董麗娟，張潤(rùn)盤(pán)

(河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031)

0 引言

近年來(lái)，環(huán)境保護(hù)要求的提高、能源礦產(chǎn)儲(chǔ)備的降低以及能源價(jià)格上漲等一系列因素，促使社會(huì)對(duì)一次能源的利用率提出了更高的要求。目前，我國(guó)電網(wǎng)容量趨于飽和，而各地?zé)犭娐?lián)產(chǎn)機(jī)組的容量卻嚴(yán)重不足，努力提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱效率和供熱能力是當(dāng)務(wù)之急。

熱電聯(lián)產(chǎn)的汽輪機(jī)組，其能源利用率可超過(guò)80%，明顯高于超臨界凝汽式機(jī)組。凝汽式機(jī)組的凝汽損失達(dá)43% ～53%，能源利用率為30% ～40%;而熱電聯(lián)供機(jī)組的凝汽損失為0～30%，能源利用率可達(dá)60% ～84%(若為背壓式機(jī)組，則凝汽損失為0，能源利用率可達(dá)80%以上)。供熱機(jī)組熱效率高的主要原因是減少了凝汽損失即冷端損失，因此，如何降低冷端損失，成為進(jìn)一步提高機(jī)組熱效率的重點(diǎn)研究方向。利用現(xiàn)有的技術(shù)手段，提高供熱機(jī)組的供熱能力對(duì)我國(guó)北方電廠有著重要意義。

1 國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀［1］

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中，經(jīng)常采用同步自換擋(3S，Synchro－Self－Shifting)離合器對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行解列和并列，運(yùn)用類似的技術(shù)，在汽輪機(jī)低壓缸和發(fā)電機(jī)之間設(shè)置3S離合器，實(shí)現(xiàn)低壓缸的解列和并列，從而實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)的背壓運(yùn)行和抽凝運(yùn)行切換，提高機(jī)組的供熱能力。

早在20世紀(jì)90年代，抽凝背式供熱機(jī)組在日本的小型火電機(jī)組中已有應(yīng)用。2010年，北京華能高碑店電廠和北京草橋燃?xì)饴?lián)合循環(huán)熱電廠熱電聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的汽輪機(jī)采用了超高壓300 MW級(jí)雙缸雙排汽抽凝背式供熱機(jī)組。目前，國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)300 MW級(jí)抽凝背機(jī)組在火力發(fā)電廠中實(shí)際應(yīng)用。

本文依托河北華電石家莊鹿華熱電有限公司(以下簡(jiǎn)稱鹿華熱電)二期供熱機(jī)組的裝機(jī)方案，分析抽凝背機(jī)型的可行性，同時(shí)對(duì)抽凝背機(jī)型的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行深入分析。

2 技術(shù)方案及實(shí)施

2.1 研究原則及抽凝背機(jī)組適用的外部條件

隨著國(guó)家節(jié)能降耗產(chǎn)業(yè)政策的深化，350MW超臨界機(jī)組正在逐步取代300 MW級(jí)亞臨界機(jī)組，成為新建300 MW級(jí)燃煤發(fā)電機(jī)組的首選。350 MW超臨界機(jī)組的年均發(fā)電標(biāo)煤耗率較同容量亞臨界機(jī)組低7～10 g/(kW·h)，因此不推薦亞臨界機(jī)組裝機(jī)方案。

以鹿華熱電二期工程的裝機(jī)方案為例作具體說(shuō)明。鹿華熱電二期工程2×300 MW級(jí)抽凝背式供熱機(jī)組投產(chǎn)后，汽輪機(jī)采暖供汽量為750 t/h，壓力為0.25～0.40 MPa，采暖供熱能力為1 000 MW，可承擔(dān)區(qū)域集中采暖面積約2 000萬(wàn)m2，比抽凝式發(fā)電機(jī)組能夠提供更多的熱量，由于背壓運(yùn)行，冷端損失為0。因此，從節(jié)能降耗方面考慮，二期工程超臨界抽凝背機(jī)組應(yīng)在最大供熱能力工況下運(yùn)行［2－5］。

300MW級(jí)抽凝背機(jī)組適用的外部條件是:機(jī)組供熱能力小于區(qū)域最小熱負(fù)荷需求。石家莊西部供熱區(qū)2015年最小熱負(fù)荷為1250 MW，因此，鹿華二期工程選用2×350 MW超臨界抽凝背式供熱機(jī)組是與外部熱負(fù)荷需求相適應(yīng)的。機(jī)組投產(chǎn)后，冬季承擔(dān)區(qū)域基本熱負(fù)荷，可保持背壓狀態(tài)高效運(yùn)行。

如果供熱區(qū)的最小熱負(fù)荷小于抽凝背機(jī)組的最大供熱能力，則機(jī)組將長(zhǎng)期在背壓運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行熱負(fù)荷調(diào)峰，當(dāng)熱負(fù)荷需求進(jìn)一步降低時(shí)，將切換至抽凝工況下運(yùn)行。如果頻繁在抽凝狀態(tài)和背壓狀態(tài)下切換，機(jī)組運(yùn)行的安全性會(huì)受到影響，機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)也會(huì)大打折扣。

2.2 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案選擇

通過(guò)咨詢?nèi)笾鳈C(jī)廠，超臨界抽凝背式供熱機(jī)組本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案有4種。

(1)方案1:高中壓合缸+單臺(tái)發(fā)電機(jī)+3S離合器。

(2)方案2:高中壓分缸+單臺(tái)發(fā)電機(jī)+3S離合器。

(3)方案3:汽輪機(jī)雙軸并列布置+雙發(fā)電機(jī)。(4)方案4:汽輪機(jī)雙軸串列布置+雙發(fā)電機(jī)。方案1，2是以常規(guī)350 MW超臨界汽輪機(jī)為母型，將低壓缸軸端通過(guò)3S離合器與發(fā)電機(jī)(或高中壓缸)連接，使低壓缸可在線解列和并列，如圖1所示。

圖1 帶3S離合器的結(jié)構(gòu)布置方案(方案1，2)

方案3，4是以常規(guī)350 MW超臨界汽輪機(jī)為母型，將高中壓缸的軸系與低壓缸的軸系完全分開(kāi)設(shè)置，并由高中壓缸和低壓缸各帶1個(gè)發(fā)電機(jī)，通過(guò)聯(lián)通管閥門(mén)控制低壓缸的運(yùn)行狀態(tài)，如圖2、圖3所示。

圖2 汽輪機(jī)雙軸并列布置方案(方案3)

圖3 汽輪機(jī)雙軸串列布置方案示意圖(方案4)

2.3 設(shè)計(jì)方案對(duì)比

從表1可以看出，3S離合器方案(方案1，2)在設(shè)備投資成本、運(yùn)行維護(hù)和主廠房布置等方面都較雙軸方案有較大優(yōu)勢(shì)。因此，本課題不推薦汽輪機(jī)雙軸布置方案(方案3，4)。

3 3S離合器基本工作原理

3S離合器是300MW等級(jí)抽凝背機(jī)組的關(guān)鍵部件，其安全、可靠長(zhǎng)期運(yùn)行的特性是凝背機(jī)組能夠得到推廣的關(guān)鍵。

表1 方案優(yōu)、缺點(diǎn)

3S離合器是一種單向傳遞扭矩的裝置，當(dāng)離合器的主、從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速完全相等時(shí)兩者相位同步，自動(dòng)軸向移動(dòng)而嚙合，輸入轉(zhuǎn)速低于輸出轉(zhuǎn)速時(shí)離合器脫開(kāi)。3S離合器的基本工作原理可比擬為螺母擰在螺栓上，如果螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)螺母是自由的，則螺母將隨螺栓一同轉(zhuǎn)動(dòng)，如果螺母受限制而螺栓繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，則螺母將沿螺栓作直線運(yùn)動(dòng)。

3S離合器安裝在單軸共用發(fā)電機(jī)的電廠設(shè)備上，以聯(lián)接或斷開(kāi)汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)中相關(guān)的轉(zhuǎn)子，具有鎖定功能;利用油動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，將并列狀態(tài)的3S離合器鎖死，此時(shí)離合器不能進(jìn)行解列動(dòng)作，高中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子可以作為一根轉(zhuǎn)子，增加了3S離合器運(yùn)行的可靠性。油動(dòng)機(jī)壓力油油壓約為0.2 MPa，汽輪機(jī)輔助系統(tǒng)可以提供壓力相符的油。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較［6－7］

經(jīng)過(guò)比較和分析2個(gè)方案，熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及項(xiàng)目投資見(jiàn)表2。

表2 熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及項(xiàng)目投資

參照《火電工程限額設(shè)計(jì)參考造價(jià)指標(biāo)》(2010年水平)中的建設(shè)工期、投資比例以及最新貸款利率等相關(guān)參數(shù)，在含稅標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)為840元/t、水價(jià)為1元/t、將執(zhí)行的上網(wǎng)電價(jià)為396.5元/(MW·h)、含稅熱價(jià)為40元/GJ的條件下，測(cè)算工程收益水平及投資回收期，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

從以上數(shù)據(jù)可以看出，按將執(zhí)行的標(biāo)桿電價(jià)和銷售熱價(jià)來(lái)測(cè)算項(xiàng)目盈利能力，2×350 MW超臨界抽凝背機(jī)組不僅可提高機(jī)組供熱能力，而且投資收益率高于常規(guī)的2×350 MW超臨界機(jī)組，可以為發(fā)電企業(yè)帶來(lái)更好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

300 MW級(jí)抽凝背式供熱機(jī)組可有效緩解三北地區(qū)夏季缺電、冬季缺熱的局面，可大幅降低機(jī)組年均發(fā)電標(biāo)煤耗率，提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，減少機(jī)組污染物排放量，符合國(guó)家節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)政策。

［1］王振銘.分布式能源熱電聯(lián)產(chǎn)的新發(fā)展［J］.沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008(2):97－101.

［2］周猛.鹿華熱電二期工程裝機(jī)方案論證專題［R］.石家莊:河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2011.

［3］張潤(rùn)盤(pán).裕華熱電二期工程裝機(jī)方案論證專題［R］.石家莊:河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2011.

［4］張曉坤.鹿華二期2×350 MW配3S離合器超臨界直接空冷汽輪發(fā)電機(jī)組方案可行性分析［R］.石家莊:河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2011.

［5］周猛.300 MW亞臨界NCB型汽輪機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)審說(shuō)明［R］.石家莊:河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2010.

［6］鐘史明.熱電聯(lián)產(chǎn)界定節(jié)能指標(biāo)的建議［C］//第五屆國(guó)際熱電聯(lián)產(chǎn)分布式能源聯(lián)盟年會(huì)論文集.北京:中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)熱電專業(yè)委員會(huì)，2004.

［7］鐘史明，劉龍海.界定熱電聯(lián)產(chǎn)抽凝機(jī)組節(jié)能指標(biāo)的建議［J］.電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2008，20(5):48－51.