周明君，張 穎，劉秋升，李 瓊,2，郭江龍,2

（1.河北建投能源科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河北 石家莊 050000；2.河北省火力發(fā)電清潔高效熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050000）

0 引言

在我國(guó)，集中供熱通常采用將熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中汽輪機(jī)做過功的級(jí)間抽汽與一次熱網(wǎng)水進(jìn)行換熱，進(jìn)而放出汽化潛熱的方式。隨著城鎮(zhèn)化速度的加快，我國(guó)集中供熱面積也在逐年增長(zhǎng)。截止2020 年，我國(guó)城市集中供熱面積約9.88 億m2，比2019 年增長(zhǎng)6.82%，熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱是一種節(jié)約能源的技術(shù)手段，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組效率可達(dá)60%～80%[1,2]。在運(yùn)行過程中，熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱仍然存在余壓余熱利用不合理的地方：同類型的供熱機(jī)組中，供熱蒸汽溫度大多在230 ℃以上，而熱網(wǎng)一次供水所需溫度通常在110 ℃左右[3]。從換熱角度來說，大的換熱溫差雖然強(qiáng)化了換熱，但同樣導(dǎo)致了較大的不可逆換熱損失。同時(shí)，隨著地板輻射采暖以及新型建筑保溫材料的普及應(yīng)用，熱用戶的供熱末端正在向著低溫化、高效化發(fā)展；這導(dǎo)致出現(xiàn)末端供水溫度還未達(dá)到設(shè)計(jì)值就已經(jīng)滿足供熱需求的現(xiàn)象[4]。此外，由于熱網(wǎng)首站的熱網(wǎng)加熱器在運(yùn)行過程中往往成微負(fù)壓狀態(tài)，對(duì)于供熱機(jī)組，從抽汽口到熱網(wǎng)加熱器之前存在著0.2～0.4 MPa 的壓損[5]；對(duì)于純凝改供熱的機(jī)組，供熱蒸汽壓力可高達(dá)1.0 MPa，熱電廠往往通過減壓閥使供熱蒸汽達(dá)到熱網(wǎng)加熱器運(yùn)行所需參數(shù)[6]。以上問題造成了供熱蒸汽能量，尤其是供熱蒸汽中具有做功能力的高品質(zhì)能量沒有得到充分合理利用。

通過增設(shè)小型背壓機(jī)拖動(dòng)熱網(wǎng)循環(huán)泵，或者利用發(fā)電機(jī)對(duì)供熱蒸汽中的高品質(zhì)能量進(jìn)行有效回收，可實(shí)現(xiàn)供熱蒸汽能量的充分利用[7]。許多學(xué)者對(duì)此也進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[8]針對(duì)300 MW 純凝改供熱機(jī)組存在的抽汽壓力偏高問題，對(duì)在供熱蒸汽母管增設(shè)背壓機(jī)和熱泵2 種供熱蒸汽余壓利用方式進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：增設(shè)背壓機(jī)可以明顯降低廠用電，提高機(jī)組對(duì)外供電能力；而增設(shè)熱泵方式可以增加電廠對(duì)外供熱能力。電廠可根據(jù)實(shí)際需求做出選擇。文獻(xiàn)[9]針對(duì)于純凝機(jī)組改供熱機(jī)組存在的抽汽參數(shù)高的問題，提出了利用供熱蒸汽驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)和做功發(fā)電的方案，并對(duì)2 種方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評(píng)估。文獻(xiàn)[10]以供熱蒸汽進(jìn)行余壓發(fā)電過程為研究背景，對(duì)廠用電系統(tǒng)的影響因素進(jìn)行了分析，并提出：在機(jī)組投運(yùn)時(shí)，為確保機(jī)組安全，應(yīng)根據(jù)實(shí)際錄波進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)[11]分別針對(duì)單機(jī)型、雙機(jī)型的純凝機(jī)供熱改造進(jìn)行了理論分析，結(jié)果表明：應(yīng)用背壓機(jī)進(jìn)行供熱改造具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[12]以300 MW 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為研究對(duì)象，對(duì)其經(jīng)過供熱蒸汽余壓改造后的熱力性能進(jìn)行了分析，并與常規(guī)熱網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：采用蒸汽余壓利用技術(shù)以后，熱網(wǎng)系統(tǒng)?效率和熱電聯(lián)產(chǎn)熱效率都有所提高，節(jié)能效益顯著。文獻(xiàn)[13]對(duì)增設(shè)小型背壓機(jī)供熱改造后機(jī)組運(yùn)行情況進(jìn)行了節(jié)能分析，結(jié)果表明：小型背壓機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能減排收益可觀，為電廠創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[14]對(duì)以采暖抽汽為汽源的小汽輪機(jī)拖動(dòng)熱網(wǎng)循環(huán)泵的供熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：一個(gè)采暖期可降低機(jī)組供電煤耗1.8 g/kW·h。

上述對(duì)于供熱蒸汽余壓利用的研究，主要集中在供熱改造中的整體方案和對(duì)改造后機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性分析方面，而對(duì)在改造過程中供熱蒸汽余壓發(fā)電設(shè)備的具體選型方面研究很少，尤其是在余壓發(fā)電系統(tǒng)中的核心設(shè)備——汽輪機(jī)的選型方面。汽輪機(jī)的合理選型，將使供熱蒸汽中的高品質(zhì)能量能夠更加充分地被利用，因此有必要對(duì)此進(jìn)行深入研究。本文基于某300 MW 亞臨界機(jī)組進(jìn)行供熱蒸汽余壓改造的方案，對(duì)汽輪機(jī)的選型過程進(jìn)行深入分析，為同類型機(jī)組改造提供參考。

1 供熱概況及改造方案

1.1 供熱概況

某電廠1、2 號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)為300 MW 亞臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、抽汽凝汽式汽輪機(jī)，汽輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。電廠以2 臺(tái)汽輪機(jī)的五段抽汽作為采暖蒸汽加熱熱網(wǎng)水，實(shí)現(xiàn)對(duì)外供熱；2 臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)供熱能力790 MW，每臺(tái)機(jī)配有2 臺(tái)熱網(wǎng)加熱器；機(jī)組之間的熱網(wǎng)加熱器串聯(lián)連接，熱網(wǎng)水經(jīng)熱網(wǎng)循環(huán)泵加壓后依次經(jīng)過1、2 號(hào)機(jī)對(duì)應(yīng)的2 臺(tái)熱網(wǎng)加熱器被加熱到熱網(wǎng)所需供水溫度。原熱網(wǎng)系統(tǒng)圖如圖1 所示，機(jī)組設(shè)計(jì)熱網(wǎng)水流量9 600 t/h。一個(gè)采暖期內(nèi)，機(jī)組供熱量與熱網(wǎng)水流量的變化關(guān)系如圖2 所示。

圖1 原熱網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 Original heating network system

圖2 采暖期內(nèi)機(jī)組供熱量與熱網(wǎng)水的變化關(guān)系Fig.2 Variation relationship between unit heating supply capacity and heating supply network water during heating period

表1 汽輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of steam turbine

1.2 改造方案

為了回收供熱蒸汽能量中具有做功能力的部分，實(shí)現(xiàn)供熱蒸汽能量的梯級(jí)利用，如圖3 所示，擬對(duì)2 號(hào)機(jī)進(jìn)行供熱蒸汽余壓發(fā)電改造：增設(shè)2 臺(tái)6 MW 功?熱汽輪機(jī)，分別拖動(dòng)2 臺(tái)高壓異步發(fā)電機(jī)發(fā)電；將2 號(hào)機(jī)的供熱蒸汽分流一部分先經(jīng)過功?熱汽輪機(jī)做功發(fā)電，發(fā)電機(jī)所發(fā)電直接并入2 號(hào)機(jī)高壓廠用電系統(tǒng)，替代部分用電設(shè)備廠用電；功?熱汽輪機(jī)的進(jìn)汽取自2 號(hào)機(jī)采暖蒸汽母管，排汽進(jìn)入新增乏汽加熱器對(duì)熱網(wǎng)回水進(jìn)行初級(jí)加熱。

圖3 改造后熱網(wǎng)系統(tǒng)Fig.3 Heating network system after transformation

熱網(wǎng)回水分為2 個(gè)支路：一支路直接進(jìn)入1 號(hào)機(jī)熱網(wǎng)加熱器；另一支路先經(jīng)過新增乏汽加熱器，被加熱后匯入1 號(hào)機(jī)熱網(wǎng)加熱器出口母管。2 支路合并后進(jìn)入2 號(hào)機(jī)熱網(wǎng)加熱器。

2 功-熱汽輪機(jī)選型

2.1 進(jìn)汽參數(shù)確定

功?熱汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)中最重要的是進(jìn)汽壓力?？紤]到采暖期機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)的實(shí)際運(yùn)行工況：若進(jìn)汽參數(shù)設(shè)計(jì)取值偏高，可能導(dǎo)致功?熱汽輪機(jī)在熱負(fù)荷較低的時(shí)間段難以在額定工況下運(yùn)行；若進(jìn)汽參數(shù)設(shè)計(jì)取值偏低，雖然能保證機(jī)組以額定功率運(yùn)行，但當(dāng)采暖蒸汽壓力高于功?熱汽輪機(jī)額定進(jìn)汽壓力時(shí)，為了保證功?熱汽輪機(jī)以額定功率運(yùn)行以及考慮到安全因素，運(yùn)行中會(huì)通過減小進(jìn)汽調(diào)門開度，增大節(jié)流作用，這將降低機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

綜合以上因素，首先統(tǒng)計(jì)了機(jī)組一個(gè)采暖期內(nèi)采暖蒸汽壓力值大小，得出結(jié)果：采暖期內(nèi)采暖蒸汽壓力平均值0.376 MPa，采暖蒸汽溫度平均值245 ℃。對(duì)比主機(jī)廠提供的中排抽汽壓力運(yùn)行控制曲線（如圖4 所示）可知：中排抽汽壓力運(yùn)行下限為0.38 MPa。采暖期實(shí)際運(yùn)行操作過程中，機(jī)組電負(fù)荷下限150 MW，此時(shí)中排壓力實(shí)際值0.36 MPa?；谝陨弦蛩匾约翱紤]到新增蒸汽管道壓損，暫定功?熱汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力取0.36 MPa，進(jìn)氣溫度取240 ℃。

圖4 調(diào)節(jié)級(jí)后壓力與中排壓力關(guān)系Fig.4 Relationship between pressure after regulating stage and intermediate discharge pressure

2.2 排汽參數(shù)確定

功?熱汽輪機(jī)排汽進(jìn)入新增乏汽加熱器加熱熱網(wǎng)水，放出汽化潛熱。首先排汽壓力可以根據(jù)乏汽加熱器的上端差確定。加熱器上端差為加熱器進(jìn)汽壓力下的飽和溫度與加熱器出口水溫之差。當(dāng)乏汽加熱器溫升一定時(shí)，不同乏汽加熱器端差下，功?熱汽輪機(jī)排汽壓力變化如圖5 所示。由圖5 可知，在乏汽加熱器端差一定的情況下，隨著乏汽加熱器溫升的不斷增大，所需的功?熱汽輪機(jī)排汽壓力越來越高；而且同一溫升下，隨著乏汽加熱器端差的不斷增大，所需功?熱汽輪機(jī)的排汽壓力也越來越高，溫升越高，加熱器所需排汽壓力漲幅越大。在加熱器溫從20 ℃升高到30 ℃過程中，端差每升高1 ℃，所需飽和壓力增加量由2.46 kPa 增加到2.88 kPa。

圖5 乏汽加熱器端差與功?熱汽輪機(jī)排汽壓力變化關(guān)系Fig.5 Variation relationship between exhaust steam pressure of the power heat turbine and end difference of the exhaust steam heater

本文統(tǒng)計(jì)的采暖期熱網(wǎng)回水平均溫度為55 ℃。此外，采暖初、末期熱網(wǎng)供水溫度在75 ℃～80 ℃之間；因此乏汽加熱器設(shè)計(jì)溫升取25 ℃，以便在采暖初末期對(duì)熱網(wǎng)供水溫度進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。此外，功?熱汽輪機(jī)排汽作為過熱蒸汽，其參數(shù)還影響著自身的內(nèi)效率：內(nèi)效率越高，相同做功能力下，消耗的供熱蒸汽量越少。當(dāng)功?熱汽輪機(jī)內(nèi)效率變化時(shí)，相同功率下蒸汽做功焓降和所需的蒸汽量如圖6 所示。由圖6 可知，隨著功?熱汽輪機(jī)內(nèi)效率的不斷提高，單位質(zhì)量蒸汽的做功焓降越大，相同功率下需要的蒸汽量越小。以額定功率6 MW為基準(zhǔn)，當(dāng)功?熱汽輪機(jī)內(nèi)效率在74%～84%范圍內(nèi)變化時(shí)，內(nèi)效率每降低1%，所需供熱蒸汽量增加2.26 t/h。

圖6 蒸汽做功焓降和所需蒸汽量隨功?熱汽輪機(jī)內(nèi)效率的變化關(guān)系Fig.6 Relationship between the enthalpy drop of steam and the amount of steam required with the internal efficiency of power?heat steam turbine

功?熱汽輪機(jī)內(nèi)效率的大小，表征的是單位質(zhì)量供熱蒸汽中蒸汽過熱度利用度的高低，同時(shí)也代表了蒸汽焓降在功?熱汽輪機(jī)和乏汽加熱器中的分配占比。雖然高的內(nèi)效率可以使單位質(zhì)量的供熱蒸汽中更多的高品質(zhì)熱能被回收利用，但能量的減少同樣導(dǎo)致了供熱蒸汽的加熱能力下降，因此：功?熱汽輪機(jī)的內(nèi)效率并非越高越好；而且功?熱汽輪機(jī)排汽被熱網(wǎng)水冷卻，近似于無冷端損失。拖動(dòng)發(fā)電機(jī)只有約1%的機(jī)械軸承損失，發(fā)電機(jī)效率取96%，則可計(jì)算出功?熱汽輪機(jī)的發(fā)電熱耗率為3 788 J/W·h，遠(yuǎn)低于主機(jī)的發(fā)電熱耗率。因此，無需要求過高的內(nèi)效率。根據(jù)乏汽加熱器回水溫度和溫升，取乏汽加熱器端差為10 ℃，暫取功?熱汽輪機(jī)內(nèi)效率80%，此時(shí)功?熱汽輪機(jī)排汽壓力為0.07 MPa，排汽溫度105 ℃。

2.3 進(jìn)汽量確定

進(jìn)汽量主要影響功?熱汽輪機(jī)的輸出功率，即發(fā)電機(jī)的容量。發(fā)電機(jī)通常選用異步發(fā)電機(jī)，所發(fā)電量并入機(jī)組廠用電高壓段。遵循所發(fā)電量本段消納，自發(fā)自用，不影響系統(tǒng)原運(yùn)行方式的原則，因此要考慮廠用電段的負(fù)荷大小。此外，還要考慮是否有足夠的供熱蒸汽滿足功?熱汽輪機(jī)進(jìn)汽量需求。因此功?熱汽輪機(jī)進(jìn)汽量的確定要綜合考慮2 個(gè)因素：外部因素—廠用電負(fù)荷，內(nèi)部因素—供熱蒸汽量。

本項(xiàng)目容量2×6 MW，主要基于以下因素考慮：2 號(hào)機(jī)采暖期實(shí)際廠用電負(fù)荷約15.9 MW，其中A 段負(fù)荷7.092 MW，B 段負(fù)荷8.860 MW；2 臺(tái)機(jī)所發(fā)電量分別并入6 kV 工作A 段和B 段，電量均可在本段消納。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)了一個(gè)采暖期內(nèi)2 號(hào)機(jī)的供熱蒸汽量的變化情況如圖7 所示。

圖7 2 號(hào)機(jī)采暖抽汽量Fig.7 Heating extraction capacity of unit 2 steam turbine

由圖7 可知，除了采暖初、末期的部分時(shí)間2號(hào)機(jī)供熱蒸汽量小于200 t/h 以外，其他時(shí)間采暖抽汽量均在200 t/h 以上；故暫定單臺(tái)功?熱汽輪機(jī)進(jìn)汽量要小于100 t/h。由圖6 可知，當(dāng)功?熱汽輪機(jī)內(nèi)效率為80%的時(shí)，所需的蒸汽量約為89 t/h，故采暖初、末期能夠滿足需求。

2.4 技術(shù)參數(shù)核算

根據(jù)對(duì)影響功?熱汽輪機(jī)選型的各項(xiàng)因素分析結(jié)果，對(duì)功?熱汽輪機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)及其冷端進(jìn)行核算。

功?熱汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力0.36 MPa，進(jìn)汽溫度240 ℃，進(jìn)汽焓為2 945.32 J/g，排汽壓力0.007 MPa，排汽溫度105 ℃，排汽焓為2 689.94 J/g，此時(shí)功?熱汽輪機(jī)內(nèi)效率為80.4%。異步發(fā)電機(jī)效率取96%，機(jī)械效率取99%，進(jìn)汽量取89 t/h。核算功?熱汽輪機(jī)組的發(fā)電功率為6 006.08 kW。將單位質(zhì)量的供熱蒸汽中255.62 J/g 的高品質(zhì)能量轉(zhuǎn)換成了電能，符合2×6 MW 的容量選型。2 臺(tái)機(jī)共需采暖蒸汽178 t/h，供熱蒸汽量滿足需求。

乏汽加熱器進(jìn)汽壓力0.070 MPa，進(jìn)汽溫度105 ℃，進(jìn)汽焓為2 689.82 J/g，疏水焓376.68 J/g，加熱器溫升25 ℃。于是，單臺(tái)乏汽加熱器所需理論循環(huán)水流量為1 967 t/h，2 臺(tái)乏汽加熱器共需熱網(wǎng)水3.934×103t/h。由圖2 得知，采暖初、末期電廠熱網(wǎng)水流量6×103t/h 左右，熱網(wǎng)水流量亦滿足功?熱汽輪機(jī)冷端需求。最終確定功?熱汽輪機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 功?熱汽輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of the power?heat steam turbine

3 結(jié)論

本文結(jié)合某300 MW 供熱機(jī)組采暖期內(nèi)的各項(xiàng)具體參數(shù)，對(duì)供熱蒸汽余壓發(fā)電系統(tǒng)中汽輪機(jī)的選型參數(shù)進(jìn)行了分析。

（1）進(jìn)汽參數(shù)的確定要綜合考慮采暖期內(nèi)供熱蒸汽實(shí)際運(yùn)行壓力的大小和機(jī)組采暖期內(nèi)電負(fù)荷下限確定，可參考采暖期內(nèi)供熱蒸汽壓力、溫度的均值。

（2）排汽參數(shù)可根據(jù)乏汽換熱器的進(jìn)、出水溫度、上端差以及內(nèi)效率確定。

（3）容量的確定要綜合考慮廠用電容量和機(jī)組采暖抽汽量，其次還要考慮采暖初、末期是否有足夠的熱網(wǎng)水量滿足功?熱汽輪機(jī)的冷端需求。

（4）新增的功?熱汽輪機(jī)配備了乏汽加熱器作為冷端，改造后的供熱系統(tǒng)供熱蒸汽能量利用方式更加合理，同時(shí)增加了熱網(wǎng)系統(tǒng)在采暖初、末期運(yùn)行調(diào)節(jié)的靈活性。