李國(guó)慶，秦 攀，徐 威

（中電華創(chuàng)（蘇州） 電力技術(shù)研究有限公司，江蘇 蘇州 215123）

0 引言

到2018 年末，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了1 900.12 GW，同比增加6.5%。其中，風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電184.27 GW，比2017 年提高12.4%；太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電174.33 GW，較2017 年增長(zhǎng)33.7%，新能源發(fā)電裝機(jī)合計(jì)358.60 GW，占比18.9%。新能源發(fā)電在全國(guó)裝機(jī)容量中占據(jù)的份額越來(lái)越大，而新能源的不穩(wěn)定性也對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求[1-4]。

供熱機(jī)組靈活性改造日益成為消納新能源、實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰的重要手段。供熱機(jī)組可選擇的改造路線多種多樣，且側(cè)重點(diǎn)也不同。本文將對(duì)壓力匹配器、蒸汽減溫減壓、低壓缸零出力等供熱技術(shù)進(jìn)行介紹，并分析供熱對(duì)機(jī)組運(yùn)行的實(shí)際影響，為供熱機(jī)組靈活性改造提供借鑒參考。

1 供熱技術(shù)路線

1.1 壓力匹配器

壓力匹配器的工作原理是利用高壓蒸汽流經(jīng)噴嘴產(chǎn)生超音速噴射氣流，引射低壓蒸汽，使其壓力升高到設(shè)定值，最后匯成一股蒸汽。壓力匹配器按結(jié)構(gòu)可分為不可調(diào)節(jié)型、可調(diào)節(jié)型、聯(lián)調(diào)型以及多噴嘴型4 種[5]。

壓力匹配器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用部分低品質(zhì)蒸汽替代高品質(zhì)蒸汽，避免節(jié)流降壓、噴水減溫，經(jīng)濟(jì)性較好；但壓力匹配器變工況性能較差，當(dāng)高壓蒸汽和低壓蒸汽混合時(shí)，可能會(huì)發(fā)生高壓蒸汽串入低壓蒸汽的風(fēng)險(xiǎn)，且設(shè)備噪聲大，要設(shè)置降噪罩殼。

1.2 蒸汽減溫減壓

減溫減壓裝置是置于蒸汽母管和供熱母管間的設(shè)備，利用節(jié)流降壓、噴水減溫，把高品質(zhì)蒸汽參數(shù)降低至供熱需求值[6]。限制供熱機(jī)組調(diào)峰低限的主要條件是機(jī)組的最小安全容積流量，抽汽供熱機(jī)組運(yùn)行在最小發(fā)電出力情況時(shí)，其最小安全容積流量是個(gè)定值，如果供熱需求增加，抽汽量升高，則最小發(fā)電出力也升高。發(fā)電的蒸汽量不會(huì)被供熱的蒸汽量影響，僅受限于最小冷卻蒸汽量，從而實(shí)現(xiàn)熱電解耦。

蒸汽減溫減壓技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是技術(shù)成熟，安全性高；系統(tǒng)簡(jiǎn)單，布置方便；控制精準(zhǔn)，便于輸出。然而對(duì)于高品質(zhì)蒸汽，減溫減壓會(huì)導(dǎo)致熵增加，不可用能增加，經(jīng)濟(jì)性較差。

1.3 低壓缸零出力

“低壓缸零出力”又叫“低壓缸切缸”，指的是中壓缸排汽全部通過(guò)供熱管道引出，僅保留少量的冷卻蒸汽進(jìn)入低壓缸，帶走轉(zhuǎn)子葉片與內(nèi)部工質(zhì)摩擦產(chǎn)生的熱量，從而實(shí)現(xiàn)低壓缸不做功、零出力的工作方法[7]。低壓缸零出力增加了機(jī)組深度調(diào)峰的能力，機(jī)組可以在抽、凝、背3 種運(yùn)行方式下靈活切換，但改造的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致高真空、低流量下的低壓缸安全性問(wèn)題（如葉片超溫、水蝕、顫振） 等。

1.4 光軸改造技術(shù)

光軸機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖1 所示，蒸汽經(jīng)過(guò)中壓缸后全部用于供熱，而低壓部分不存在葉片，只保留主軸。由于這根轉(zhuǎn)子僅有主軸而沒(méi)有葉片，因此稱為“光軸”。光軸不但需要能很好地傳遞扭矩，還需具有合適的質(zhì)量、剛度，才不會(huì)對(duì)原軸系力學(xué)特性產(chǎn)生較大的影響。機(jī)組在供暖期間以光軸方式工作，在非供暖期處于正常凝汽工況。光軸技術(shù)改造之后不存在低壓轉(zhuǎn)子葉片，蒸汽的焓值不會(huì)降低，供熱效果明顯提高[8]。

光軸技術(shù)能最大限度地回收利用排汽熱，使電廠的采暖能力增強(qiáng)，但對(duì)軸的要求較高；本體改動(dòng)大，改造成本高，而且需要停機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)子切換；調(diào)節(jié)手段單一，負(fù)荷隨外網(wǎng)熱負(fù)荷而變化；鼓風(fēng)加熱明顯。

1.5 高背壓 （低真空） 改造技術(shù)

高背壓供熱是指在較高的背壓下以排汽方式進(jìn)行采暖的技術(shù)。機(jī)組高背壓運(yùn)行時(shí)背壓壓力升至50 kPa 以上，凝汽器的真空度降低，使得凝結(jié)水溫度達(dá)到80～85 ℃，熱網(wǎng)循環(huán)水出入水溫依次為50 ℃及80 ℃左右。對(duì)于供熱參數(shù)要求較高的機(jī)組，單純提高背壓無(wú)法滿足熱網(wǎng)循環(huán)水溫度需求，因此除高背壓（低真空） 改造外還需要進(jìn)行其他技術(shù)改造，主要有單轉(zhuǎn)子、雙轉(zhuǎn)子互換以及雙背壓3 種改造技術(shù)。單轉(zhuǎn)子技術(shù)適用于夏季純凝負(fù)荷不大、供熱期供熱量大的情況；雙轉(zhuǎn)子切換方式指在采暖期使用高背壓轉(zhuǎn)子，非供熱期再恢復(fù)原裝配的轉(zhuǎn)子進(jìn)行正常純凝運(yùn)行，避免機(jī)組出力以及效率受到影響；雙背壓改造技術(shù)適用于有2 個(gè)低壓缸的直接空冷機(jī)組[9]。

高背壓技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)是余熱利用，經(jīng)濟(jì)效益高；充分利用低品位熱質(zhì)，適合大流量、低熱值供熱；機(jī)組以背壓方式運(yùn)行，冷源損失小，效率高。其主要缺點(diǎn)有投資較大（很多需要設(shè)置小背壓機(jī)），對(duì)供電有顯著影響；靈活性較差，要求有一定規(guī)模且穩(wěn)定的熱負(fù)荷，以熱定電；檢修維護(hù)量較大。

1.6 熱泵技術(shù)

吸收式熱泵原理以機(jī)組的抽汽作為動(dòng)力，回收循環(huán)水余熱（低品質(zhì)），用于熱網(wǎng)水升溫。該方式下的高品質(zhì)熱量包括利用的抽汽熱量以及回收的循環(huán)水余熱。熱泵技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行方式簡(jiǎn)單靈活，適用于溫度需求不高的大流量供水，在生活采暖方面有較明顯的經(jīng)濟(jì)收益。另外，部分循環(huán)水還能夠進(jìn)入冷卻塔冷卻，不需以熱定電運(yùn)行，對(duì)機(jī)組出力影響小，增加了一個(gè)熱源點(diǎn)，對(duì)供熱安全性有一定提升。其缺點(diǎn)是需新建廠房，占地面積較大，投資較大[10]。

1.7 儲(chǔ)能技術(shù)

1.7.1 蓄熱罐供熱

蓄熱罐按照冷水、熱水的分層原理設(shè)計(jì)和工作，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。當(dāng)電網(wǎng)用電負(fù)荷高、供熱負(fù)荷低時(shí)，將機(jī)組多供的熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)；當(dāng)電力負(fù)荷較低時(shí)，儲(chǔ)熱裝置可將儲(chǔ)存的熱量釋放出來(lái)滿足供熱需求，從而降低機(jī)組發(fā)電負(fù)荷。采用蓄熱罐方案，擴(kuò)大熱點(diǎn)聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷變化范圍，使得機(jī)組在電負(fù)荷高熱負(fù)荷低的白天進(jìn)行熱水儲(chǔ)能，夜間用電負(fù)荷低供熱負(fù)荷高時(shí)，用儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行供熱調(diào)峰，可以在保證供熱負(fù)荷的情況下，提高機(jī)組運(yùn)行的靈活性，使得熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組參與調(diào)峰成為可能[11]。

1.7.2 固體蓄熱電鍋爐

在電網(wǎng)低谷調(diào)峰時(shí)段或風(fēng)力發(fā)電的棄風(fēng)電時(shí)段，接通高壓開(kāi)關(guān)，高壓電發(fā)熱體（電阻） 將電能轉(zhuǎn)換為熱能，同時(shí)被高溫蓄能體吸收。固體蓄熱塊利用控制柜與熱交換器相連，調(diào)整變頻風(fēng)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)熱交換器連續(xù)不斷地把固體蓄熱塊中的熱量傳遞至熱網(wǎng)循環(huán)水中[12]。

1.7.3 電極鍋爐

電極鍋爐的工作介質(zhì)是具有電導(dǎo)特性的水，水的熱阻比較大，能夠把電能轉(zhuǎn)換為熱量。電極鍋爐的介質(zhì)參數(shù)和汽輪機(jī)抽汽參數(shù)相同，利用換熱裝置與熱網(wǎng)循環(huán)水相連，達(dá)到汽輪機(jī)抽汽和電極鍋爐匹配工作的要求[13]。

2 供熱對(duì)機(jī)組運(yùn)行的實(shí)際影響

2.1 對(duì)機(jī)組軸向推力的影響

機(jī)組的軸向推力是由壓差造成的，這些壓差存在于轉(zhuǎn)子、軸封以及平衡活塞等部位，如果機(jī)組的工作介質(zhì)參數(shù)變化后，各部位的壓力差也會(huì)隨之改變，導(dǎo)致軸向推力改變。比如，用高排抽汽供熱，使得機(jī)組的正向推力降低，會(huì)導(dǎo)致整體的軸向推力趨于負(fù)值。要使機(jī)組安全穩(wěn)定工作，不存在碰摩事故，就必須確保機(jī)組在正常工作時(shí)保持相當(dāng)?shù)恼蜉S向推力[14]。

2.2 對(duì)高壓缸的影響

高排抽汽供熱方式，使得抽汽部位周圍隔板以及葉片的壓力差變大，導(dǎo)致隔板承受的應(yīng)力變大以及動(dòng)葉的彎曲應(yīng)力變大，因此高排抽汽供熱需要將這些部件的強(qiáng)度考慮在內(nèi)。在該供熱方式下，高壓缸末級(jí)葉片成了整個(gè)機(jī)組通流部分中最脆弱的部分，彎曲變形會(huì)最先達(dá)到極限。在此情況下，需保證高壓缸排汽壓力大于安全值。

2.3 低壓末級(jí)鼓風(fēng)問(wèn)題

高排抽汽供熱方式下，進(jìn)入中壓缸和低壓缸的蒸汽減少，此時(shí)可能出現(xiàn)冷卻流量不足現(xiàn)象。因?yàn)槟骋回?fù)荷下存在一個(gè)安全運(yùn)行的最大抽汽量，如果在此工況下繼續(xù)增大抽汽量，剩余的蒸汽流量將無(wú)法冷卻葉片鼓風(fēng)生成的熱量，會(huì)增大葉片的應(yīng)力；而低壓缸葉片比中壓缸葉片和高壓缸葉片長(zhǎng)，且越往后葉片越長(zhǎng)，鼓風(fēng)產(chǎn)生的熱量越多，受高排抽汽影響越大[15]。

2.4 機(jī)組甩負(fù)荷安全性問(wèn)題

甩負(fù)荷是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的最大威脅，因?yàn)闄C(jī)組容量越大其轉(zhuǎn)子容積時(shí)間常數(shù)越小，但熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組甩負(fù)荷后不利容積增加，動(dòng)態(tài)超調(diào)量增加，一旦供熱管路的閥門無(wú)法正常閉合，供熱蒸汽會(huì)被反吸入汽輪機(jī)，造成更加嚴(yán)重的超速后果。所以，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為了增加安全性，通常設(shè)置多層保護(hù)措施，抽汽供熱管路上不但有逆止閥和截止閥，還設(shè)置調(diào)節(jié)閥，該調(diào)節(jié)閥具有響應(yīng)迅速的特點(diǎn)，機(jī)組一旦發(fā)生甩負(fù)荷，逆止閥和調(diào)節(jié)閥會(huì)迅速響應(yīng)，降低不利容積的危害。

2.5 對(duì)補(bǔ)水除氧系統(tǒng)的影響

對(duì)居民供暖情況下，熱網(wǎng)加熱閉式循環(huán)，介質(zhì)損耗較少；工業(yè)供熱情況下，僅有不到1/5 的工質(zhì)被回收，或者由于工質(zhì)不達(dá)標(biāo)而外排，為了維持供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，就需補(bǔ)充大量的除鹽水。標(biāo)準(zhǔn)狀況下除鹽水的含氧量在8 000×10-9g/mL左右，而補(bǔ)給水的含氧量在7×10-9g/mL 左右，兩者數(shù)值相差較大。大量補(bǔ)水會(huì)使凝結(jié)水的含氧量大幅增加，增加設(shè)備的氧化速度，影響換熱效果，因此在補(bǔ)水進(jìn)入循環(huán)之前需進(jìn)行除氧操作。

2.6 鍋爐受熱面影響

抽汽供熱對(duì)鍋爐受熱面的影響主要有兩方面。第一，對(duì)于高壓抽汽供熱機(jī)組，因?yàn)槭且岳湓僬羝鳛闊嵩?，?jīng)過(guò)再熱器的介質(zhì)流量減少，汽輪機(jī)負(fù)荷不改變情況下會(huì)使再熱器壁溫升高，大大增加了管道的疲勞損耗；第二，如果汽輪機(jī)負(fù)荷不變，而抽汽流量增大，會(huì)引起煤耗和煙氣流量的改變，增加的煙氣流量會(huì)增加屏式過(guò)熱器的傳熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使壁溫超限，并引起減溫水量增加[16]。

3 結(jié)束語(yǔ)

供熱機(jī)組靈活性改造的方法很多，但每種技術(shù)針對(duì)的問(wèn)題不盡相同，在供熱機(jī)組靈活性改造方案選擇時(shí)，需根據(jù)自身機(jī)組的實(shí)際情況以及電負(fù)荷、熱負(fù)荷、改造成本、運(yùn)行收益等情況進(jìn)行綜合考慮。