李定青,李德波,董啟盛
(1.陽山南電生物質(zhì)發(fā)電有限公司,廣東 清遠(yuǎn) 513100;2.南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司,廣東 廣州 510080;3.廣東粵電湛江生物質(zhì)發(fā)電有限公司,廣東 湛江 524300)
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,集中式供熱需求不斷增長(zhǎng),小型分散工業(yè)鍋爐供熱存在高耗能、高污染、低熱效率等問題,不符合國家節(jié)能減排淘汰落后產(chǎn)能的政策要求[1]。隨著國家藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃的實(shí)施,小型分散供熱鍋爐逐漸將被淘汰[2],清潔供熱逐漸興起,清潔熱源需求增長(zhǎng)。而在清潔供熱中應(yīng)用較為成熟和便利的天然氣供熱受到氣源緊缺,成本較高的限制,取得的效果不理想。對(duì)比各類清潔能源蒸汽成本來看,生物質(zhì)供熱的綜合成本較低,技術(shù)成熟,逐漸成為工業(yè)生產(chǎn)清潔供熱的主力軍。
以50 MW 純凝生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組為例,結(jié)合熱用戶需求對(duì)3 種可選供熱改造方案進(jìn)行比較分析,提出經(jīng)濟(jì)性較好的優(yōu)選方案并在技術(shù)層面上進(jìn)行分析論證。
某電廠2×50 MW 發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)為N50-88.3/535型高溫高壓、單軸、單缸、沖動(dòng)凝汽式汽輪機(jī),由東方汽輪機(jī)廠制造,汽輪機(jī)在汽輪機(jī)額定負(fù)荷(Turbine Rated Load,TRL)的主要熱力特性參數(shù)見表1。
表1 汽輪機(jī)主要熱力特性(TRL工況)
工業(yè)園熱用戶主要有飼料、醫(yī)藥、食品等生產(chǎn)制造企業(yè),供熱所需蒸汽參數(shù)全年較為穩(wěn)定,蒸汽參數(shù)要求為0.8~1.0 MPa,180~200 ℃,流量50 t/h,考慮供熱管道溫度、壓力損失,設(shè)計(jì)供熱蒸汽參數(shù)為1.25 MPa,230 ℃。
凝汽式汽輪機(jī)供熱改造常用的方案有3 種:一是將高壓蒸汽減溫減壓后使其達(dá)到供熱參數(shù)要求;二是對(duì)汽輪機(jī)本體進(jìn)行通流改造[3-6];三是利用壓力匹配器將高壓蒸汽與低壓蒸汽混合使其壓力、溫度達(dá)到蒸汽參數(shù)要求。結(jié)合熱用戶需求,盡可能降低投資成本,提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)安全性能,可選的供熱方案主要有如下3種方式。
1)切除1 號(hào)高溫加熱器、2 號(hào)高溫加熱器進(jìn)行取汽供熱,分別對(duì)一、二段抽汽進(jìn)行減溫減壓并匯集于分汽缸進(jìn)行對(duì)外供熱,汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)不做改動(dòng),工藝流程如圖1 所示。根據(jù)汽輪機(jī)廠家提供熱平衡圖核算各汽源參數(shù),見表2,一、二段抽汽蒸汽品質(zhì)與熱負(fù)荷參數(shù)較接近,TRL工況下兩臺(tái)機(jī)組一、二段抽汽量為52 t/h,主汽減溫減壓后蒸汽作為備用汽源,該方案改造工程量小,技術(shù)方案較成熟,對(duì)原系統(tǒng)影響小,但經(jīng)濟(jì)性一般,特別是一臺(tái)機(jī)組停運(yùn)時(shí)需主蒸汽減溫減壓后作為補(bǔ)充汽源,焓值損失大,影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。
圖1 方案一供熱改造
表2 方案一汽源參數(shù)
2)對(duì)汽輪機(jī)本體打孔抽汽對(duì)外進(jìn)行供熱。對(duì)汽輪機(jī)本體進(jìn)行小范圍改造,即在原二段抽汽口附近沿圓周方向左右各增加一個(gè)非調(diào)整抽汽口,對(duì)汽輪機(jī)第八級(jí)通流進(jìn)行改造,同時(shí)對(duì)機(jī)組抽汽逆止閥和快關(guān)閥進(jìn)行改造,改造后單臺(tái)機(jī)組即可滿足50 t/h抽汽量的需求。該方案改造后機(jī)組通流匹配性更合理,經(jīng)濟(jì)性高。但改造后抽汽流量大大增加,高壓部分調(diào)節(jié)級(jí)前與抽汽口壓差增大,通流部分容易過負(fù)荷,需要增加該級(jí)葉片強(qiáng)度防止葉片受力增大出現(xiàn)斷裂事故。
圖2 方案二供熱改造
3)一段抽汽、二段抽汽作為高壓汽源,三段抽汽、四段抽汽作為低壓汽源,利用壓力匹配器將高低壓氣源進(jìn)行混合再匯集于分汽缸經(jīng)減溫減壓后對(duì)外供汽,如圖3 所示。根據(jù)汽輪機(jī)廠家提供熱平衡圖核算各汽源參數(shù),見表3,在不改造汽輪機(jī)本體的情況下,采用壓力匹配器混合高低壓汽源經(jīng)減溫減壓后,TRL 工況下兩臺(tái)機(jī)組可產(chǎn)生52 t/h 蒸汽量,主汽減溫減壓后蒸汽作為備用汽源。該方案改造工程量較小,經(jīng)濟(jì)性較方案一好,但供熱系統(tǒng)運(yùn)行復(fù)雜化,維護(hù)工作量大,同時(shí)壓力匹配器的蒸汽參數(shù)調(diào)節(jié)范圍小,機(jī)組變工況運(yùn)行時(shí)供熱蒸汽參數(shù)不穩(wěn)定。
圖3 方案三供熱改造
表3 方案三汽源參數(shù)
1)方案一切除1 號(hào)、2 號(hào)高溫加熱器取汽供熱,在TRL工況下,單臺(tái)機(jī)組輸出功率50 MW,對(duì)外供熱量為26 t/h,兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行最大可滿足52 t/h 的供熱量,機(jī)組熱耗率為9 110 kJ/kWh。
2)方案二汽輪機(jī)本體打孔抽汽供熱,在TRL 工況下,單臺(tái)機(jī)組輸出功率50 MW,單臺(tái)機(jī)組即可對(duì)外供熱量50 t/h,機(jī)組熱耗率為8 189 kJ/kWh。
3)方案三利用壓力匹配器混合高低壓汽源進(jìn)行供熱,在TRL 工況下,單臺(tái)機(jī)組輸出功率50 MW,對(duì)外供熱量為26 t/h,兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行最大可滿足52 t/h的供熱量,機(jī)組熱耗率為8 916 kJ/kWh。
4)對(duì)以上三種方案的熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較,結(jié)果見表4。由表4 可知,在相同發(fā)電和供熱負(fù)荷情況下,方案二的熱耗率最低,較方案三降低727 kJ/kWh,較方案一降低921 kJ/kWh,同時(shí)方案二年度燃料消耗增加量最低,僅為3.49萬t生物質(zhì)燃料。另外,方案一和方案三在單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)需要主蒸汽減溫減壓后作為補(bǔ)充汽源,導(dǎo)致主蒸汽焓值損失大,影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。因此,在滿足供熱用戶需求的同時(shí),盡可能提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性,推薦采用方案二進(jìn)行改造。
表4 供熱改造方案熱經(jīng)濟(jì)性比較
根據(jù)熱經(jīng)濟(jì)性比較結(jié)果,方案二汽輪機(jī)本體打孔抽汽改造對(duì)外供熱方案優(yōu)勢(shì)明顯,但需要對(duì)方案的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析論證和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。
在汽輪機(jī)熱耗率驗(yàn)收工況(Turbine Heat Acceptance,THA)下,汽輪機(jī)二段抽汽(即第8 壓力級(jí)后)壓力1.363 MPa,為滿足供熱需求,開孔抽汽位置選在汽輪機(jī)高壓段第8 級(jí)后,在原有二段回?zé)岢槠谂赃呇貓A周方向左右各開一個(gè)孔口,如圖4所示。
圖4 打孔抽汽供熱改造
為減少開孔口在圓周方向上的長(zhǎng)度,開孔設(shè)計(jì)為橢圓形,開孔尺寸根據(jù)抽汽參數(shù)、抽汽量和蒸汽流速計(jì)算確定[7-10],計(jì)算公式為
式中:F為開孔面積,m2;G為抽汽量,kg/h;V為抽汽比容,m3/h;C為抽汽蒸汽流速,m/s;μ為阻力系數(shù),一般取0.95。
抽汽口蒸汽流速通常保持在30~40 m/s。抽汽口采取對(duì)稱布置,以便使汽流在汽缸內(nèi)對(duì)稱流動(dòng)。由于非調(diào)整抽汽的蒸汽壓力隨總進(jìn)汽量變化而變化,因此非調(diào)整抽汽要求比較穩(wěn)定的抽汽量并與額定進(jìn)汽量相適應(yīng)。當(dāng)抽汽量大于額定進(jìn)汽量的25%時(shí),為保證所要求的抽汽參數(shù),考慮對(duì)抽汽口后壓力級(jí)的隔板堵塞一定數(shù)量的噴嘴。抽汽口開孔采用機(jī)械鉆孔后修磨工藝,接管時(shí)需將汽缸局部預(yù)熱到250~300 ℃,避免汽缸產(chǎn)生變形。同時(shí),抽汽管路應(yīng)考慮合適的間距便于工作,管道導(dǎo)向支架應(yīng)允許管道在前后左右方向膨脹,避免抽汽管道膨脹受阻[11-15]。
原兩臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行補(bǔ)充除鹽水量約為70 t/d,供熱改造后補(bǔ)充除鹽水量增至約52 t/h,除鹽水補(bǔ)水中含氧量約為7 000 μg/L,凝汽器出口凝結(jié)水含氧量將急劇上升[12]。為避免鍋爐熱力系統(tǒng)管道產(chǎn)生氧腐蝕,需要對(duì)凝汽器喉部補(bǔ)水噴嘴進(jìn)行改造,使出口凝結(jié)水含氧量控制在30 μg/L 以下。通過在凝汽器喉部補(bǔ)水管出口增加兩組新型膜式噴嘴,補(bǔ)充除鹽水通過膜式噴嘴在喉部形成水幕,利用汽輪機(jī)排汽加熱除鹽水,溶解在除鹽水中的氧析出隨抽真空系統(tǒng)排出,最終實(shí)現(xiàn)降低凝結(jié)水含氧量的目的。
熱用戶對(duì)供熱蒸汽的利用方式有2 種,一種是間接使用蒸汽加熱,只利用熱能來加熱、做功,另一種是利用蒸汽直接接觸加熱食品級(jí)產(chǎn)品。對(duì)于直接接觸利用蒸汽對(duì)汽水品質(zhì)要求較高,必須滿足GB/T 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的要求。原機(jī)組給水采取還原性全揮發(fā)處理方式(All-Vdatile Treatment(Reduction),AVT(R))除氧,這種方式加入了劇毒物質(zhì)聯(lián)氨,聯(lián)氨在爐內(nèi)水處理中起到化學(xué)除氧作用,雖然聯(lián)氨在300 ℃時(shí)能與氧有效反應(yīng)并分解,但由于蒸汽的攜帶作用有可能會(huì)造成供熱蒸汽攜帶聯(lián)氨或是造成蒸汽氨氮超標(biāo)不符合GB/T 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的要求。因此,將(AVT(R))改為弱氧化性全揮發(fā)處理方式(All-Volatile Treatment(oxidation),AVT(O)),即是采取給水停止加聯(lián)氨,保持給水處于微氧環(huán)境,僅利用除氧器進(jìn)行熱力除氧將給水含氧量控制在10 μg/L 以內(nèi),同時(shí)調(diào)整高壓給水pH 值在9.0~9.2 范圍,這樣既可防止熱力系統(tǒng)氧腐蝕,又滿足熱用戶對(duì)蒸汽品質(zhì)的要求[16-20]。
機(jī)組對(duì)外供熱后,冷凝水不考慮回收,改造后機(jī)組正常供熱除鹽水補(bǔ)水按照60 t/h計(jì)算,考慮機(jī)組特殊情況下,例如鍋爐爆管、熱態(tài)啟機(jī),機(jī)組短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)水量預(yù)計(jì)超過140 t/h,而改造前兩臺(tái)機(jī)組除鹽水補(bǔ)水母管Φ108 mm×4 及分支補(bǔ)水管DN50 是不滿足改造后除鹽水補(bǔ)水量的要求,需要將除鹽水補(bǔ)水母管到兩臺(tái)機(jī)組凝汽器的分支補(bǔ)水管道、補(bǔ)水泵入口母管及相關(guān)閥門等配套設(shè)備進(jìn)行改造,改造管道按照最大補(bǔ)水量進(jìn)行設(shè)計(jì),確保滿足凝汽器補(bǔ)水需求。此外,為滿足除鹽水補(bǔ)水的出力,對(duì)原化水處理車間除鹽水泵進(jìn)行擴(kuò)容改造為3×60 t/h,一用兩備。
綜上所述,采用方案二改造后,機(jī)組運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)可控,方案具備可行性。
通過對(duì)高溫加熱器切除、非調(diào)整打孔抽汽、高低壓汽源匹配三種供熱改造方案進(jìn)行比較分析,得出非調(diào)整打孔抽汽供熱改造方案熱經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。
對(duì)非調(diào)整打孔抽汽供熱改造方案,從抽汽口開孔設(shè)計(jì)、凝汽器除氧改造、汽水加藥方式調(diào)整、化水車間制水能力等方面進(jìn)行分析論證,得出非調(diào)整打孔抽汽供熱改造方案的可行結(jié)論。
采取非調(diào)整打孔抽汽供熱改造方案實(shí)施后,機(jī)組由凝汽式改為抽凝式,進(jìn)汽參數(shù)不發(fā)生改變,單臺(tái)機(jī)組抽汽量可達(dá)到50 t/h,滿足熱用戶需求。在抽汽量50 t/h、發(fā)電功率50 MW 工況時(shí),機(jī)組熱耗率為8 189 kJ/kWh,熱效率可達(dá)到61.94%,熱電比為92.3,符合供熱改造要求。