張 波,邢培杰

(1．東北電力設(shè)計(jì)院,長春 130021;2．吉林省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院,長春 130022)

凝汽抽汽背壓式(NCB)機(jī)型是在凝汽抽汽式(NC)供熱機(jī)組的基礎(chǔ)上,本著增加機(jī)組供熱能力,同時(shí)減少機(jī)組冷源損失,提高電廠熱效率的目的而開發(fā)的新機(jī)型,其總體特點(diǎn)是抽汽量大、效率高,背壓運(yùn)行時(shí)幾乎無冷源損失。NCB機(jī)型是在常規(guī)凝汽抽汽350 MW機(jī)組高中壓部分與低壓部分之間加裝自動(dòng)同步離合器,適當(dāng)修改部分設(shè)計(jì)而形成。該機(jī)型具備凝汽、抽汽、背壓 3種運(yùn)行功能,根據(jù)供熱負(fù)荷的變化進(jìn)行切換,在供熱負(fù)荷超過抽汽模式的供出量時(shí),可以切除低壓機(jī)組,高中壓機(jī)組按背壓方式單獨(dú)運(yùn)行。

1 NCB機(jī)組布置方式與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1．1 軸系布置方式

以 350 MW超臨界 NCB機(jī)組為例,可以采用 2種軸系布置形式：一種為合軸,即高中壓缸與低壓缸通過3S自動(dòng)同步離合器連接,共同帶一臺(tái) 350 MW電機(jī);一種為分軸,即高中壓缸帶一臺(tái)發(fā)電機(jī),低壓缸帶一臺(tái)發(fā)電機(jī),2臺(tái)發(fā)電機(jī)總功率為 350 MW。

1．1．1 合軸布置方式

從汽機(jī)向電機(jī)看,汽輪機(jī)是順時(shí)針旋轉(zhuǎn),基礎(chǔ)上依次排布低壓缸、高中壓缸、電機(jī)。低壓缸與高中壓缸高壓排汽側(cè)聯(lián)接,電機(jī)與高中壓缸中壓排汽側(cè)聯(lián)接。低壓轉(zhuǎn)子與高中壓轉(zhuǎn)子通過3S離合器聯(lián)接,機(jī)組在抽凝或純凝工況運(yùn)行時(shí),3S離合器相當(dāng)于一個(gè)撓性連軸器;機(jī)組在背壓運(yùn)行時(shí),3S離合器脫開;機(jī)組從背壓改為抽凝運(yùn)行時(shí),通過聯(lián)通管上啟動(dòng)閥控制低壓轉(zhuǎn)子啟動(dòng),與高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同時(shí),3S離合器自動(dòng)嚙合。高中壓轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子通過剛性連軸器連接。

1．1．2 分軸布置方式

從汽機(jī)向發(fā)電機(jī)側(cè)看,汽輪機(jī)是順時(shí)針旋轉(zhuǎn),基礎(chǔ)上依次排布 125 MW發(fā)電機(jī)、低壓缸、高中壓缸、250 MW發(fā)電機(jī)。低壓缸與125 MW發(fā)電機(jī)剛性聯(lián)結(jié),250 MW發(fā)電機(jī)與高中壓缸中壓排汽側(cè)聯(lián)接。250 MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與高中壓轉(zhuǎn)子通過剛性連軸器連接聯(lián)接。機(jī)組在抽凝或純凝工況運(yùn)行時(shí),高壓汽輪機(jī)與低壓汽輪機(jī)同時(shí)工作;機(jī)組在背壓運(yùn)行時(shí),高壓汽輪機(jī)工作,低壓汽輪機(jī)停止運(yùn)行;機(jī)組從背壓改為抽凝運(yùn)行時(shí),通過聯(lián)通管上啟動(dòng)閥控制低壓汽輪機(jī)啟動(dòng) ,沖轉(zhuǎn) ,并網(wǎng)。

1．1．3 布置方式比較

2種軸系布置方式的比較如表1所示。2種方案的汽輪機(jī)油系統(tǒng)均采用電動(dòng)主油泵系統(tǒng)。高中壓部分和低壓部分均單獨(dú)設(shè)立一套控制啟動(dòng)裝置。分軸方案較合軸方案的配置和運(yùn)行操作復(fù)雜,占用更大的安裝空間,安裝和運(yùn)行費(fèi)用也高,因此本文推薦采用合軸布置方式。

表1 2種軸系布置方式的比較

1．2 合軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

NCB機(jī)組是以成熟的 350 MW機(jī)組為母機(jī)型,高、中壓通流部分采用反(沖)動(dòng)式結(jié)構(gòu)。高中壓缸可以設(shè)計(jì)成合缸結(jié)構(gòu),也可以設(shè)計(jì)成分缸結(jié)構(gòu)。中壓部分和低壓部分通過中低壓連通管連接,抽汽口設(shè)在連通管上。

連通管設(shè)置 3類閥門,分別起到關(guān)斷低壓汽輪機(jī)、啟動(dòng)調(diào)速和調(diào)整抽汽壓力的作用。連通管上設(shè)計(jì)有啟動(dòng)用的旁路管道,用于控制低壓汽輪機(jī)的啟動(dòng)、沖轉(zhuǎn)和定速。對(duì)于軸系采用合軸的布置方式時(shí),高中壓機(jī)組和低壓機(jī)組采用自動(dòng)同步離合器連接。

離合器安裝在抽汽背壓式機(jī)組機(jī)頭與低壓缸之間,離合器的輸入端與低壓汽輪機(jī)輸出法蘭連接,離合器輸出端與機(jī)組輸入法蘭連接,通過離合器的接合 /脫開來實(shí)現(xiàn)低壓汽輪機(jī)的投入及脫離。當(dāng)高中壓缸以背壓機(jī)方式運(yùn)行時(shí),需切斷低壓汽輪機(jī)的進(jìn)汽,當(dāng)?shù)蛪浩啓C(jī)的轉(zhuǎn)速低于3000 r/min時(shí),自動(dòng)同步離合器處于脫開位置,離合器的輸出端旋轉(zhuǎn);而低壓汽輪機(jī)、離合器的輸入端處于靜止?fàn)顟B(tài)。

當(dāng)?shù)蛪浩啓C(jī)工作時(shí),調(diào)節(jié)低壓汽輪機(jī)的進(jìn)氣閥門,使得低壓汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速升高,即離合器輸入端轉(zhuǎn)速升高;當(dāng)?shù)蛪浩啓C(jī)的轉(zhuǎn)速升到與高壓汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速同步并超越時(shí),即離合器的輸入端轉(zhuǎn)速大于輸出端轉(zhuǎn)速,離合器接合。實(shí)現(xiàn)高中壓汽輪機(jī)與低壓汽輪機(jī)共同帶動(dòng)發(fā)電機(jī)。

2 NCB機(jī)組背壓運(yùn)行對(duì)熱力系統(tǒng)的要求

2．1 對(duì)低壓缸與凝汽器運(yùn)行模式的要求

當(dāng)NCB機(jī)組背壓方式運(yùn)行時(shí),理論上低壓缸與凝汽器可以完全解列,但根據(jù)主機(jī)廠要求,低壓缸要處于熱備用狀態(tài)。此時(shí)低壓缸的潤滑油系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)均要正常投入,且凝汽器要求保持真空狀態(tài)。同時(shí),由于凝汽器要接收5號(hào)低壓加熱器的疏水、高壓加熱器和除氧器的事故放水、軸封蒸汽疏水、管道的經(jīng)常疏水等,所以凝汽器要處于工作狀態(tài),僅需較少流量的循環(huán)冷卻水。

2．2 對(duì)給水泵配置的要求

對(duì)于 300 MW以上規(guī)模的濕冷機(jī)組,鍋爐給水泵一般采用汽動(dòng)給水泵,即充分利用低品位的熱能、降低高品位的電能消耗,提高電廠的供電能力。由于NCB機(jī)組冬季背壓運(yùn)行時(shí),凝汽器處于工作狀態(tài),所以本工程同樣可以采用汽動(dòng)給水泵配置方案。主機(jī)在背壓工況下運(yùn)行時(shí),給水泵汽輪機(jī)排汽依然排入凝汽器。

2．3 對(duì)熱網(wǎng)疏水系統(tǒng)的要求

超臨界機(jī)組對(duì)水質(zhì)的要求提高,進(jìn)入除氧器的凝結(jié)水要全部通過凝結(jié)水精處理裝置,因此熱網(wǎng)疏水不能直接進(jìn)入除氧器。主機(jī)在背壓工況下運(yùn)行時(shí),全部中壓缸排汽最終凝結(jié)為熱網(wǎng)疏水,經(jīng)過熱網(wǎng)循環(huán)水的深度冷卻,考慮適當(dāng)?shù)膫鳠岫瞬?最低能達(dá)到85℃。

由于熱網(wǎng)疏水溫度遠(yuǎn)高過凝結(jié)水精處理裝置能耐受的最高溫度,因此需要將其導(dǎo)入凝汽器與系統(tǒng)補(bǔ)水進(jìn)行混合冷卻,然后再通過凝結(jié)水管道進(jìn)入凝結(jié)水精處理裝置進(jìn)行除鐵、除鹽處理,以滿足超臨界鍋爐對(duì)于給水品質(zhì)的要求。

2．4 循環(huán)水系統(tǒng)的要求

NCB機(jī)組背壓運(yùn)行時(shí),凝汽器處于運(yùn)行狀態(tài)。由于進(jìn)入凝汽器熱量大幅減少,所需循環(huán)冷卻水量也相應(yīng)減少,循環(huán)水泵的配置與選型要考慮冬季背壓運(yùn)行時(shí)所需冷卻水量,以滿足冬季運(yùn)行要求。

3 NCB機(jī)組供熱能力及節(jié)能減排效果

常規(guī)350 MW超臨界機(jī)組(配汽動(dòng)給水泵)最大采暖抽汽量約為 550 t/h,扣除采暖期自用汽,外供汽量約500 t/h。而NCB機(jī)組由于可將低壓缸最小冷卻流量利用起來,采暖抽汽能在抽凝機(jī)組基礎(chǔ)上再增加150 t/h,即供熱能力增加約 30%。這對(duì)提高熱電聯(lián)產(chǎn)水平,減少中小供熱鍋爐的大氣污染和能源浪費(fèi)能起到很好的作用。以某大中型城市為例,采暖相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下：采暖面積 2000×104m2;綜合采暖熱指標(biāo) 50 W/m2;采暖室外計(jì)算溫度-12℃;采暖室外平均溫度-2．7℃;采暖期持續(xù)時(shí)間137 d(3288 h)。以每噸蒸汽供熱能力 0．7 MW估算,2臺(tái)NCB機(jī)組可提高供熱能力210 MW(756 GJ/h),相當(dāng)于可增加供熱面積 420×104m2,年總采暖供熱量增加 77．8×104GJ。采暖熱負(fù)荷持續(xù)曲線見圖 1。

圖1 采暖熱負(fù)荷持續(xù)曲線

仍以上述城市安裝2臺(tái)350 MW級(jí)NCB機(jī)組為例,可提高熱電廠供熱能力210 MW,相當(dāng)于15座14 MW小型采暖鍋爐的供熱能力總和;年總供熱量較常規(guī)同容量NC機(jī)組增加約 77．8×104GJ,該部分熱量為在不增加機(jī)組燃煤量的情況下,利用原本排向低壓缸的乏汽余熱對(duì)外供出的采暖熱量,以中小鍋爐設(shè)計(jì)供熱標(biāo)準(zhǔn)煤耗44．7 kg/GJ計(jì)算,一個(gè)采暖期即可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤近 3．5×104t,可大幅度降低氮氧化物和硫化物排放量。

由于NCB機(jī)組,在采暖期背壓運(yùn)行時(shí)將嚴(yán)格按照“以熱定電”的原則,采暖期的發(fā)電量必然會(huì)比抽凝機(jī)組的發(fā)電量小,在發(fā)電量一定的情況下,熱負(fù)荷越大,NCB機(jī)組的節(jié)煤效果越好,因此對(duì)于NCB機(jī)組,熱負(fù)荷的大小將對(duì)電廠的經(jīng)濟(jì)性造成較大影響。

4 結(jié)束語

NCB型機(jī)組是針對(duì)大型熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目而開發(fā)的新機(jī)型,其經(jīng)濟(jì)性好,熱效率高,符合國家節(jié)能減排的政策;同時(shí),機(jī)組本身是在成熟技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)而成,投運(yùn)后應(yīng)具有安全可靠性,但下列問題,在具體工程中仍要完善和深入研究：低壓缸投入和解列的系統(tǒng)設(shè)置及控制邏輯系統(tǒng)問題;低壓缸解列時(shí)空轉(zhuǎn)問題;背壓方式運(yùn)行時(shí),采暖抽汽壓力控制問題;背壓方式運(yùn)行時(shí),快速甩熱負(fù)荷工況的機(jī)組運(yùn)行和控制方式問題;汽輪機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及主廠房內(nèi)管道布置設(shè)計(jì)與優(yōu)化問題。

NCB機(jī)組比常規(guī) 350 MW凝汽抽汽機(jī)組的供熱量增加25%～30%,可進(jìn)一步替代效率低下的采暖小鍋爐。冬季背壓運(yùn)行時(shí),大大減少了機(jī)組的冷源損失,提高了能源利用效率,符合國家節(jié)能減排政策。機(jī)組采用了成熟的超臨界高低壓模塊,具有較高的汽輪機(jī)效率和運(yùn)行可靠性,經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益十分顯著,應(yīng)用前景十分廣闊。