適應(yīng)寬背壓供熱的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)性分析

許 琦，李文遠(yuǎn)

(國(guó)電電力發(fā)展股份有限公司，北京 100101)

近年來(lái)，我國(guó)城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，北方冬季民用采暖需求持續(xù)增大，熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)逐漸成為滿足供熱需求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的主要途徑[1].目前我國(guó)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱方式以抽汽供熱為主，供熱抽汽通常為中壓缸排汽，相比于熱網(wǎng)供熱溫度，抽汽參數(shù)較高，存在較大的節(jié)流損失.并且汽輪機(jī)排汽余熱通過循環(huán)水系統(tǒng)排放到環(huán)境中，造成能量浪費(fèi)[2].而高背壓供熱技術(shù)對(duì)汽輪機(jī)低壓缸排汽的余熱進(jìn)行回收供熱，可以實(shí)現(xiàn)能源的高效利用和循環(huán)利用[3-4]，符合國(guó)家節(jié)能減排的大政方針，也有利于緩解城市采暖供熱用能的矛盾.另一方面，對(duì)大型熱電機(jī)組余熱回收擴(kuò)大供熱能力在一定程度上減少了新建及擴(kuò)建熱源機(jī)組的數(shù)量，減少了一次能源的消耗量和排放量，具有很高的節(jié)能環(huán)保效益[5].

文獻(xiàn)[6-7]對(duì)150 MW機(jī)組高背壓改造采取雙轉(zhuǎn)子互換方案，機(jī)組熱耗率大幅度降低，汽輪機(jī)組試驗(yàn)熱效率達(dá)到94.87%.文獻(xiàn)[8]分析了回水溫度對(duì)高背壓供熱的影響，給出其適用范圍.文獻(xiàn)[9]對(duì)300 MW機(jī)組采用雙轉(zhuǎn)子互換技術(shù)改造后運(yùn)行工況經(jīng)濟(jì)性分析，指出高背壓供熱提升了機(jī)組供熱能力和經(jīng)濟(jì)性.文獻(xiàn)[10]研究了供回水溫度對(duì)高背壓供熱機(jī)組熱力性能的影響，表明在整個(gè)供熱期，高背壓供熱性能好于抽汽供熱.文獻(xiàn)[11]指出不同環(huán)境溫度對(duì)機(jī)組能耗的影響，確定高背壓供熱機(jī)組供熱期的最佳運(yùn)行方式.文獻(xiàn)[12]對(duì)高背壓機(jī)組的電熱特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)高背壓機(jī)組調(diào)峰能力較差；但在給定供熱量時(shí)，高背壓供熱具有較好的供熱經(jīng)濟(jì)性.

高背壓供熱改造回收乏汽余熱，提升供熱能力，而由此導(dǎo)致機(jī)組的調(diào)峰能力受到限制的解決方法則少有提及.本文在傳統(tǒng)高背壓供熱改造的基礎(chǔ)上，提出適應(yīng)冬季高背壓余熱供熱和夏季凝汽工況運(yùn)行的寬背壓低壓轉(zhuǎn)子解決方案，增加高低壓旁路改造保證機(jī)組調(diào)峰能力不受改造限制，提出較合理的全廠供熱改造方案，對(duì)其安全經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析.

1 高背壓供熱系統(tǒng)流程

汽輪機(jī)高背壓運(yùn)行余熱供熱是指在采暖期提高凝汽器的背壓和排汽溫度，利用排汽余熱直接加熱熱網(wǎng)循環(huán)水.其系統(tǒng)流程如圖1所示，熱網(wǎng)循環(huán)水首先進(jìn)入凝汽器進(jìn)行加熱，吸收低壓缸排汽余熱，再進(jìn)入首站熱網(wǎng)加熱器，利用抽汽進(jìn)行第二次加熱，生成高溫?zé)崴┙o熱網(wǎng)用戶使用，釋放熱量后回到凝汽器，形成一個(gè)完整的循環(huán)水路.在供熱初期和末期，供熱負(fù)荷較低，僅用排汽余熱就能滿足供熱需求，無(wú)需抽汽進(jìn)行第二次加熱.在供熱嚴(yán)寒期，供熱負(fù)荷大，供水溫度要求較高，熱網(wǎng)水需經(jīng)排汽和抽汽進(jìn)行加熱后才能滿足供熱需求[13].

圖1 機(jī)組高背壓供熱示意圖

2 寬背壓低壓轉(zhuǎn)子解決方案

2.1 改造前機(jī)組介紹

國(guó)電電力大連開發(fā)區(qū)熱電廠2臺(tái)350 MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組為濕冷抽凝機(jī)組，機(jī)組技術(shù)參數(shù)如表1所示.

表1 機(jī)組基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.2 寬背壓低壓轉(zhuǎn)子方案

濕冷機(jī)組設(shè)計(jì)背壓較低，若進(jìn)行高背壓供熱改造，為保證機(jī)組安全性，需在采暖期更換適應(yīng)高背壓的汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子；在非采暖期仍采用原低壓缸轉(zhuǎn)子來(lái)保證機(jī)組的效率.機(jī)組需要每年停機(jī)2次來(lái)更換低壓轉(zhuǎn)子，檢修維護(hù)工作量較大，每次工期近20天維護(hù)費(fèi)用較高.

寬背壓低壓轉(zhuǎn)子方案是將汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子更換為重新設(shè)計(jì)加工的新型低壓缸轉(zhuǎn)子，在滿足冬季高背壓采暖要求的同時(shí)，兼顧純凝低背壓運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，冬夏季低壓缸轉(zhuǎn)子無(wú)需更換.新型低壓轉(zhuǎn)子的研制在不限制機(jī)組出力的情況下，以10 kPa作為設(shè)計(jì)背壓進(jìn)行低壓通流及葉型設(shè)計(jì).

新型低壓轉(zhuǎn)子具備較強(qiáng)的安全可靠性，改造后在基本不影響夏季機(jī)組運(yùn)行能耗的基礎(chǔ)上，還可實(shí)現(xiàn)冬季高背壓供熱的需求，冬夏季無(wú)需停機(jī)切換轉(zhuǎn)子，但初始改造投資相對(duì)雙轉(zhuǎn)子改造投資略高.

2.3 寬背壓低壓轉(zhuǎn)子方案的關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 轉(zhuǎn)子剛度校核

因采暖期機(jī)組在高背壓方式下運(yùn)行，末級(jí)葉片工況較惡劣，末級(jí)葉片的安全可靠性極其重要，新設(shè)計(jì)低壓轉(zhuǎn)子采用由具有“無(wú)事故葉片”之稱的815葉片截短而成，長(zhǎng)度為712 mm，為抵抗?jié)衿治g，葉頂?shù)倪M(jìn)汽側(cè)進(jìn)行表面硬化處理，葉頂采用自帶骨性圍帶，葉身中間使用鰭子凸臺(tái)整圈連接，通過葉片圍帶和鰭子的摩擦阻尼作用，整圈連接后動(dòng)葉片的動(dòng)應(yīng)力只有單只自由葉片的1/5到1/10.葉根為斜直齒縱樹型葉根.

通過有限元法計(jì)算分析，葉片末級(jí)葉片型線部分的最大等效應(yīng)力為518 MPa，葉根處最大等效應(yīng)力為647 MPa，葉輪輪緣最大等效應(yīng)力為609 MPa.葉片材料工作溫度下的屈服極限為780 MPa，葉輪輪緣材料的屈服極限為670 MPa.等效應(yīng)力值都小于材料的屈服強(qiáng)度極限，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求.

對(duì)末級(jí)712動(dòng)葉片進(jìn)行了動(dòng)頻率測(cè)試分析，如圖2所示.由圖2可以看出，在機(jī)組轉(zhuǎn)速為2 820～3 090轉(zhuǎn)/分的工作區(qū)域內(nèi)，沒有三重點(diǎn)，說明機(jī)組在這個(gè)區(qū)域內(nèi)運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)三重點(diǎn)共振.實(shí)測(cè)結(jié)果表明末級(jí)712葉片振動(dòng)特性合格.

圖2 712 mm葉片的振動(dòng)頻率測(cè)試報(bào)告的坎貝爾圖

末級(jí)動(dòng)葉以安全可靠為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，又有嚴(yán)格的強(qiáng)度計(jì)算和動(dòng)頻實(shí)測(cè)結(jié)論來(lái)驗(yàn)證，在高背壓工況條件下712 mm葉片可確保安全運(yùn)行.

2.3.2 高低壓旁路供熱改造

機(jī)組進(jìn)行高背壓供熱改造后，為保證供熱能力，機(jī)組最低電負(fù)荷需要在60%負(fù)荷以上，機(jī)組調(diào)峰能力不能滿足電網(wǎng)大幅度調(diào)峰的需要，面臨電網(wǎng)處罰的風(fēng)險(xiǎn).采用高低旁路聯(lián)合供熱的方式進(jìn)行熱電解耦，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組在20%負(fù)荷工況下協(xié)調(diào)穩(wěn)定運(yùn)行、連續(xù)對(duì)外供熱，調(diào)峰能力增強(qiáng)，在采暖期也可參與電網(wǎng)深度調(diào)峰.

全廠1號(hào)機(jī)實(shí)施高背壓供熱改造，2號(hào)機(jī)采用高低壓旁路一定程度上實(shí)現(xiàn)熱電解耦，供熱流程如圖3所示.

圖3 全廠供熱系統(tǒng)圖

為提高機(jī)組故障情況下的應(yīng)急供熱保障能力，不低于規(guī)范要求的75%供熱能力，增加由2號(hào)機(jī)低壓旁路出口管道至1號(hào)、2號(hào)機(jī)中排抽汽聯(lián)絡(luò)管1號(hào)機(jī)側(cè)的管道.當(dāng)1號(hào)機(jī)組故障時(shí)，2號(hào)機(jī)組鍋爐在額定蒸發(fā)量下運(yùn)行，2號(hào)機(jī)組開啟高、低壓旁路系統(tǒng)，從主蒸汽管旁路抽取蒸汽至高壓旁路、經(jīng)給水減溫后、高旁出口管道蒸汽與高壓缸排汽匯集至再熱器，由再熱器加熱后的再熱蒸汽至低壓旁路，經(jīng)凝結(jié)水減溫后，低旁出口管道接出蒸汽引至1號(hào)機(jī)的熱網(wǎng)加熱器進(jìn)行換熱；在此工況下2號(hào)機(jī)中排抽汽至2號(hào)機(jī)熱網(wǎng)換熱器換熱.這樣2號(hào)機(jī)由低壓旁路出口蒸汽和中排抽汽共同匹配供熱、最高可提供熱負(fù)荷1 770 GJ/h.

改造后2號(hào)機(jī)組在保證供熱的前提下，電負(fù)荷可平穩(wěn)降至19.4%.經(jīng)測(cè)算，雙機(jī)總負(fù)荷350 MW即可滿足當(dāng)前1 300萬(wàn)平米的供熱需求，機(jī)組調(diào)峰能力顯著增強(qiáng).

3 節(jié)能減排效益分析

以大連某電廠高背壓改造為例，對(duì)機(jī)組改造前后的熱經(jīng)濟(jì)性及節(jié)能減排能力進(jìn)行分析評(píng)價(jià).

3.1 熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法

采用熱量法進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算如下：

汽輪機(jī)熱耗量

(1)

供熱熱耗量

(2)

供電熱耗量

Qtp(e)=Qtp-Qtp(h)，

(3)

發(fā)電熱效率

(4)

發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率

(5)

發(fā)電熱耗率

(6)

3.2 改造前后機(jī)組性能對(duì)比

3.2.1 供熱期機(jī)組經(jīng)濟(jì)性分析

在860 t/h進(jìn)汽工況下，機(jī)組改造前的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率為229.217 g/kWh，高背壓改造后，1號(hào)機(jī)乏汽和抽汽供熱負(fù)荷分布如圖4所示，熱初期和末期汽輪機(jī)乏汽供熱占比100%，嚴(yán)寒期一月供熱負(fù)荷高乏汽占比56%，整個(gè)供熱期供熱量一半以上由乏汽熱量承擔(dān)，熱源平均溫度降低，機(jī)組熱效率提升，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率與發(fā)電熱耗率大幅降低，如圖 5所示.改造后機(jī)組的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為144.966 g/kWh，與改造前相比機(jī)組降低84.2 g/kWh，發(fā)電熱耗率由改造前供熱期的5 821.621 kJ/kWh降至3 673.213 kJ/kWh，具有顯著的節(jié)煤效果.

3.2.2 非供熱期經(jīng)濟(jì)性

非供熱期平均負(fù)荷條件下改造前后機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性差異如表2所示.

經(jīng)核算對(duì)比，改造采用短葉片轉(zhuǎn)子在低負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于原長(zhǎng)葉片轉(zhuǎn)子：在夏季平均負(fù)荷220 MW(9 kPa)工況下，新轉(zhuǎn)子的低壓缸效率增加1.63%，機(jī)組熱耗下降47.1 kJ/kWh、供熱煤耗下降1.75 g/kWh；在春秋季平均200 MW(7 kPa)工況下，新轉(zhuǎn)子的低壓缸效率增加0.17%，影響機(jī)組熱耗下降11.0 kJ/kWh、發(fā)電煤耗下降0.4 g/kWh.維持機(jī)組發(fā)電出力不變的條件下，機(jī)組燃煤量共可減少838噸，節(jié)省燃煤成本50萬(wàn)元.

由此可知，采用短葉片轉(zhuǎn)子不會(huì)對(duì)機(jī)組的夏季出力造成影響，并且在低負(fù)荷工況條件下的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效果更優(yōu)，尤其適應(yīng)于非采暖期機(jī)組負(fù)荷率偏低的情況.

3.3 污染物排放量對(duì)比

2016-2017年采暖期1號(hào)機(jī)組采用高背壓方式運(yùn)行，如圖 6所示，采暖期機(jī)組煤耗下降84.2 g/kWh，熱耗率下降2 148.4 kJ/kWh.參照該煤耗下降值，1號(hào)機(jī)組按照采暖期發(fā)電量5.5億千瓦時(shí)計(jì)算，可節(jié)標(biāo)煤4.62萬(wàn)噸，煙塵排放量可減少9.8 t，二氧化硫排放量減少25.56 t，氮氧化物排放量減少40.08 t，采用短葉片轉(zhuǎn)子改造后機(jī)組節(jié)能減排的效果非常顯著.

圖6 機(jī)組改造前后污染物排放量

4 結(jié) 論

本文以大連開發(fā)區(qū)熱電廠高背壓改造為例，對(duì)改造前后機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能減排能力進(jìn)行分析對(duì)比，可以得出結(jié)論：

(1)采用寬背壓低壓轉(zhuǎn)子為高背壓供熱汽輪機(jī)改造提供了一種新的解決方案，寬背壓低壓轉(zhuǎn)子可以同時(shí)適應(yīng)冬季和夏季運(yùn)行工況；無(wú)需每年停機(jī)2次更換轉(zhuǎn)子，檢修和后期維護(hù)費(fèi)用降低，設(shè)備可靠性增加.

(2)2號(hào)機(jī)進(jìn)行高低壓旁路改造后，實(shí)現(xiàn)保證供熱能力的同時(shí)電負(fù)荷降至19.4%，機(jī)組調(diào)峰能力顯著增強(qiáng)，可在采暖期參與電網(wǎng)深度調(diào)峰.

(3)改造后汽輪機(jī)乏汽熱量回收，機(jī)組熱效率提升，改造后機(jī)組的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為144.966 g/kWh，與改造前相比降低84.2 g/kWh，采暖期節(jié)約標(biāo)煤4.62萬(wàn)噸，節(jié)能減排效果顯著.