基于燃煤機(jī)組供熱改造方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究

徐偉軒

（華電電力科學(xué)研究院有限公司, 遼寧 沈陽(yáng) 110000）

0 引言

當(dāng)今國(guó)內(nèi)燃煤機(jī)組面臨著電負(fù)荷與熱負(fù)荷矛盾突出的問(wèn)題，機(jī)組供電能力大于求，但供熱量需求卻一直在增加，與之相關(guān)的供熱改造的研究逐漸成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。對(duì)于承擔(dān)供暖季民生之本的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，打破其熱電耦合關(guān)系是保障機(jī)組冬季熱源供給的關(guān)鍵[1-2]。

目前燃煤機(jī)組供熱改造的方式主要為旁路供熱改造、增加背壓汽輪機(jī)、高背壓改造、切缸改造等[3-5]。

旁路供熱改造一般分為汽輪機(jī)高低壓旁路聯(lián)合抽汽供熱和低壓旁路抽汽供熱兩種技術(shù)方案，聯(lián)合旁路抽汽是指利用高壓旁路將部分主蒸汽減溫減壓后送至高壓缸排汽，經(jīng)鍋爐再熱器加熱后，從低壓旁路（中壓缸進(jìn)口）抽汽對(duì)外供熱；低壓旁路抽汽是利用低壓旁路管道，直接引出部分再熱蒸汽對(duì)外供熱。汽輪機(jī)旁路供熱方案將部分做功蒸汽轉(zhuǎn)化為供熱蒸汽，降低了汽輪發(fā)電機(jī)組的強(qiáng)迫出力水平，提高了汽輪機(jī)的供熱能力，但由于將高品質(zhì)熱能用于供熱，存在一定的熱經(jīng)濟(jì)損失[6]。

增加背壓汽輪機(jī)能有效地利用蒸汽的高品位能量做功發(fā)電，低位能量用于供熱，減少了抽汽通過(guò)減壓減溫供熱，節(jié)流損失過(guò)大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了能量梯級(jí)利用。增加背壓汽輪機(jī)的供熱方式適用于蒸汽參數(shù)等級(jí)較高，與用戶側(cè)熱負(fù)荷需求參數(shù)不匹配，造成了高品位能量的損失的情況。但其改造投資成本高，回報(bào)周期較長(zhǎng)[7]。

高背壓改造能有效地利用蒸汽的高品位能量做功發(fā)電，低位能量用于供熱，減少了抽汽通過(guò)減壓減溫供熱，節(jié)流損失過(guò)大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了能量梯級(jí)利用。而且高背壓工況下驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生電量并入廠用電系統(tǒng)，能夠顯著降低廠用電率。但其調(diào)峰能力有限，而且需要每年更換2次低壓缸轉(zhuǎn)子，運(yùn)行維護(hù)不便[8]。

切缸改造又稱“切除低壓缸進(jìn)汽供熱技術(shù)”，是指在調(diào)峰期間，切除低壓缸全部進(jìn)汽用于供熱，僅通入少量的冷卻蒸汽，使低壓缸在高真空條件下“空轉(zhuǎn)”，實(shí)現(xiàn)低壓缸“零出力”運(yùn)行，從而降低汽輪發(fā)電機(jī)組強(qiáng)迫出力水平，增加機(jī)組的調(diào)峰能力；并且由于排汽全部用于供熱，消除了冷源損失，具有良好的供熱經(jīng)濟(jì)性[9-10]，目前該項(xiàng)供熱改造技術(shù)已在東北區(qū)域、華北區(qū)域、西北區(qū)域的電廠廣泛使用[11-12]。但為了將低壓缸鼓風(fēng)所產(chǎn)生的熱量帶走，需要一直開(kāi)啟排汽缸噴水減溫系統(tǒng)，大量蒸汽回流沖刷葉片出汽側(cè)會(huì)造成汽蝕，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，削弱葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[13-14]。

目前各種供熱改造方式的效果不同，其應(yīng)用的場(chǎng)合也不同，針對(duì)不同供熱需求進(jìn)行改造才是硬道理[15]。本文通過(guò)對(duì)某類(lèi)型300 MW燃煤機(jī)組的高背壓改造和切缸改造這兩種供熱改造方式進(jìn)行模型分析，比較機(jī)組改造前后的供熱量等數(shù)據(jù)，總結(jié)供熱改造的經(jīng)濟(jì)效果。對(duì)今后相同類(lèi)型的燃煤機(jī)組供熱改造具有借鑒意義。

1 機(jī)組供熱量計(jì)算模型

某類(lèi)型300 MW燃煤機(jī)組原設(shè)計(jì)為單軸、高中壓合缸、低壓缸雙分流、亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽、抽汽凝汽器式汽輪機(jī)。熱網(wǎng)加熱蒸汽汽源由汽輪機(jī)中壓缸末級(jí)引出。額定采暖工況蒸汽壓力為0.4 MPa，蒸汽溫度264 ℃，壓力調(diào)整范圍0.25～0.55 MPa。該類(lèi)型汽輪機(jī)組冬季供熱熱力系統(tǒng)圖如圖1所示。

1.1 機(jī)組抽汽供熱模型

該機(jī)組在供暖期，機(jī)組運(yùn)行方式為以熱定電，即首先滿足供熱要求，根據(jù)熱負(fù)荷的變化來(lái)調(diào)整機(jī)組的發(fā)電功率。采暖供熱采用二級(jí)換熱閉式循環(huán)系統(tǒng)，在廠內(nèi)設(shè)一級(jí)換熱站，用汽機(jī)抽汽將熱網(wǎng)循環(huán)水加熱，在熱用戶附近設(shè)二級(jí)換熱站，用高溫?zé)峋W(wǎng)循環(huán)水加熱二次循環(huán)水向用戶供熱。

機(jī)組抽汽供熱模型圖如圖2所示，機(jī)組抽汽供熱的汽側(cè)為汽輪機(jī)抽汽直接進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器進(jìn)行加熱，疏水回至凝汽器。水側(cè)為熱網(wǎng)回水加熱后成為一級(jí)熱網(wǎng)供水。

圖2 機(jī)組抽汽供熱模型圖Fig.2 Model diagram of unit steam extraction heating

供熱量計(jì)算公式[16]：

式中-：

Q供熱量(kJ/h)；

H1-進(jìn)水焓(kJ/kg)；

H2-出水焓(kJ/kg)；

q-水流量(t/h)。

1.2 機(jī)組高背壓供熱模型

機(jī)組高背壓供熱模型圖如圖3所示。對(duì)該類(lèi)型燃煤機(jī)組進(jìn)行高背壓改造，實(shí)現(xiàn)了純凝工況與供熱工況低壓缸雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換。非供熱期機(jī)組以抽汽凝汽方式運(yùn)行，供熱期間機(jī)組以抽汽凝汽背壓方式運(yùn)行。水網(wǎng)供熱采用串聯(lián)式兩級(jí)加熱系統(tǒng)：即熱網(wǎng)循環(huán)水回水首先經(jīng)過(guò)機(jī)組凝汽器進(jìn)行第一級(jí)加熱，吸收低壓缸排汽余熱，然后再經(jīng)過(guò)機(jī)組熱網(wǎng)加熱器完成第二級(jí)加熱，高溫?zé)崴ㄟ^(guò)水網(wǎng)供水管道送至廠外換熱站換熱供向熱用戶。高溫?zé)崴?jīng)熱用戶換熱降溫后，通過(guò)熱網(wǎng)回水管回至機(jī)組凝汽器，構(gòu)成一個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)。

圖3 機(jī)組高背壓供熱模型圖Fig.3 Model diagram of unit steam high back pressure heating

機(jī)組高背壓供熱的熱網(wǎng)水加熱形式為梯級(jí)加熱，首先由汽機(jī)排汽在凝汽器中進(jìn)行第一級(jí)加熱，然后熱網(wǎng)水分流一部分去其他機(jī)組，另一部分進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器由汽輪機(jī)抽汽進(jìn)行第二級(jí)加熱。

供熱量計(jì)算公式：

式

QA中 --

：高背壓方式供熱量(kJ/h)；

HA1-凝汽器進(jìn)水焓(kJ/kg)；

HA2-凝汽器出水焓(kJ/kg)；

HA3-加熱器進(jìn)水焓(kJ/kg)；

HA4-加熱器出水焓(kJ/kg)；

qA1-凝汽器水流量(t/h)；

qA2加熱器水流量(t/h)。

1.3 機(jī)組切缸供熱模型

機(jī)組切缸供熱模型圖如圖4所示。對(duì)該類(lèi)型燃煤機(jī)組進(jìn)行切缸改造，實(shí)現(xiàn)了純凝工況與供熱工況低壓缸切除互換。非供熱期機(jī)組以抽汽凝汽方式運(yùn)行，供熱期間機(jī)組以切缸方式運(yùn)行。供熱汽源分為兩部分對(duì)熱網(wǎng)進(jìn)行加熱：其中機(jī)組切缸汽源供給大容量熱網(wǎng)加熱器，直接加熱熱網(wǎng)回水，高溫?zé)崴ㄟ^(guò)水網(wǎng)供水管道送至廠外換熱站換熱供向熱用戶。另外機(jī)組抽汽與其他機(jī)組的小容量熱網(wǎng)加熱器相連，作為其他機(jī)組供熱的補(bǔ)充汽源。

圖4 機(jī)組切缸供熱模型圖Fig.4 Model diagram of unit steam cylinder cutting heating

機(jī)組切缸供熱的熱網(wǎng)水分別在兩個(gè)熱網(wǎng)加熱器中進(jìn)行加熱，其中一個(gè)加熱器的汽源為切缸供汽，另一個(gè)加熱器的汽源為汽輪機(jī)抽汽，兩個(gè)熱網(wǎng)加熱器的出水匯合后作為一級(jí)熱網(wǎng)供水。

供熱量計(jì)算公式：

式中-：

QB-切缸方式供熱量(kJ/h)；

HB1加熱器1進(jìn)水焓(kJ/kg)；

HB2--加熱器1出水焓(kJ/kg)；

HB3-加熱器2進(jìn)水焓(kJ/kg)；

HB4-加熱器2出水焓(kJ/kg)；

qB1-加熱器1水流量(t/h)；

qB2加熱器2水流量(t/h)。

2 某類(lèi)型 300 MW 機(jī)組供熱量計(jì)算

對(duì)該類(lèi)型300 MW燃煤機(jī)組供熱期試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并分別對(duì)未改造機(jī)組抽汽供熱、機(jī)組高背壓改造供熱、機(jī)組切缸改造供熱建立模型進(jìn)行供熱量計(jì)算。

2.1 未改造機(jī)組抽汽供熱量計(jì)算

該類(lèi)型300 MW燃煤機(jī)組出廠為抽凝式供熱機(jī)組，抽汽進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器對(duì)熱網(wǎng)水進(jìn)行加熱。

首先對(duì)其額定鍋爐蒸發(fā)量下最大供熱量進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)由于機(jī)組中部分蒸汽抽出進(jìn)行供熱，汽輪機(jī)無(wú)法達(dá)到純凝工況，能達(dá)到的最大負(fù)荷為250 MW。此工況下熱網(wǎng)加熱器進(jìn)水溫度為61 ℃，熱網(wǎng)加熱器出水溫度為91 ℃，水流量為7 253 t/h，壓力為1.34 MPa，根據(jù)公式（1）計(jì)算得出供熱量為912 064 750 kJ/h，約為912 GJ/h。

然后取其160 MW負(fù)荷時(shí)進(jìn)行供熱量計(jì)算，此工況下熱網(wǎng)加熱器進(jìn)水溫度為60 ℃，熱網(wǎng)加熱器出水溫度為90 ℃，水流量為2 850 t/h，壓力為1.05 MPa，根據(jù)公式（1）計(jì)算得出供熱量為358 359 000 kJ/h，約為358 GJ/h。

2.2 機(jī)組高背壓改造供熱量計(jì)算

該類(lèi)型300 MW燃煤機(jī)組經(jīng)歷了高背壓改造，首先汽輪機(jī)排汽在凝汽器中加熱熱網(wǎng)水，然后抽汽進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器再對(duì)熱網(wǎng)水進(jìn)行二次加熱。取其160 MW負(fù)荷時(shí)進(jìn)行供熱量計(jì)算。此工況下凝汽器進(jìn)水溫度為49 ℃，凝汽器出水溫度為63 ℃，凝汽器水流量為12 270 t/h，壓力為0.16 MPa。熱網(wǎng)加熱器進(jìn)水溫度為63 ℃，熱網(wǎng)加熱器出水溫度為77 ℃，熱網(wǎng)加熱器水流量為6 310 t/h，壓力為1.04 MPa，根據(jù)公式（2）計(jì)算得出供熱量為1 088 486 500 kJ/h，約為1 088 GJ/h。

2.3 機(jī)組切缸改造供熱量計(jì)算

該類(lèi)型300 MW燃煤機(jī)組經(jīng)歷了切缸改造，中壓缸排汽直接進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器1加熱熱網(wǎng)水，另外機(jī)組抽汽進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器2對(duì)其他部分熱網(wǎng)水進(jìn)行加熱。該類(lèi)型300 MW機(jī)組供熱量如圖5所示。取其160 MW負(fù)荷時(shí)進(jìn)行供熱量計(jì)算。此工況下熱網(wǎng)加熱器1進(jìn)水溫度為42 ℃，熱網(wǎng)加熱器1出水溫度為75 ℃，熱網(wǎng)加熱器1水流量為6 650 t/h，壓力為0.78 MPa。熱網(wǎng)加熱器2進(jìn)水溫度為65 ℃，熱網(wǎng)加熱器出水溫度為76 ℃，熱網(wǎng)加熱器水流量為7 450 t/h，壓力為1.36 MPa，根據(jù)公式（3）計(jì)算得出供熱量為 1 261 113 000 kJ/h，約為 1 261 GJ/h。

圖5 該類(lèi)型300 MW機(jī)組供熱量Fig.5 Heating capacity of this type of 300 MW unit

3 供熱改造方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

根據(jù)三種供熱方案計(jì)算出的供熱量情況以及該地區(qū)供熱經(jīng)濟(jì)性系數(shù)，將燃煤機(jī)組三種供熱方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，具體情況如表1～表4所示。

表1 250 MW負(fù)荷下抽汽供熱與160 MW負(fù)荷下抽汽供熱比較Tab.1 Comparison between steam extraction heating under 250 MW load and steam extraction heating under 160 MW load

表4 切缸供熱與高背壓供熱比較Tab.4 Comparison between cylinder cutting heating and high back pressure heating

從表1、表2、表3可以看出，該類(lèi)型300 MW燃煤機(jī)組僅靠抽汽進(jìn)行供熱時(shí)，受電負(fù)荷制約很大，但經(jīng)歷過(guò)切缸供熱改造或高背壓供熱改造后，該問(wèn)題得以解決，在160 MW負(fù)荷時(shí)，相比改造前的抽汽供熱形式，供熱能力及經(jīng)濟(jì)性都得到大幅提升。從表4可以看出，切缸供熱與高背壓供熱相比較，供熱能力及經(jīng)濟(jì)性有一定優(yōu)勢(shì)，機(jī)組的供熱期調(diào)峰能力也更強(qiáng)，這是因?yàn)槿济簷C(jī)組經(jīng)過(guò)切缸改造后，排汽全部用于供熱，消除了冷源損失。供熱經(jīng)濟(jì)性差值比較圖如圖6所示。切缸供熱還具有切換靈活，汽輪機(jī)本體改造范圍小，改造費(fèi)用低，運(yùn)行維護(hù)成本低的優(yōu)勢(shì)。

表2 160 MW負(fù)荷下高背壓供熱與抽汽供熱比較Tab.2 Comparison between high back pressure heating and steam extraction heating under 160 MW load

表3 160 MW負(fù)荷下切缸供熱與抽汽供熱比較Tab.3 Comparison between cylinder cutting heating and steam extraction heating under 160 MW load

圖6 供熱經(jīng)濟(jì)性差值比較圖Fig.6 Comparison diagram of heating economy difference

4 結(jié)論

1）燃煤機(jī)組僅靠抽汽進(jìn)行供熱，其供熱量較低，且受電負(fù)荷制約很大，高電負(fù)荷時(shí)供熱量為低電負(fù)荷時(shí)的2～3倍。

2）燃煤機(jī)組經(jīng)過(guò)高背壓改造后，受電負(fù)荷制約情況改善明顯，相同電負(fù)荷情況下，與僅靠抽汽進(jìn)行供熱的機(jī)組相比供熱量明顯增加。

3）燃煤機(jī)組經(jīng)過(guò)切缸改造后，增加了機(jī)組的調(diào)峰能力，受電負(fù)荷制約較小，相同電負(fù)荷情況下，供熱量與僅靠抽汽進(jìn)行供熱的機(jī)組相比大幅增加。

4）機(jī)組經(jīng)過(guò)高背壓改造、切缸改造后，供熱期調(diào)峰能力增強(qiáng)，相同電負(fù)荷下其供熱量增加到原來(lái)的3～4倍。

5）燃煤機(jī)組經(jīng)過(guò)切缸改造后，排汽全部用于供熱，消除了冷源損失，相同電負(fù)荷情況下，供熱量與高背壓改造的機(jī)組相比更大，具有良好的供熱經(jīng)濟(jì)性。