李定青，李德波，董啟盛

（1.陽(yáng)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）

0 引言

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(wèn)題，不符合國(guó)家節(jié)能減排淘汰落后產(chǎn)能的政策要求［1］。隨著國(guó)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(lèi)清潔能源蒸汽成本來(lái)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。

1 供熱概況

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(jiàn)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 ℃。

2 改造方案

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(jiàn)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(guò)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(jiàn)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)

3 熱經(jīng)濟(jì)性比較

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(jiàn)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(wàn)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

4 方案論證及系統(tǒng)改造

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。

4.1 抽汽口開(kāi)孔設(shè)計(jì)

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(kāi)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(kāi)一個(gè)孔口，如圖4所示。

圖4 打孔抽汽供熱改造

為減少開(kāi)孔口在圓周方向上的長(zhǎng)度，開(kāi)孔設(shè)計(jì)為橢圓形，開(kāi)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(kāi)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(chēng)布置，以便使汽流在汽缸內(nèi)對(duì)稱(chēng)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(kāi)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］。

4.2 凝汽器補(bǔ)水除氧改造

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(guò)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(guò)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。

4.3 汽水系統(tǒng)加藥方式調(diào)整

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(lái)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］。

4.4 化水車(chē)間制水改造

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(guò)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(mén)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(chē)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。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)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(kāi)孔設(shè)計(jì)、凝汽器除氧改造、汽水加藥方式調(diào)整、化水車(chē)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。