俎海東，魏 超，焦曉峰

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

熱電聯(lián)產(chǎn)供熱機(jī)組的供熱主要有抽汽供熱和排汽余熱供熱兩種方式。抽汽供熱是最常見的供熱方式，但利用高品位蒸汽進(jìn)行供熱不符合能量梯級(jí)利用的原則，降低了?效率。近年來，以高背壓供熱為代表的排汽余熱供熱技術(shù)被廣泛應(yīng)用，該技術(shù)有效利用了汽輪機(jī)的排汽余熱，提高了機(jī)組的熱效率，通過避免冷源損失實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。

本文以某超臨界間接空冷機(jī)組乏汽外引高背壓供熱為例，闡述系統(tǒng)原理及改造情況，分析系統(tǒng)運(yùn)行狀況、供熱能力等，為同類機(jī)組提供參考[1-5]。

1 機(jī)組概況

某超臨界間接空冷機(jī)組汽輪機(jī)為CJK350-24.2/0.4/566/566型超臨界、一次中間再熱、采暖調(diào)整抽汽、兩缸兩排汽、間接空冷、凝汽抽汽式機(jī)組。凝汽器為N-22000型單殼體、對(duì)分、雙流程表面式凝汽器，平均背壓10 kPa。汽動(dòng)給水泵汽輪機(jī)排汽直接排入凝汽器。汽輪機(jī)排汽冷卻采用表面凝結(jié)式間接空冷系統(tǒng)，配置1座自然通風(fēng)間接冷卻塔、3臺(tái)循環(huán)水泵，形成閉式循環(huán)。

機(jī)組原供熱系統(tǒng)采用汽輪機(jī)五段抽汽至熱網(wǎng)加熱器來加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，設(shè)計(jì)額定采暖抽汽工況時(shí)背壓8 kPa，抽汽壓力0.4 MPa，抽汽量380 t/h，低壓缸排汽量296 t/h；設(shè)計(jì)最大采暖抽汽工況時(shí)背壓8 kPa，抽汽壓力0.4 MPa，抽汽量550 t/h，低壓缸排汽量135 t/h。為了提高機(jī)組供熱能力，改善供熱經(jīng)濟(jì)性，對(duì)機(jī)組進(jìn)行了乏汽外引高背壓供熱改造。

2 系統(tǒng)改造原理與方法

2.1 改造原理

改造后的機(jī)組乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)示意圖如圖1所示。通過提高汽輪機(jī)背壓，在凝汽器喉部開孔外引回收汽輪機(jī)排汽，利用乏汽余熱提高機(jī)組供熱能力和經(jīng)濟(jì)性。乏汽采用兩級(jí)加熱系統(tǒng)加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，第一級(jí)為乏汽直接在前置凝汽器內(nèi)加熱熱網(wǎng)循環(huán)水；第二級(jí)采用增汽機(jī)技術(shù)，利用增汽機(jī)引射乏汽后在增汽機(jī)凝汽器內(nèi)繼續(xù)加熱熱網(wǎng)循環(huán)水。

圖1 機(jī)組乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)示意圖

供暖期間，機(jī)組優(yōu)先使用乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)，汽輪機(jī)提高排汽參數(shù)運(yùn)行，設(shè)計(jì)最高背壓為36.5 kPa。額定供熱工況下，溫度為55℃的熱網(wǎng)循環(huán)水回水經(jīng)前置凝汽器利用乏汽直接加熱至70.7℃后，再經(jīng)增汽機(jī)凝汽器利用增汽機(jī)引射乏汽繼續(xù)加熱至85.2℃，最后在熱網(wǎng)加熱器內(nèi)加熱后供至城市熱力供熱網(wǎng)。

2.2 改造方法

（2）在機(jī)組供熱抽汽管道上引接一路蒸汽至增汽機(jī)入口，作為增汽機(jī)動(dòng)力蒸汽引射部分外引乏汽。新增增汽機(jī)凝汽器和前置凝汽器凝結(jié)水管道及閥門，實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水由增汽機(jī)凝汽器至前置凝汽器再至汽輪機(jī)凝汽器逐級(jí)自流。

（3）新增增汽機(jī)凝汽器和前置凝汽器抽真空管道及閥門，并與汽輪機(jī)凝汽器抽真空管道連接。

（4）新增乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)熱網(wǎng)循環(huán)水管道及相關(guān)水泵、閥門、濾水器，將熱網(wǎng)循環(huán)水回水引入系統(tǒng)加熱，然后將熱網(wǎng)循環(huán)水供至熱網(wǎng)加熱器加熱。

（5）升級(jí)改造機(jī)組凝結(jié)水精處理等輔助系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整

3.1 主要設(shè)備運(yùn)行調(diào)整

前置凝汽器外引汽輪機(jī)乏汽主要通過前置凝汽器和汽輪機(jī)凝汽器的壓差來實(shí)現(xiàn)。正常情況下，進(jìn)入前置凝汽器的熱網(wǎng)循環(huán)水溫度和流量在短時(shí)間內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，通過調(diào)節(jié)進(jìn)入汽輪機(jī)凝汽器的循環(huán)水溫度和流量來提高汽輪機(jī)背壓[6-8]，使乏汽在壓差作用下進(jìn)入冷卻效果更好的前置凝汽器。

增汽機(jī)凝汽器外引汽輪機(jī)乏汽主要通過增汽機(jī)引射作用來實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)增汽機(jī)開度來增大增汽機(jī)引射作用，使乏汽在引射作用下進(jìn)入增汽機(jī)凝汽器來加熱熱網(wǎng)循環(huán)水。

式(5)說明，損失規(guī)避性購電商的期望效用是(風(fēng)險(xiǎn)中性時(shí)的)期望利潤和損失規(guī)避特性帶來的期望效用損失的和。購電商的目標(biāo)是給定批發(fā)價(jià)格下，確定最優(yōu)購電量使其期望效用最大。

增汽機(jī)是基于拉法爾噴嘴原理，采用供熱抽汽作為動(dòng)力蒸汽抽取乏汽并壓縮升壓，乏汽品位（飽和溫度）提高后進(jìn)入增汽機(jī)凝汽器加熱熱網(wǎng)循環(huán)水。增汽機(jī)為可調(diào)式增汽機(jī)，即增汽機(jī)的喉部噴嘴是可調(diào)節(jié)的，執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)噴嘴閥頭前進(jìn)與后退，從而達(dá)到調(diào)節(jié)噴嘴閥通流面積的效果，以調(diào)節(jié)動(dòng)力蒸汽量來引射乏汽。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行方式及調(diào)整方法

供熱初期對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水供水溫度要求較低，系統(tǒng)可采用增汽機(jī)未投運(yùn)方式運(yùn)行。供熱后期熱網(wǎng)循環(huán)水對(duì)供水溫度的要求較高，系統(tǒng)可采用增汽機(jī)投運(yùn)方式運(yùn)行。極寒供熱期可進(jìn)一步投運(yùn)抽汽供熱系統(tǒng)，以滿足熱網(wǎng)循環(huán)水供水溫度要求[9-10]。

3.2.1 增汽機(jī)未投運(yùn)方式

該方式下，前置凝汽器壓力主要取決于前置凝汽器入口熱網(wǎng)循環(huán)水溫度和流量，增汽機(jī)凝汽器壓力主要取決于增汽機(jī)凝汽器入口熱網(wǎng)循環(huán)水溫度和流量。系統(tǒng)運(yùn)行過程中通過調(diào)節(jié)汽輪機(jī)背壓，使其與前置凝汽器、增汽機(jī)凝汽器壓力存在一定壓差，從而達(dá)到外引乏汽、加熱熱網(wǎng)循環(huán)水的目的。

由于熱網(wǎng)循環(huán)水先在前置凝汽器被加熱，后在增汽機(jī)凝汽器被加熱，因此系統(tǒng)穩(wěn)定投運(yùn)后增汽機(jī)凝汽器壓力要高于前置凝汽器壓力。

系統(tǒng)熱網(wǎng)循環(huán)水出水溫度主要取決于乏汽溫度和壓力，即出水溫度的極限值為乏汽溫度或壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度[11-13]。因此要提高系統(tǒng)熱網(wǎng)循環(huán)水出水溫度，需通過提高汽輪機(jī)背壓來實(shí)現(xiàn)；當(dāng)汽輪機(jī)背壓無法進(jìn)一步提高時(shí)，若想進(jìn)一步提高系統(tǒng)熱網(wǎng)循環(huán)水出水溫度，則需投運(yùn)增汽機(jī)。

3.2.2 增汽機(jī)投運(yùn)方式

該方式下，由于增汽機(jī)的投運(yùn)，部分乏汽會(huì)隨增汽機(jī)動(dòng)力蒸汽引射進(jìn)入增汽機(jī)凝汽器進(jìn)行凝結(jié)換熱，部分乏汽在壓差作用下會(huì)進(jìn)入前置凝汽器進(jìn)行凝結(jié)換熱，隨著增汽機(jī)動(dòng)力蒸汽量的增加，增汽機(jī)引射乏汽量也會(huì)增加。

在前置凝汽器最大出力投運(yùn)基礎(chǔ)上，該方式下系統(tǒng)熱網(wǎng)循環(huán)水出水溫度主要取決于增汽機(jī)出口蒸汽溫度和壓力，即出水溫度的極限值為增汽機(jī)出口蒸汽溫度或壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度。而系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需通過調(diào)節(jié)增汽機(jī)開度增大增汽機(jī)動(dòng)力蒸汽量和引射乏汽量，提高增汽機(jī)出口蒸汽壓力和溫度。因此如果要提高系統(tǒng)熱網(wǎng)循環(huán)水出水溫度，需通過增大增汽機(jī)執(zhí)行器開度來實(shí)現(xiàn)。

3.2.3 間接空冷及循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整

機(jī)組間接空冷及循環(huán)水系統(tǒng)配置了3臺(tái)定速循環(huán)水泵和6個(gè)冷卻扇區(qū)，綜合考慮節(jié)能和系統(tǒng)運(yùn)行安全性、靈活性，采用至少1臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行和至少3個(gè)扇區(qū)運(yùn)行方式。運(yùn)行期間主要依靠調(diào)節(jié)冷卻扇區(qū)百葉窗開度來控制汽輪機(jī)背壓，但應(yīng)保證特殊情況下機(jī)組背壓能夠安全、及時(shí)和靈活調(diào)整，否則需增加運(yùn)行冷卻扇區(qū)數(shù)量或運(yùn)行循環(huán)水泵數(shù)量[14-17]。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整中出現(xiàn)的問題及解決措施

3.3.1 主要問題及解決措施

不同電負(fù)荷工況下，系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)了提高機(jī)組背壓引起運(yùn)行參數(shù)超限問題，主要有給水泵汽輪機(jī)排汽溫度高超限（制造廠規(guī)定高限值為100℃）及給水泵汽輪機(jī)出力不足、綜合閥位高超限（制造廠規(guī)定綜合閥位高限值為62%）等，如圖2所示。由于系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整過程中參數(shù)變化具有緩變、延遲等特點(diǎn)，圖中數(shù)據(jù)僅作為定性分析參考。由圖2可見，現(xiàn)有條件下，機(jī)組電負(fù)荷工況在250~300 MW基本可以保證汽輪機(jī)背壓在33 kPa及以上運(yùn)行。

圖2 機(jī)組不同電負(fù)荷下汽輪機(jī)最高背壓及出現(xiàn)的相應(yīng)問題

針對(duì)上述問題，制訂了以下解決措施：

（1）乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)投運(yùn)期間，機(jī)組負(fù)荷盡量維持250~300 MW穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，重點(diǎn)監(jiān)視給水泵汽輪機(jī)排汽溫度、綜合閥位參數(shù)，必要時(shí)可通過開啟給水泵汽輪機(jī)末級(jí)減溫水來輔助控制排汽溫度；通過調(diào)整汽輪機(jī)四段抽汽壓力來輔助控制給水泵汽輪機(jī)綜合閥位。

（2）咨詢給水泵汽輪機(jī)制造廠家，利用檢修機(jī)會(huì)對(duì)給水泵汽輪機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改造。

3.3.2 其他問題及解決措施

（1）前置凝汽器、增汽機(jī)凝汽器凝結(jié)水管道閥門未使用可自動(dòng)調(diào)節(jié)的閥門，致使系統(tǒng)運(yùn)行過程中凝汽器水位控制波動(dòng)較大、人工參與調(diào)節(jié)工作量大，自動(dòng)化程度偏低。后期可考慮對(duì)閥門進(jìn)行改造或增加可調(diào)節(jié)旁路管道。

（2）機(jī)組間接空冷及循環(huán)水系統(tǒng)配置了3臺(tái)定速循環(huán)水泵，從系統(tǒng)運(yùn)行安全角度考慮至少1臺(tái)循環(huán)水泵定速運(yùn)行。但該調(diào)節(jié)方式較單一，如果循環(huán)水泵至少有1臺(tái)能夠變速運(yùn)行，則可提高調(diào)節(jié)的靈活性、進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

4 改造效果分析

極寒期機(jī)組采用“乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)優(yōu)先出力+抽汽供熱系統(tǒng)輔助出力”供熱方式時(shí)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行了不同電負(fù)荷工況下最大供熱能力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。機(jī)組乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)改造前、后兩種供熱方式的最大供熱能力及熱電比對(duì)比曲線如圖4、圖5所示。由于系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整過程參數(shù)變化具有緩變、延遲等特點(diǎn)，圖中數(shù)據(jù)僅作為定性分析參考。

從圖3可以看出，機(jī)組電負(fù)荷工況為250~280 MW時(shí)，機(jī)組供熱能力在438 MW以上，熱電比在1.49以上。從圖4、圖5可以看出，乏汽外引高背壓供熱改造后機(jī)組的供熱能力大幅提高。

圖3 機(jī)組不同電負(fù)荷工況下最大供熱能力及熱電比

圖4 機(jī)組乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)改造前后兩種供熱方式最大供熱能力對(duì)比

圖5 機(jī)組乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)改造前后兩種供熱方式熱電比對(duì)比

5 結(jié)語

該超臨界間接空冷機(jī)組乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)改造后，機(jī)組的供熱能力大幅提高，電負(fù)荷工況為250~280 MW時(shí)機(jī)組供熱能力較強(qiáng)，改造經(jīng)驗(yàn)可供類似機(jī)組供熱改造借鑒。需要指出的是，乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)改造主要適用于抽汽供熱機(jī)組，而且改造前應(yīng)對(duì)汽輪機(jī)在不同電負(fù)荷工況時(shí)高背壓下的安全性進(jìn)行充分評(píng)估。