溫度也不會超標(biāo)，低真空運(yùn)行不會對軸系造成影響。

圖2 高背壓凝汽器

在機(jī)組低真空運(yùn)行時(shí)，末葉處于高背壓條件下工作。背壓高，蒸汽比容減小，密度增大。高背壓下高密度的蒸汽激發(fā)的動應(yīng)力高。當(dāng)末葉在高背壓、小容積流量條件下運(yùn)行時(shí)，動葉根部出現(xiàn)脫流，出現(xiàn)負(fù)的速度分量，它與主流蒸汽相互作用形成渦流。渦流區(qū)不僅造成強(qiáng)烈的渦流損失，降低效率，而且會使葉片產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動，導(dǎo)致動應(yīng)力增加。葉片周圍非穩(wěn)定流場的氣動力與葉片振動之間相互耦合，葉片的振幅不斷加大，發(fā)生顫振，導(dǎo)致葉片的損壞。所以機(jī)組低真空運(yùn)行時(shí)，通過控制末葉的最小容積流量，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

實(shí)際運(yùn)行證明，排汽容積流量在設(shè)計(jì)容積流量的5%-25%范圍內(nèi)，葉片的動應(yīng)力很大，影響末級動葉的安全。但蒸汽流量如果減小到一定程度，低壓末級可能做負(fù)功，或者排汽為過熱蒸汽，排汽溫度可能超過80℃。所以必須保證最小容積流量，保證排汽最小容積流量在25%以上，同時(shí)排汽溫度不超過80℃。在進(jìn)汽1328t/h（不抽汽）時(shí)，排汽開始為過熱蒸汽，排汽溫度達(dá)到79.1℃，而且該工況下低壓末級為微正功狀態(tài)，如果進(jìn)汽量再減少，低壓末級將會做負(fù)功處于鼓風(fēng)狀態(tài)。因此，1328t/h進(jìn)汽工況為機(jī)組最低負(fù)荷工況，這時(shí)機(jī)組負(fù)荷為408MW。在VWO工況3060t/h進(jìn)汽，背壓36kPa低真空供熱工況，機(jī)組最大出力為605MW。所以，在背壓36kPa時(shí)，機(jī)組安全運(yùn)行的負(fù)荷區(qū)間為408MW-605MW。

4 改造后機(jī)組能耗分析

供暖初末期，供熱負(fù)荷和供水溫度需求較低，理論上僅靠8號機(jī)組乏汽即可滿足供熱需求，其他機(jī)組均可純凝運(yùn)行。但考慮實(shí)際運(yùn)行過程需要，可按初末期，8號機(jī)組低位能乏汽僅將熱網(wǎng)循環(huán)水加熱至67℃左右，剩余4℃溫升由各機(jī)組的少量中排抽汽尖峰加熱。

極寒期二、三期乏汽供熱量比例為52.8%，二、三期機(jī)組平均供熱煤耗17.46kg/GJ，供熱電耗6.68kW·h/GJ，平均發(fā)電煤耗239.53g/kW·h。

供熱次寒期乏汽供熱比例65.8%，二、三期機(jī)組平均供熱煤耗14.77kg/GJ，供熱電耗5.83kW·h/GJ，平均發(fā)電煤耗250.23g/kW·h。

供熱初末期乏汽供熱比例89.6%，二、三期機(jī)組平均供熱煤耗7.46kg/GJ，供熱電耗4.6kW·h/GJ，平均發(fā)電煤耗264.06g/kW·h。

充分發(fā)揮8號機(jī)組低品位乏汽供熱，整個(gè)供暖季8號機(jī)組乏汽可以提供71%的供熱熱量，二、三期機(jī)組的平均供熱煤耗可降為13.08kg/GJ，供熱電耗5.61kW·h/GJ，供熱成本約為8.69元/GJ。在滿足4100萬m2供熱需求條件下，整個(gè)供暖季8號機(jī)乏汽提供的熱量占到二、三期機(jī)組總供熱量比例的71%，二、三期機(jī)組的平均供熱煤耗降為13.08kg/GJ。相比改前供熱，改造后電廠年節(jié)煤量20.36萬噸，二、三期供熱能力可以達(dá)到3660萬m2。

5 結(jié)論

（1）冬季供熱期間，機(jī)組空冷風(fēng)機(jī)全停，機(jī)組背壓提高到35kPa以上，不僅降低了廠用電，也在供熱期間降低煤耗，夏季通過投入一個(gè)高背壓凝汽器，能有效降低機(jī)組背壓，提高機(jī)組負(fù)荷攜帶能力。

（2）供熱期間，8號機(jī)組高背壓運(yùn)行機(jī)組安全運(yùn)行的負(fù)荷區(qū)間為408MW-605MW。

（3）在供熱初末期，供熱改造后僅乏汽余熱就能使各管線供熱循環(huán)水回水加熱至72℃左右，基本滿足了供熱需求。

（4）在理想情況下，改造后二、三期平均供熱煤耗降為13.08kg/GJ，供熱面積增加到3660萬m2。

（5）充分發(fā)揮8號機(jī)組低品位乏汽供熱，整個(gè)供暖季8號機(jī)組乏汽可以提供71%的供熱熱量，二、三期機(jī)組的平均供熱煤耗可降為13.08kg/GJ，供熱電耗5.61kW·h/GJ，供熱成本約為8.69元/GJ。