肖慧杰，張雪松

(內(nèi)蒙古電力勘測設計院有限責任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020 )

汽輪機高背壓供熱方案探討

肖慧杰，張雪松

(內(nèi)蒙古電力勘測設計院有限責任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020 )

發(fā)電設備年利用小時數(shù)走低、熱電矛盾的現(xiàn)狀，和節(jié)能減排、上大壓小的國策下，火電企業(yè)已面臨盈虧臨界，甚至生存危機。抽凝或純凝式汽輪機切換為高背壓式供熱的新技術為火電行業(yè)注入生機。以兩臺200 MW汽輪發(fā)電機組為例，提出利用冷源損失提高供熱能力的高背壓方案、高背壓和背壓組合方案、背壓方案，并從技術、經(jīng)濟兩方面剖析、論證三種方案均可行，且高背壓供熱優(yōu)于背壓供熱。為已建或新建火電機組消除冷源損失實施高背壓技術，在制定設計方案和明確各種方案的優(yōu)先次序時提供借鑒。首次提出研發(fā)汽輪機低壓轉子集成工況模塊的理念，通過模塊調整和切換實現(xiàn)汽輪機抽凝或純凝工況、高背壓工況、背壓工況高效運行的市場需求。

火電機組；汽輪機；高背壓；背壓；技術經(jīng)濟。

經(jīng)過10年搶、飛式發(fā)展，現(xiàn)階段中國火電發(fā)電量超過總發(fā)電量的80%。電力是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎，熱電聯(lián)產(chǎn)是實現(xiàn)國家節(jié)能減排的一項重要措施。近年來，“電產(chǎn)能過?！?、“ 窩電”已非新鮮詞匯，北方“熱電矛盾”尤為突出，火電這塊蛋糕現(xiàn)狀是：一方面火電建設進入超超臨界、百萬千瓦汽輪發(fā)電機組時代，另一方面，環(huán)保節(jié)能成為我國電力工業(yè)結構調整的重要方向，火電行業(yè)在“上大壓小”的政策導向下積極推進產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化升級，加快淘汰單機容量200 MW級及以下、設計壽命期滿和不實施供熱改造的常規(guī)燃煤火電機組，鼓勵具備條件的地區(qū)建設背壓式熱電機組，目前背壓式熱電機組最大發(fā)電功率為50 MW。

我國能源利用率僅為33%，節(jié)能空間和潛力很大。改進熱機技術以卡諾循環(huán)效率為最高標準，火力發(fā)電汽輪機乏熱損失即冷源損失，約占總損失的50%～60%。這部分熱量排入大氣或水源，造成能源浪費、環(huán)境污染。

依托運城關鋁熱電2×200 MW工程改造實例探討高背壓技術設計方案。

2 工程概況

運城關鋁熱電2×200 MW機組于2008年投產(chǎn)，自然通風冷卻塔，汽輪機為北京北重汽輪電機有限責任公司生產(chǎn)的超高壓、中間再熱、三缸兩排汽、抽汽凝汽式汽輪機，第六級抽汽為采暖調整抽汽，型號為NC210-12.75/0.294/535/535。根據(jù)運城《供熱規(guī)劃》內(nèi)容，2016年～2030年關鋁熱電廠規(guī)劃供熱的Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)新增面積1811×104m2。設定額定采暖抽汽量按250 t/h(外供熱負荷能力1200 GJ/h)及配套熱網(wǎng)站、2臺58 MW熱水爐備用、綜合采暖指標為40.1 W/m2，一次熱網(wǎng)循環(huán)水供回水溫度為100 ℃/52 ℃，汽輪機額定高背壓工況背壓設計值為47.4 kPa,在此基礎上挖掘2臺機組最經(jīng)濟的供熱方案。

火電機組高背壓供熱技術的核心是利用冷源損失，將這部分冷源損失回收用于民生供熱，高背壓供熱發(fā)電標煤耗、機組熱效率等技術經(jīng)濟指標優(yōu)于常規(guī)背壓式熱電機組，經(jīng)過逐漸研究和實施，未來幾年將得到迅速發(fā)展。

高背壓方案，采用減少、更換低壓轉子次末級、末級葉片等方法提高低壓缸排汽參數(shù)，從而提高循環(huán)水出水溫度用以供熱；背壓方案的低壓轉子也稱光軸轉子，常采用中低壓缸連通管打孔抽汽的方法，將大部分中壓缸排汽用作采暖抽汽，僅留10 t/h蒸汽作為低壓轉子通風冷卻備用汽源，光軸方案較高背壓方案更簡單易行，經(jīng)濟性較高背壓方案略差；采用低壓缸雙轉子，通過轉子互換實現(xiàn)抽凝或純凝、高背壓或背壓工況的高效運行。

擬定三個供熱方案：僅1號機組改造為高背壓(以下簡稱方案一)、1號機組改造為高背壓+2號機組改造為背壓(以下簡稱方案二)、2臺機組均改造為背壓(以下簡稱方案三)。

還有一種方案就是2臺機組同時改造為高背壓，此方案若將每臺機組的450 t/h排汽熱量全部送出，在供回水溫度75 ℃/52 ℃的條件下需要的熱網(wǎng)循環(huán)水量約22000 t/h，現(xiàn)有熱網(wǎng)循環(huán)水最大流量為11300 t/h，原熱網(wǎng)系統(tǒng)需進行顛覆性改造。這種低溫供熱方式，循環(huán)水大流量、能耗高、經(jīng)濟性差、外網(wǎng)匹配困難，所以不推薦此方案。

4 高背壓供熱主機

4.1 高背壓供熱額定工況

單臺汽輪發(fā)電機組額定抽汽工況(簡稱抽凝)、高背壓供熱無抽汽工況(簡稱高背)、背壓供熱工況(簡稱背壓)主要參數(shù)見表1。從表中數(shù)據(jù)可見，相同主蒸汽流量條件下，機組發(fā)電功率由高到低依次為高背、抽凝、背壓，而供熱能力由高到低依次為背壓、高背、抽凝。

表1 汽輪機典型工況

4.2 高背壓供熱改造

高背壓機組改造：主機改造范圍集中在低壓缸轉子及其附屬連接件，見圖1。將現(xiàn)有低壓轉子返回主機廠加工為高背壓轉子，用于采暖期機組高背壓工況運行，改造前后低壓轉子見圖2、圖3。根據(jù)電廠需求可采購新純凝轉子，用于非采暖期機組純凝工況運行。輔機改造主要有凝汽器、低壓缸噴水、軸封加熱器等。

圖1 低壓轉子改造范圍

圖2 老低壓轉子

圖3 新低壓轉子

背壓機組改造：購買新的光軸轉子用于采暖期機組背壓工況運行。將現(xiàn)有低壓轉子返回主機廠進行互換性改造，用于非采暖期機組純凝工況運行。輔機改造主要有低壓缸噴水、軸封加熱器、凝結水泵等。

5 馬心猿高背壓供熱系統(tǒng)

5.1 熱網(wǎng)主要設備

加熱站主要設備有加熱器、循環(huán)水泵、疏水泵、濾水器，各方案設備見表2。從表中可見方案三新增設備數(shù)量最多，相應加熱站內(nèi)設備投資最高。

表2 熱網(wǎng)加熱站設備

5.2 主要系統(tǒng)

5.2.1 熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)

方案一、方案二原凝汽器循環(huán)水管道隔斷，雙流程改為四流程。從熱網(wǎng)加熱站引接熱網(wǎng)循環(huán)水，進入凝汽器經(jīng)四流程加熱后，經(jīng)熱網(wǎng)循環(huán)水泵升壓、熱網(wǎng)加熱器加熱后送向外網(wǎng)。熱網(wǎng)加熱器前、后供水母管之間設置連通管。

5.2.2 熱網(wǎng)加熱蒸汽系統(tǒng)

高背壓方案熱網(wǎng)蒸汽系統(tǒng)無變動。背壓方案，抽汽量由原有250 t/h增加為480 t/h，每臺汽輪機可從中低壓連通管打孔增設抽汽管路至熱網(wǎng)蒸汽母管，替換母管管徑。

5.2.3 開式冷卻水系統(tǒng)

(高)背壓方案自然通風冷卻塔停用，在冷卻塔集水池內(nèi)完成循環(huán)水冷卻，增設冷卻水泵及機組間連通管路。

6 供熱能力和供熱安全性

6.1 改造前抽凝機組供熱能力

兩臺200 MW機組額定抽汽量為250 t/h，對應供熱能力333 MW，可供采暖面積831×104m2。

6.2 方案一供熱能力

1號機組改造為高背壓運行，主蒸汽進汽量為630 t/h，排汽量為360 t/h，可將8560 t/h循環(huán)水從52 ℃加熱到75 ℃，且從高背壓機組抽汽115.2 t/h，可將8560 t/h循環(huán)水從75 ℃加熱到83 ℃。1號機組最大供熱能力按306 MW設計，熱網(wǎng)循環(huán)水量按8560 t/h設計。

2號機組采暖期仍然按照抽汽供熱方式運行，機組額定抽汽量為250 t/h，最大抽汽量為300 t/h。2號機組額定供熱能力為167 MW，可將熱網(wǎng)循環(huán)水從83 ℃加熱到100 ℃。改造后兩臺機組總供熱能力為473 MW，兩臺機組可以滿足1177.6×104m2的供熱需要。

6.3 方案二供熱能力

1號機組改造為高背壓運行，主蒸汽進汽量為638 t/h計算，可以將11300 t/h的循環(huán)水從52℃加熱到75 ℃，向外網(wǎng)提供熱量為302 MW。1號機組最大供熱能力按302 MW設計，熱網(wǎng)循環(huán)水量按11300 t/h設計，充分利用機組冷源損失。

2號機組改造為背壓運行，主蒸汽進汽量為610 t/h，額定抽汽量為480 t/h，供熱能力為320 MW，可將熱網(wǎng)循環(huán)水從75 ℃加熱到100℃。改造后兩臺機組總供熱能力為622 MW，兩臺機組可以滿足1551.7×104m2的供熱需求。

6.4 方案三供熱能力

兩臺機組均改造為背壓機運行，主蒸汽進汽量為610 t/h，額定抽汽量為480 t/h，供熱能力為320 MW。改造后兩臺機組熱網(wǎng)循環(huán)水量按11240 t/h設計，總供熱能力為640 MW，可將熱網(wǎng)循環(huán)水從52 ℃加熱到100 ℃，兩臺機組可以滿足1596×104m2的供熱需求。

6.5 各方案熱負荷延續(xù)曲線圖

各方案熱負荷延續(xù)曲線見圖4、5、6，從圖中最大熱負荷數(shù)據(jù)可得各方案供熱能力依次為方案三、方案二、方案一，其中方案三、方案二最大供熱能力接近，兩方案的優(yōu)劣須結合技術經(jīng)濟數(shù)據(jù)分析。

6.6 供熱安全性

“當任何一臺汽輪機停運時，其余汽輪機能供采暖用熱量的60%～75%”，本工程取60%。電廠管網(wǎng)內(nèi)有熱水鍋爐備用，方案一、方案二、方案三均滿足供熱安全性要求。

圖4 方案一 熱負荷延續(xù)曲線圖

圖5 方案二熱負荷延續(xù)曲線圖

圖6 方案三熱負荷延續(xù)曲線圖

整個采暖期室外溫差波動較小，初、末寒期各種改造方案外網(wǎng)所需的熱負荷滿足機組最小負荷工況安全運行的需求。

7 供熱方案對比分析

7.1 技術經(jīng)濟指標

依據(jù)汽輪機運行工況圖，技術經(jīng)濟指標計算結果見表3。

從計算結果可以看出，高背壓、背壓供熱工況的平均供電標煤耗比抽凝供熱機組節(jié)約0.150 kg/kWh，供熱能力提升顯著，采暖期發(fā)電設備年利用小時數(shù)降低，緩解北方地區(qū) “熱電矛盾”問題、與“鼓勵具備條件的地區(qū)建設背壓式熱電機組﹤2﹥”同一標煤耗等級，且在電負荷容量、潔凈排放等方面優(yōu)于傳統(tǒng)意義上的背壓機組，抽汽凝汽式火力發(fā)電機組通過高背壓、背壓改造即可優(yōu)雅轉身，成為民生能源供應寶藏。

表3 技術經(jīng)濟指標

7.2 大氣污染物減排分析

表3中三種方案全年節(jié)約標煤量，全年節(jié)約標煤量若燃燒相應產(chǎn)生的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、煙塵等大氣污染物排放量，即為高背壓供熱節(jié)能排量。

7.3 主要財務指標

依據(jù)電廠當?shù)貥藴拭簝r、熱價、水價、電價；按資本金占工程動態(tài)總投資的20 %，其余國內(nèi)商業(yè)銀行貸款，貸款年利率4.9 %、還貸年限10年(含建設期)、本金等額償還；財務分析只考慮本改造工程的投資，以及改造后比改造前增加或減少的成本和收益；僅為采暖期測算，未計列新購或更換轉子費用。主要財務指標計算結果見表4。

表4 主要財務指標

7.4 三種技術方案分析對比及結論

7.4.1 方案一

一臺機組進行高背壓改造，另一臺機組保持原狀態(tài)不變，供熱面積可增至1177.6×104m2，供熱能力1700 GJ/h，全年總供熱量3664005 GJ，采暖期發(fā)電設備年利用小時數(shù)2036.9 h。特點如下：

(1)改造費用低，只改造了一臺機組。

(2)熱和電的調節(jié)相對靈活。

(3)增加供熱面積最小，2號機組仍然還有冷源損失，熱經(jīng)濟性指標相對差。

7.4.2 方案二

一臺機組進行高背壓改造，另一臺機組進行背壓改造，供熱面積可增至 1551.7×104m2，供熱能力2240 GJ/h，全年總供熱量4826738 GJ，采暖期發(fā)電設備年利用小時數(shù)1746.4 h。特點如下：

(1)改造費用最高，一臺機組高背壓改造，另一臺機組背壓改造，熱網(wǎng)設備、管道改造量大。

(2)機組按“以熱定電”方式運行，熱和電的調節(jié)不靈活。

(3) 增加供熱面積次大，幾乎沒有冷源損失。

7.4.3 方案三

兩臺機組均進行背壓改造，供熱面積可增至1596×104m2，供熱能力2304 GJ/h，全年總供熱量4966585 GJ，采暖期發(fā)電設備年利用小時數(shù)1401.4 h。特點如下：(1)改造費次高，兩臺機組均進行了背壓改造，熱網(wǎng)設備、管道改造量大。

(2)機組按“以熱定電”方式運行，熱和電的調節(jié)不靈活。

(3) 增加供熱面積最大，幾乎沒有冷源損失。

7.4.4 三種方案對比

從改造工程量多少和發(fā)電負荷調節(jié)的靈活性方面考慮，推薦方案一，且從技術經(jīng)濟評價來看，方案一也是最優(yōu)；如果考慮供熱負荷增長需求，使改造后機組盡可能多承擔供熱面積，且兼顧經(jīng)濟效益情況，優(yōu)先推薦方案二。即推薦方案排序：方案一、方案二、方案三。

8 結語

(1)建議利用機組冷源損失發(fā)展家庭、浴場、水上樂園等城市熱水供應事業(yè)，替代小型電加熱器、小型燃煤鍋爐。

(2)建議研發(fā)汽輪機低壓轉子集集成工況模塊，通過調整實現(xiàn)抽凝、純凝、高背壓、背壓工況高效運行，消除雙背壓雙轉子、切換工況須停機停爐、每年兩次更換低壓缸轉子的技術現(xiàn)狀。

(3)建議將火電機組切換(高)背壓技術納入國家《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃》中推廣應用，將“零冷源損失” 的觀念植入電力行業(yè)。

(4)依托改造工程實例，提出兩臺抽凝式火電機組消除冷源損失提高供熱能力的(高)背壓技術方案，并首次提出高背壓方案、高背壓和背壓組合方案、背壓方案三種改造方案，并從技術可行性、經(jīng)濟可行性兩方面剖析、論證三種方案均可行、高背壓方案優(yōu)于背壓方案。為已建和新建火電機組利用冷源損失實施(高)背壓技術明確設計方案和各種方案的優(yōu)先次序提供借鑒。

[1] 楊永平，等．中國火力發(fā)電能耗狀況及展望[J]．中國電機工程學報，2013．

[2] 發(fā)展改革委 環(huán)境保護部 能源部．煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)[Z]．2014．

[3] 彭漢明，等．分布式能源啊按系統(tǒng)中低溫余熱回收技術[J]．節(jié)能，2011．

[4] 康樂明，等．工程熱力學-04版[M]，北京：工程建筑工業(yè)出版社,2000．

[5] F Moser，H Schnitzcr． Heat pumps in industry[M]．Amsterdam Oxford: Elsevier,1985．

[6] GB 50049-2011，小型火力發(fā)電廠設計規(guī)程[S]．

Discussion on Heat Supply Scheme of High Back-pressure Steam Turbine

XIAO Hui-jie, ZHANG Xue-song
(Inner Mongolia Electric Power Survey & Design Institute Co., Ltd., Hohhot 010020, China)

Coal-fired power plants are facing the break-even point, even survival crisis due to short availability hours, contradictory status of heating and power generation , energy saving and emission reduction as well as the policy of favoring large scale enterprises.The switching technology of condensing or straight condensing turbine to high back pressure heat supply brings new vigor and vitality into coal-fired power generation enterprises.Based on case study of two 200 MW turbine generation units, this paper puts forward the following three schemes: high back pressure scheme to increase heat supply capacity by utilizing loss of turbine cooling source, combined scheme of high backpressure and back pressure, and back pressure.Through economic and technological analysis, it is concluded that all the three schemes are feasible and the high back pressure scheme is superior to back pressure heat supply.This offers reference for existing and new coal-fired turbine units to reduce loss of turbine cooling source and adopt back pressure technology.Besides, it helps to make design schemes and identify order of precedence of these schemes.This paper proposes for the first time to develop integrated modules for low pressure turbine rotor under various conditions.Through adjustment and replacement of modules, market demand for high-efficiency operation of steam turbine under extract-condensing or straight condensing, high back pressure and back pressure conditions can be satisfied.

coal-fired generation units; steam turbine; high back pressure; back pressure; tech-economic.

TM621

B

1671-9913(2017)03-0035-05

2016-02-24

肖慧杰(1980-)，女，河南安陽人，高級工程師，從事發(fā)電行業(yè)熱機專業(yè)咨詢、設計工作。