某汽輪機排汽供熱改造的節(jié)能減排效益分析

田海龍

（山西京玉發(fā)電有限責任公司， 山西 朔州 037200）

0 引言

伴隨著中國城市的迅速擴張，建筑能源消耗占據(jù)著整個社會的約25.5%的比例，其中大約有40%是來自北方地區(qū)的冬季取暖需求。北方的主要供暖方法主要是熱電聯(lián)合供應的方式[1]。近些年，對供熱的需要日益增長，許多大中型城市的供熱設備的能力已經(jīng)接近滿載狀態(tài)，使用小規(guī)模煤炭燃燒器會帶來嚴重的環(huán)境問題。此外，新的大型熱力設施受到財務與施工周期等因素的影響，并且還需要考慮到環(huán)保方面的問題。但是對于大規(guī)模且高性能的熱力設備來說，其低壓蒸汽的汽化熱量并未被有效地回收并利用，反而以循環(huán)冷卻水的形式直接排放至空氣中，導致冷源浪費。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，這種冷源浪費可能超過燃料總熱量的39%，若將其中的剩余能量完全用于供熱，將會顯著提升設備的熱循環(huán)效能及供熱能力[2]。

為了滿足北方取暖需求，一種新型的熱力設備——高背壓循環(huán)水供熱機組應運而生。這種機器通常是由傳統(tǒng)的蒸發(fā)冷卻器或者全吸氣式的發(fā)動機改裝而來。自20 世紀80 年代開始，如沈陽市發(fā)電站、長春市供電公司這樣的大型能源供應機構就開始對這一技術展開了實驗性的研究工作；其規(guī)模覆蓋范圍包括6～50 MW 不等的大小型號，并且已經(jīng)成功地運營數(shù)年以上且表現(xiàn)出穩(wěn)定的性能狀況。90 年代后期，山東省動力研究所首先于濟南市黃河水電工廠的一號電機啟動了高背壓循環(huán)水供熱的改造和應用項目[3]。到了2013 年，中國電氣集團旗下的青州市火力發(fā)電場攜手哈工大的渦旋機械制造商共同完成了對于一臺三十萬千瓦級別的電動機的高背壓循環(huán)水供熱改造，并在實踐過程中積累了一些寶貴的實際操作技巧，從而也為進一步深入探討如何優(yōu)化更大功率級別引擎中的熱量回收利用提供了有力的支持作用。本文主要分析某汽輪機的高背壓供熱改造及節(jié)能減排效益[4]。

1 高背壓供熱工程汽輪機改造介紹

1.1 機組簡介

本文以某電廠的某號機組為研究對象，該機組由上海汽輪機公司生產(chǎn)，型號為C140.13.24/0.25/535/535的超高壓、中間再熱式、雙缸雙排汽、單軸、抽汽凝汽式汽輪機。該設備的主高壓和次高壓缸均為單層結構，主高壓部分包含了一個單獨的調速級，共有13 個壓力等級，并在第十級之后設置了一段抽汽送至1 號高壓加熱器。從高壓排出的大量蒸汽會經(jīng)過兩個排放出口被引導到再熱器，并從中提取出一部分作為第二臺高壓加熱的回熱蒸汽。然后，這些蒸汽會被引入到兩側分布著兩臺油驅動的中壓聯(lián)合汽門，接著它們會通過堅硬的進料管流入中壓部分。這個中壓部分包括13 個壓力級別，第七級以后設有三級的抽取蒸汽入口，它可以通向脫氧裝置；而在第十級后面則設立了四級的抽取蒸汽接口，這將會把蒸汽輸送到第四臺低壓加熱器。

雙流雙排汽在低壓缸內部分布，其中包括第六級（2×DN350）和第七級（2×DN500）的抽汽口。這些抽出的汽體被分別送入了位于凝汽器連接處的2 號低壓加熱器以及位于凝汽器內的1 號（內置式）低壓加熱器。

該機組配備了7 個回熱加熱器，其中包括2 個高加、1 個除氧器和4 個低加。在2 號低壓加熱器上裝有疏水泵，表1 所示為2 號汽輪機的主要技術參數(shù)。

表1 2 號汽輪機的主要技術參數(shù)

1.2 改造準則

2）在進行改造過程中，低溫外筒和低溫內筒的結構保持固定，而內筒原有的支承方法也未發(fā)生改動。各個管路連接的部位維持穩(wěn)定，葉輪跨度、軸系、渦輪與發(fā)電機之間的連接方法以及其所處的部位，還有現(xiàn)存的渦輪基礎等都沒有任何變化。改造后對于基礎載荷并無顯著影響。同時，汽輪機的每一個軸承座也是如此。

3）經(jīng)過優(yōu)化升級后，整個系統(tǒng)的設施都能夠適應高壓負荷和完全冷卻的工作狀態(tài)，并且可以實現(xiàn)高效且經(jīng)濟的使用。在執(zhí)行高壓負荷任務期間，低壓缸會產(chǎn)生一些熱量的損失，如果蒸汽排放溫度高于80 ℃，需要實施有效的、穩(wěn)定的降低溫熱的策略，以保證最大的蒸汽排放溫度不超過120 ℃，并嚴密監(jiān)控蒸汽排放溫度是否過高，從而保障機器正常運轉。

4）在設計低壓轉子葉片時，需要考慮到其背壓能夠達到47 kPa，并且能夠保證其安全穩(wěn)定的運行。同時，它的最大排汽量也是309 t/h。

5）在被移除的末端隔板槽部位添加兩個導流環(huán)，以保護末端隔板槽。同時，也為次級隔板增設了去濕環(huán)。

6）把低壓轉動前后聯(lián)軸器的液壓拉伸螺釘進行更換，以使安裝更簡便，加快裝配速度。

1.3 改造范圍

對低壓缸通流部分進行改造，主要范圍如下：改造時可采用舊低壓轉子；為確保改造后的最后兩級葉片的強度應符合標準，需對其進行強度測算，再添加去濕環(huán)兩套；最后兩級葉根需要做填充處理；添加兩套導流環(huán)；改造完成的低壓轉子需要測試其平衡性；對改造部分做持久性標記，例如，卸掉的葉片及隔板，轉子葉根槽，隔板槽等等。再認真記錄好轉子配重塊；采用低壓定子前后聯(lián)軸器對拉伸螺釘進行調換；后缸霧化噴水冷卻系統(tǒng)；修改DCS 控制系統(tǒng)中的連鎖防護、告警控制系統(tǒng)、相關裝置和元器件。

2 改造效果分析

2.1 汽輪機發(fā)電機組

2.1.1 發(fā)電功率

式中：Pe為汽輪機發(fā)電功率，kW；ΔHt為汽輪機理想比焓降，kJ/kg；D0為新蒸汽流量，kg/h；ηri為汽輪機機械效率；ηm為發(fā)電機效率；ηg為發(fā)電機內效率。

其次，優(yōu)化科技投入結構，提高對科技人才創(chuàng)新支持的力度和廣度。加大對重大項目資助力度，重點資助具有自主知識產(chǎn)權的科技人才及研究項目。加強對中青年科技創(chuàng)新人才發(fā)掘和培養(yǎng)，提高對青年人才科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的資助比例。加大職業(yè)教育和在職培訓投入力度，定期開展線上線下技術培訓活動。建立健全人才投入效果評估機制，不斷完善有利于人才結構優(yōu)化的投入政策。

2.1.2 抽汽供熱

式中：Qg為抽汽供熱負荷，MW；Dgc為供熱抽汽量，kg/h；hgc為供熱抽汽比焓，kJ/kg；hs為供熱疏水比焓，kJ/kg。

2.1.3 循環(huán)水供熱

式中：Qc為循環(huán)水供熱負荷，MW；hc為汽輪機排汽比焓，kg/h；hn為汽輪機凝結水比焓，kg/h；Dc為排汽量示，kg/h。

2.1.4 熱電廠的燃料利用率

式中：W 為熱電廠的總發(fā)電量，kW·h/h；Btp為煤耗量，kg/h；Qh為熱電廠的供熱量，kJ/h；Qnet為標準煤的低位發(fā)熱量，kJ/kg。

2.2 改造前后對比

改造后機組運行正常，其參數(shù)均達標。在額定負荷工作狀況和負荷105 MW 工作狀況下，抽凝機組改造成高背壓機組前后技術參數(shù)對比數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 改造前后主要技術參數(shù)對比

3 改造效益分析

3.1 機組項目節(jié)能量計算

當前的機組使用時長已經(jīng)達到4 073 h，如果按照滿載運轉（即75%的負荷）來計算的話，總計可達5 431 h。而對于位于山西地區(qū)的取暖設施來說，其供熱季長達五個月，因則該機組改造后的實際供暖工作時間為4 320 h，而在其他時段的工作時數(shù)則是1 111 h。同時，需要考慮到的是，該鍋爐效能高達90%，管線效能也達到了99%，并且工廠耗電量僅占12%。

改前純凝汽工況時，標煤耗為36 g/kW·h。

改后標煤耗：5 630.6 kJ/kW·h/0.90/0.99/（1%～12%）/29 307.6 kJ/kg=245 g/kW·h

改后降低煤耗：115 g/kW·h

全年平均煤耗：360×1 111/5 431+243×4 320/5 431=268.5 g/kW·h。

3.2 電廠發(fā)電節(jié)煤量計算

經(jīng)過對汽輪機的改造之后，盡管年度電力產(chǎn)出保持恒定，但根據(jù)2016—2020 年的數(shù)據(jù)計算，每個取暖季節(jié)的額外熱能供應增加了117.76 萬GJ，這使得整個工廠設備的全年電能消耗標準煤比率降低了5.1 g/kW·h。因此，整體上看，全廠機組年發(fā)電總節(jié)標煤量約為2.4 萬t。

3.3 電廠供熱收益

在汽輪機進行了改造之后，根據(jù)2016—2020 年間每個采暖季度的平均供熱量增加了117.76 萬GJ，并且躉售價格為30.57 元GJ，可以計算出年度供熱收益達到了3 600 萬元。

3.4 調峰收益

經(jīng)過高背壓的改造之后，發(fā)電機的實際最小電力負載可以被調節(jié)到大約8 萬，這符合了電廠對于火力發(fā)電設備深度調度的相關規(guī)定，從而能夠顯著地減輕企業(yè)的負擔和評估費用。僅僅在一季度的2017 年中，相比較于2016 年的第四季度，電廠分攤考核下降了大概530 萬元；而在增加了運轉模式的前提下，對比起2016 年的第一季度，電廠分攤考核大幅度減低，達到了大約135 萬元。

3.5 環(huán)保效益

通過實施高背壓改造，汽輪機的能源得以充分利用，發(fā)電設備的熱能消耗及無用熱量的排出大幅度降低，從而緩解河流的環(huán)境壓力，避免對該區(qū)域內的動植物造成生存危機，同時展現(xiàn)出積極的環(huán)境保護態(tài)度。此外，此項舉措也帶來了明顯的環(huán)保效果。經(jīng)過改造后，電力生產(chǎn)所需燃料煤炭的使用率有所降低，導致對外部空氣中的灰塵、SO2、NOx和CO2等有害物質的排放量急劇縮減，這有助于有效控制全球變暖現(xiàn)象的發(fā)生，并根據(jù)年節(jié)省標準煤2.4 萬噸的估計值計算，預計可以削減粉塵排污量達259.44 萬t，減少SO2排污量至115.72 t，NOx排污量到119.43 t，CO2排污量達到7.88 萬t。

4 結論

通過本文研究可以看出，該電廠的機組改造較為成功。此項創(chuàng)新在于充分利用了汽輪機排放的熱能來提供熱量，使得冷卻資源消耗減少至零，從而有效地降低了設備的使用燃料成本，擴大了集中的供暖區(qū)域，提升了聯(lián)合供熱的能量來源，并縮減小型加熱器數(shù)目，遵循“溫控匹配，多層次使用能源”的原則。鑒于當前部分北方地區(qū)的電力供應超過了實際需求的情況，如果熱電廠調度條件許可的話，可以滿足迅速上升的需求，解決近年來城市的供暖不足的問題。所以，采用高背壓循環(huán)水供熱方法是一種節(jié)能環(huán)保的方式，也是深入推進熱電聯(lián)產(chǎn)集中供暖的重要手段，同時還能確保設備的安全和高效運營，具有顯著的社會及經(jīng)濟價值。