基于優(yōu)化能級(jí)匹配的高效熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)型技術(shù)研究

田志強(qiáng)， 羅方， 薛軍， 鄭建

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川德陽(yáng)， 618000）

1 前言

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組能有效實(shí)現(xiàn)熱能的梯級(jí)利用，具有節(jié)能、 環(huán)保等綜合效益。 經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展，目前我國(guó)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組規(guī)模約占火電裝機(jī)規(guī)模的32%～35%。 隨著電力構(gòu)成的變化和技術(shù)換代升級(jí)，傳統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)型與當(dāng)下市場(chǎng)需求相比， 存在以下問(wèn)題： （1）機(jī)組內(nèi)效率低， 經(jīng)濟(jì)效益差。 采暖限價(jià)政策導(dǎo)致企業(yè)積極性不高。 （2） 區(qū)域性用電、用熱矛盾。 傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組按照 “以熱定電”模式運(yùn)行， “熱電解耦” 困難， 占用了較大的發(fā)電份額， 不利于消納風(fēng)電等可再生能源。 （3）背壓機(jī)發(fā)展受限較多。 眾多工業(yè)園區(qū)籌建時(shí)， 用汽企業(yè)希望熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組具備供熱能力后投資建設(shè)。而背壓機(jī)需達(dá)到一定熱負(fù)荷時(shí)才能運(yùn)行， 故存在建成后設(shè)備閑置的巨大風(fēng)險(xiǎn)， 滯緩了背壓機(jī)的發(fā)展。 基于上述問(wèn)題， 公司規(guī)劃研發(fā)了基于優(yōu)化能級(jí)匹配及具備大范圍熱電解耦能力的高效能供熱機(jī)型系列及改造技術(shù)。 通過(guò)機(jī)型總體方案創(chuàng)新及關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)， 提高了機(jī)組熱電負(fù)荷解耦及參與調(diào)峰的能力， 為能源產(chǎn)業(yè)升級(jí)和環(huán)境治理提供有力的技術(shù)支撐。

2 機(jī)型總體方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)

受限于傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)型的自身特性， 存在供熱參數(shù)匹配不合理， 熱電負(fù)荷解耦能力差（以熱定電）等問(wèn)題。 影響了企業(yè)的運(yùn)行效益和電網(wǎng)消納風(fēng)電等新能源， 在運(yùn)行的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組存在著改造升級(jí)及機(jī)型換代的巨大需求。 開(kāi)發(fā)基于優(yōu)化能級(jí)匹配的高效能熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)型系列及改造技術(shù)，機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性能得到較大提升， 熱電解耦范圍擴(kuò)大； 有效提升熱電企業(yè)盈利能力， 并解決供暖期熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組占據(jù)過(guò)大發(fā)電份額造成的棄風(fēng)等現(xiàn)象。 具體技術(shù)創(chuàng)新有以下幾個(gè)方面。

2.1 高效“凝-抽-背” 系列供熱機(jī)型研發(fā)

目前采暖供熱所用的機(jī)型主要有抽凝機(jī)和背壓機(jī)兩大類。 傳統(tǒng)抽凝機(jī)的供熱能力及運(yùn)行靈活性， 主要受低壓缸運(yùn)行安全性的限制。 在最大采暖工況運(yùn)行時(shí)， 低壓缸必須留有最小冷卻流量。主要是因?yàn)槠啓C(jī)末級(jí)動(dòng)葉片在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，容積流量減小， 動(dòng)葉片根部和頂部出現(xiàn)渦流區(qū)從而誘發(fā)顫振， 動(dòng)應(yīng)力增加影響機(jī)組安全運(yùn)行。 采用高、 中壓模塊與低壓模塊雙軸布置或中、 低壓模塊間設(shè)置自同步離合器的 “凝-抽-背” 的機(jī)型方案。 該類型機(jī)組可在運(yùn)行中可將低壓模塊切除，最小冷卻流量中的絕大部分轉(zhuǎn)作采暖供熱流量，基本實(shí)現(xiàn)零冷源損失。 當(dāng)?shù)蛪耗K退出運(yùn)行后，整個(gè)高中壓模塊即按照 “以熱定電” 的背壓機(jī)模式運(yùn)行， 中壓末級(jí)動(dòng)葉短， 不易出現(xiàn)小容積流量下的顫振問(wèn)題， 隨著熱負(fù)荷下降， 電功率可進(jìn)一步降低， 因而獲得了超出傳統(tǒng)抽凝機(jī)組的熱電解耦范圍。 而傳統(tǒng)抽凝機(jī)組通常需在50%以上電負(fù)荷時(shí)， 才具備對(duì)外供熱能力。 該類 “凝-抽-背”機(jī)組根據(jù)熱負(fù)荷的大小， 可在純凝、 抽凝、 背壓3種模式下在線切換， 運(yùn)行靈活性大大提高。

針對(duì)不同的城市規(guī)模， 30～350 MW 功率等級(jí)機(jī)組基本可滿足不同的供熱量需求。 以10 萬(wàn)人口左右的中小城鎮(zhèn)為例， 可選擇30～70 MW 高效“凝-抽-背” 機(jī)組， 替代散煤燃燒及小型鍋爐的供熱模式， 落實(shí) “全面實(shí)施散煤綜合治理， 推進(jìn)北方地區(qū)冬季清潔取暖” 的政策要求。

基于優(yōu)化能級(jí)匹配的理念， 蒸汽壓力與溫度匹配不需沿用傳統(tǒng)的高壓、 超高壓、 亞臨界、 超（超） 臨界的管理， 根據(jù)具體供熱參數(shù)的需求及提高整體循環(huán)效率的需要進(jìn)行合理搭配， 如采用亞臨界升溫、 超高壓超高溫等。 該類型機(jī)組采用了小型、 快裝的模塊化設(shè)計(jì)， 極大縮短了廠房投資及電建周期； 配套低壓缸可采用軸排、 側(cè)排等形式， 以降低廠房高度， 有利于整體工程的去工業(yè)化設(shè)計(jì)。

2.2 高效能再熱型背壓機(jī)研發(fā)

目前在運(yùn)行的背壓機(jī)普遍采用中壓至超高壓的蒸汽參數(shù)， 整體循環(huán)效率較低。 而興建的大火電機(jī)組普遍采用高效超超臨界參數(shù)（28 MPa/600 ℃/620 ℃以上）， 技術(shù)水平及循環(huán)效率存在較大的代差。 若背壓機(jī)也采用再熱機(jī)型， 并將參數(shù)提升至亞臨界至超臨界； 則相當(dāng)于在傳統(tǒng)的次高壓背壓機(jī)（進(jìn)汽參數(shù)5.0 MPa， 溫度435～460 ℃） 基礎(chǔ)上增加一個(gè)超臨界參數(shù)的前置熱力循環(huán)， 整體循環(huán)效率大大提高。

針對(duì)工業(yè)園區(qū)或其他工業(yè)用戶的具體參數(shù)需求， 可靈活選擇背壓機(jī)入口參數(shù)及是否帶再熱，選擇中壓調(diào)節(jié)閥、 座缸閥、 旋轉(zhuǎn)隔板等參調(diào)方案，可實(shí)現(xiàn)雙抽、 單抽的供熱要求； 實(shí)現(xiàn)能級(jí)匹配更為合理的供汽方案。

背壓機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。 由于大部分背壓機(jī)對(duì)外供汽用于工業(yè)工藝流程， 很少有凝結(jié)水返回。 因此在背壓機(jī)運(yùn)行時(shí)， 常常用壓力相對(duì)較高的排汽減壓后加熱大量低溫的化學(xué)補(bǔ)給水，過(guò)大的換熱溫差必然造成有效能損失。 基于優(yōu)化能級(jí)匹配的理念， 高效能再熱背壓機(jī)在原排汽供熱處之后增設(shè)低壓級(jí)次， 利用壓力更低的回?zé)岢槠訜嵫a(bǔ)給水， 提高整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2.3 供熱機(jī)組低壓缸零功率改造技術(shù)研發(fā)

傳統(tǒng)抽凝機(jī)組在最大供熱工況運(yùn)行時(shí)， 低壓缸需留有最小冷卻流量。 低壓缸末葉長(zhǎng)期在小容積流量下運(yùn)行， 動(dòng)應(yīng)力水平上升， 安全性也隨之降低。 且該部分蒸汽因流量相對(duì)較小， 在低壓缸做功效率極低， 蒸汽不能利用， 且浪費(fèi)循環(huán)水泵功率， 熱耗與背壓機(jī)相差甚大。 采用低壓缸零功率的方案后， 僅需流過(guò)少量冷卻蒸汽（10～20 t/h），使得機(jī)組獲得了接近背壓模式運(yùn)行的能力， 供熱能力及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性顯著提升。 采用低壓缸零功率方案的機(jī)組， 在運(yùn)行方式上與 “凝-抽-背” 機(jī)型基本相同， 能有效解決目前三北地區(qū)采暖季供熱機(jī)組占據(jù)大量電負(fù)荷造成的大量棄風(fēng)現(xiàn)象。

低壓缸零功率改造方案實(shí)施便捷， 主要措施有： ①將常規(guī)供熱機(jī)組的聯(lián)通管供熱蝶閥更換為全密封性蝶閥， 并為蝶閥設(shè)計(jì)帶流量調(diào)節(jié)閥的平行小旁路； ②低壓末級(jí)葉片回流區(qū)域采用噴涂抗水蝕涂層技術(shù)， 保護(hù)末葉不被低壓缸噴水水滴回流過(guò)度侵蝕； ③優(yōu)化末級(jí)葉片的強(qiáng)度及氣動(dòng)設(shè)計(jì)，提高零功率工況運(yùn)行可靠性； ④增加葉片安全監(jiān)測(cè)， 優(yōu)化噴水及供熱運(yùn)行保護(hù)邏輯， 避免長(zhǎng)葉片停留在危險(xiǎn)負(fù)荷區(qū)域。

2.4 高背壓供熱技術(shù)研發(fā)

合理選擇低壓末級(jí)葉片或采用雙轉(zhuǎn)子互換方案， 并對(duì)凝汽器循環(huán)水管路進(jìn)行改造， 使機(jī)組具備高壓供熱能力。 對(duì)于濕冷地區(qū)的供熱機(jī)組改造，可采用雙轉(zhuǎn)子互換， 實(shí)現(xiàn)高背壓供熱。 針對(duì)北方的間冷供熱機(jī)組， 公司率先構(gòu)建適應(yīng)高背壓供熱的末葉系列， 推出了不需更換轉(zhuǎn)子即可兼顧采暖季高背壓運(yùn)行的供熱機(jī)型。 以新疆地區(qū)為例， 采暖季長(zhǎng)達(dá)6 個(gè)月， 采暖季過(guò)后即將進(jìn)入夏季高背壓季節(jié)， 一只較短末葉既能滿足采暖季高背壓運(yùn)行的安全性需要， 又有足夠的排汽面積， 保證夏季高背壓季節(jié)滿發(fā)銘牌功率。 該類型間冷供熱機(jī)組不需更換轉(zhuǎn)子， 無(wú)發(fā)電損失， 且運(yùn)行維護(hù)便利。

配套高背壓供熱機(jī)組的凝汽器可根據(jù)熱負(fù)荷大小， 采用單溫區(qū)、 雙溫區(qū)不同的設(shè)計(jì)方案。 采用單溫區(qū)設(shè)計(jì)的凝汽器， 采暖季運(yùn)行時(shí)有雙流程切換至四流程， 乏汽熱量全部回收， 實(shí)現(xiàn)零冷端損失。 雙溫區(qū)凝汽器的2 個(gè)溫區(qū)分別采用熱網(wǎng)水及循環(huán)水冷卻， 部分回收乏汽熱量， 存在一定冷端損失； 但雙溫區(qū)凝汽器在熱網(wǎng)故障時(shí)， 循環(huán)水投入仍能保證凝汽器單側(cè)運(yùn)行， 降低了故障停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

3 高效通流設(shè)計(jì)

該系列高效供熱機(jī)型開(kāi)發(fā)基于新一代“TIODR”高效通流智能優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)， 集成應(yīng)用了高效大功率超超臨界火電機(jī)組中研發(fā)的通流技術(shù)， 內(nèi)效率在上一代供熱機(jī)型基礎(chǔ)上提升顯著。

主要包括了高效葉型、 “小焓降、 低根徑、大葉高、 窄葉片” 的二次流控制理念、 控制葉頂反動(dòng)度的先進(jìn)流型等優(yōu)化技術(shù)。 特點(diǎn)如下：

（1）采用先進(jìn)的葉片型線設(shè)計(jì)手段和計(jì)算分析軟件， 自主研發(fā)了DAPL 高效沖動(dòng)式型線和DAPH高效反動(dòng)式型線。 試驗(yàn)結(jié)果證明自主研發(fā)的高效葉型系列具有氣動(dòng)性能佳， 葉型損失小， 攻角適應(yīng)性好， 變工況性能好等特點(diǎn)。

（2）采用小焓降、 多級(jí)次、 低根徑、 大相對(duì)葉高的設(shè)計(jì)理念， 實(shí)現(xiàn)整缸焓降優(yōu)化分配， 葉片采用混合加載流型、 可控渦設(shè)計(jì)的優(yōu)化技術(shù)， 最大限度降低二次流損失， 實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜的最優(yōu)匹配， 使通流級(jí)的綜合效率達(dá)到最優(yōu)。 自主建立的高精度多級(jí)空氣透平試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究和驗(yàn)證， 形成了完整的研發(fā)體系。

（3）通過(guò)大量試驗(yàn)研究， 進(jìn)行了各種典型密封結(jié)構(gòu)的全尺寸試驗(yàn)， 在此基礎(chǔ)上建立了高效通流密封設(shè)計(jì)體系。 根據(jù)需要選擇最佳汽封形式， 設(shè)計(jì)最優(yōu)化的間隙值， 滿足汽輪機(jī)安全性、 汽封可靠性和機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的要求， 保證汽輪機(jī)可靠運(yùn)行。

（4）應(yīng)用先進(jìn)的氣動(dòng)分析工具結(jié)合試驗(yàn)研究，對(duì)機(jī)組進(jìn)行全蒸汽流程的氣動(dòng)優(yōu)化。 綜合考慮通流中諸如： 進(jìn)排汽流道、 抽汽腔室、 汽封流道、前后端部汽封結(jié)構(gòu)等， 進(jìn)行流場(chǎng)和效率的評(píng)估，進(jìn)行必要的局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

由于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組可實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)有效利用的先天優(yōu)勢(shì)， 機(jī)組內(nèi)效率受重視程度不如大功率純凝發(fā)電機(jī)組。 目前設(shè)備供應(yīng)廠商技術(shù)水平良莠不齊， 公司應(yīng)用高效通流機(jī)組研發(fā)的系列熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)型， 勢(shì)必能帶動(dòng)熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)升級(jí)， 進(jìn)一步發(fā)揮熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的節(jié)能優(yōu)勢(shì)， 為國(guó)家推進(jìn)能源清潔高效利用提供有力的技術(shù)支撐。