成渫畏，王學(xué)棟

（1.華電集團(tuán)有限公司山東公司，山東 濟(jì)南 250014；2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

0 引言

目前，雖然新能源發(fā)電技術(shù)得到飛躍發(fā)展，但燃煤發(fā)電仍舊占據(jù)主導(dǎo)地位，截至2020 年年底，全國全口徑發(fā)電裝機(jī)容量22.02 億kW，其中火電裝機(jī)12.45 億kW，裝機(jī)占比56.54%，全國6 000 kW 及以上火電廠供電煤耗304.9 g/kWh，煤電機(jī)組仍是當(dāng)前的耗煤大戶，節(jié)能減排的壓力巨大。隨著國家“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，國家對燃煤火電機(jī)組高效清潔發(fā)電更加重視，陸續(xù)出臺(tái)的一系列政策引導(dǎo)和規(guī)范發(fā)電企業(yè)向高效、清潔發(fā)電方向發(fā)展，大容量純凝機(jī)組改集中供熱替代效率低小鍋爐、小熱電成為節(jié)能減排的有效手段，許多原設(shè)計(jì)純凝運(yùn)行的機(jī)組改成熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。在火力發(fā)電機(jī)組中，燃料燃燒產(chǎn)生的熱量有一部分轉(zhuǎn)化為電能，而大量的熱量則作為廢熱流入環(huán)境，熱電聯(lián)產(chǎn)可以有效利用一部分廢熱，大大提高一次能源效率［1-3］。對于技改型的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，限于原純凝機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采暖抽汽往往來自汽輪機(jī)中壓缸排汽，而中壓缸排汽參數(shù)大多數(shù)情況下都遠(yuǎn)高于采暖抽汽要求的參數(shù)，造成蒸汽做功能力的浪費(fèi)。采暖抽汽在供熱前利用余壓發(fā)電，可以有效利用蒸汽壓降，實(shí)現(xiàn)能量梯級利用。

關(guān)于蒸汽余壓余熱利用，國內(nèi)外研究人員根據(jù)發(fā)電企業(yè)現(xiàn)場項(xiàng)目做過大量研究和分析，李瓊、唐星君、勞金旭和ZHAO 等研究了抽背式、抽凝式汽輪機(jī)組和背壓式汽輪機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行改造的技術(shù)路線、對機(jī)組發(fā)電負(fù)荷和廠用電率的影響［4-7］。王立功、李靖、王忠成等研究了抽凝機(jī)組帶背壓機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行，計(jì)算了主機(jī)抽汽量、熱耗率、廠用電率、煤耗率的變化，經(jīng)濟(jì)計(jì)算仍以主機(jī)為研究對象，沒有分析整套系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性［8-10］。商永強(qiáng)研究了抽凝機(jī)組帶背壓機(jī)組運(yùn)行增發(fā)電量銷售的經(jīng)濟(jì)收益，并從供熱量、發(fā)電量、煤耗率方面比較了傳統(tǒng)抽汽供熱改造方案與背壓機(jī)發(fā)電供熱方案的經(jīng)濟(jì)性［11］。趙盼龍研究利用再熱冷端、熱端抽汽帶供熱背壓機(jī)和引風(fēng)機(jī)汽動(dòng)的技術(shù)路線和技術(shù)方案［12］。余炎等研究了對超臨界350 MW等級機(jī)組工業(yè)抽汽的需求，提出采用背壓式給水泵小汽輪機(jī)排汽對外供熱的研究方案［13］。潘杭萍等利用大型純凝汽輪機(jī)組的采暖抽汽帶底置式背壓汽輪機(jī)替代傳統(tǒng)的減溫減壓器，研究了主機(jī)負(fù)荷與底置式背壓汽輪機(jī)效率的關(guān)系［14］。

某廠兩臺(tái)超臨界670 MW 機(jī)組實(shí)施了抽汽供熱改造，采暖抽汽從中壓缸排汽口抽出。由于抽汽參數(shù)高、抽汽流量大，采暖抽汽首先進(jìn)入大容積流量背壓式汽輪機(jī)發(fā)電，排汽再進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器加熱熱網(wǎng)循環(huán)水對外供熱，有效利用抽汽余壓，實(shí)現(xiàn)了能量的梯級利用。

1 汽輪機(jī)組抽汽余壓發(fā)電技術(shù)方案

1.1 超臨界汽輪機(jī)技術(shù)規(guī)范

超臨界670 MW 機(jī)組為超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)，型號為N670-24.2/566/566 型，為了滿足快速發(fā)展的居民采暖需要，提高供熱能力和供熱質(zhì)量，機(jī)組實(shí)施抽汽供熱改造，汽輪機(jī)改造后技術(shù)規(guī)范如表1所示。

表1 超臨界670 MW機(jī)組供熱改造后技術(shù)規(guī)范

1.2 背壓式汽輪機(jī)技術(shù)規(guī)范

背壓式汽輪機(jī)技術(shù)規(guī)范如表2所示。

表2 背壓式汽輪機(jī)技術(shù)規(guī)范

1.3 抽汽余壓發(fā)電系統(tǒng)連接方案

超臨界670 MW 機(jī)組進(jìn)行采暖抽汽供熱改造，采用中低壓連通管上抽汽供熱的改造方案。在中、低壓缸連通管上開孔，通過蝶閥調(diào)整抽汽壓力，實(shí)現(xiàn)調(diào)整采暖抽汽量的目的，設(shè)計(jì)采暖抽汽壓力為1.0 MPa，抽汽溫度為355.5 ℃，最大抽汽量600 t/h，而熱網(wǎng)加熱器設(shè)計(jì)進(jìn)汽參數(shù)為0.40 MPa、245.7 ℃。由于采暖抽汽參數(shù)較高、抽汽流量大，為了有效利用抽汽余壓，將大部分抽汽引入低參數(shù)、大容積流量背壓式汽輪機(jī)發(fā)電，排汽進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器；小部分引入小汽機(jī)拖動(dòng)熱網(wǎng)循環(huán)水泵做功，做完功的蒸汽也排入熱網(wǎng)加熱器加熱熱網(wǎng)水。超臨界670 MW 機(jī)組從中低壓缸連通管上引出一根DN1000 的抽汽管道到熱網(wǎng)首站，進(jìn)入熱網(wǎng)首站后分成3 根DN600 的蒸汽管道將采暖抽汽引入3 臺(tái)設(shè)計(jì)功率為6 MW 的背壓式汽輪機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生的電量接入廠用電系統(tǒng)。背壓式汽輪機(jī)按單元制配置，汽輪機(jī)的排汽由DN1000 管道送入3 臺(tái)對應(yīng)的熱網(wǎng)加熱器加熱熱網(wǎng)水對外供熱。首站內(nèi)背壓機(jī)組進(jìn)汽和熱網(wǎng)加熱器疏水系統(tǒng)均采用母管制，疏水經(jīng)疏水泵輸送回超臨界機(jī)組主凝結(jié)水管道。超臨界機(jī)組與背壓機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行供熱系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 超臨界機(jī)組與背壓機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行供熱系統(tǒng)

2 聯(lián)合運(yùn)行性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

由于超臨界機(jī)組負(fù)荷和采暖抽汽量達(dá)不到額定值，確定超臨界機(jī)組帶2 臺(tái)背壓機(jī)組運(yùn)行，1 臺(tái)背壓機(jī)組備用，進(jìn)行超臨界機(jī)組與背壓機(jī)組的聯(lián)合性能試驗(yàn)。超臨界機(jī)組退出AGC，保持每一試驗(yàn)工況負(fù)荷穩(wěn)定；穩(wěn)定超臨界機(jī)組的主蒸汽和再熱蒸汽參數(shù)、抽汽參數(shù)與抽汽流量，穩(wěn)定機(jī)組熱力系統(tǒng)和主、輔機(jī)的運(yùn)行方式，調(diào)整機(jī)組抽汽流量和首站回水流量一致，保持工質(zhì)流量平衡。機(jī)組運(yùn)行工況穩(wěn)定30 min 以上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間持續(xù)1 h，取試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值計(jì)算機(jī)組性能指標(biāo)。

超臨界機(jī)組試驗(yàn)參數(shù)的測量利用運(yùn)行表計(jì)，更換1 臺(tái)背壓式汽輪機(jī)的進(jìn)、排汽參數(shù)和發(fā)電機(jī)功率測量儀表。試驗(yàn)時(shí)，同步穩(wěn)定2 臺(tái)背壓式汽輪機(jī)的發(fā)電功率和進(jìn)、排汽參數(shù)，控制2 臺(tái)背壓式汽輪機(jī)的進(jìn)汽調(diào)門開度相同，使得2 臺(tái)背壓式汽輪機(jī)發(fā)電功率相近。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

受電網(wǎng)調(diào)度和抽汽流量的影響，超臨界機(jī)組試驗(yàn)負(fù)荷為445～470 MW 之間的3 個(gè)工況點(diǎn)，背壓機(jī)組3 個(gè)工況試驗(yàn)負(fù)荷約5.6 MW。由于電負(fù)荷低、熱負(fù)荷小，機(jī)組抽汽量小，1 臺(tái)超臨界機(jī)組帶2 臺(tái)背壓機(jī)組運(yùn)行。超臨界機(jī)組試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示，背壓機(jī)組試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3 超臨界670 MW機(jī)組試驗(yàn)結(jié)果

表4 背壓機(jī)組試驗(yàn)結(jié)果

3 超臨界機(jī)組抽汽余壓發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性分析

超臨界670 MW 機(jī)組采暖抽汽帶背壓機(jī)組利用抽汽余壓發(fā)電，為評價(jià)節(jié)能效果，將背壓式汽輪機(jī)排汽供熱工況和中壓缸排汽直接供熱工況進(jìn)行對比分析。

3.1 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析的邊界條件

由于超臨界機(jī)組采暖抽汽直接供熱和利用背壓式汽輪機(jī)組排汽供熱，機(jī)組抽汽量不同，對鍋爐和汽輪機(jī)負(fù)荷都有影響，從而影響鍋爐效率、汽輪機(jī)熱耗率、廠用電率和機(jī)組發(fā)、供電煤耗率，同時(shí)機(jī)組負(fù)荷又受網(wǎng)調(diào)的影響，計(jì)算分析比較復(fù)雜，所以必須假定一定的邊界條件，以簡化計(jì)算過程。

1）在背壓機(jī)組投運(yùn)和切除兩種工況下，超臨界機(jī)組主蒸汽流量保持不變；2）在背壓機(jī)組投運(yùn)和切除兩種工況下，超臨界機(jī)組高、中和低壓缸的通流效率保持不變；3）機(jī)組對外供熱負(fù)荷保持不變；4）背壓式汽輪機(jī)間的通流效率和汽耗率等指標(biāo)相同；5）超臨界機(jī)組抽汽系統(tǒng)、背壓式汽輪機(jī)進(jìn)汽和排汽系統(tǒng)無工質(zhì)泄漏損失。

3.2 機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行發(fā)電效益計(jì)算方法

在超臨界機(jī)組主蒸汽流量保持不變、對外供熱量不變的情況下，對比分析背壓機(jī)組投運(yùn)和切除兩種工況下的性能指標(biāo)。

背壓式汽輪機(jī)排汽供熱量：

式中：Qb為背壓式汽輪機(jī)排汽供熱量，MW；Gb為背壓式汽輪機(jī)排汽流量，t/h，其值取測量的背壓式汽輪機(jī)進(jìn)汽量；Hbex為背壓式汽輪機(jī)排汽焓，kJ/kg；Hs為熱網(wǎng)加熱器疏水焓，kJ/kg。

超臨界機(jī)組采暖抽汽供熱量：

式中：Qch為超臨界機(jī)組采暖抽汽供熱量，MW；Gch為采暖抽汽流量，t/h；Hch為采暖抽汽焓，kJ/kg。

基于對外供熱量一致的計(jì)算條件，由于式（1）和式（2）中的Hbex和Hch不同，Hbex小于Hch，因此計(jì)算得到的Gb大于Gch，利用背壓式汽輪機(jī)排汽供熱時(shí)，背壓式汽輪機(jī)總的進(jìn)汽流量大于超臨界機(jī)組直接供熱時(shí)的采暖抽汽流量，多抽的蒸汽流量為ΔG。

式中：ΔG為背壓式汽輪機(jī)排汽供熱比采暖抽汽直接供熱增加的抽汽流量，t/h。

利用ΔG計(jì)算多抽汽量導(dǎo)致的超臨界機(jī)組發(fā)電功率降低值ΔPec。

式中：ΔPec為采暖抽汽流量增加值引起的超臨界機(jī)組發(fā)電功率的降低值，MW；ηLP為低壓缸效率，取機(jī)組改造前性能試驗(yàn)值86.5%；Hex為超臨界機(jī)組低壓缸理想排汽焓，kJ/kg。

超臨界機(jī)組與背壓機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行增加的發(fā)電功率為：

式中：ΔPe為超臨界機(jī)組與背壓機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行增加的發(fā)電功率，MW；Peb為2臺(tái)背壓機(jī)組總的發(fā)電功率，MW。

3.3 背壓機(jī)組發(fā)電效益計(jì)算結(jié)果

試驗(yàn)工況下，超臨界機(jī)組與背壓機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算聯(lián)合運(yùn)行的發(fā)電功率和供熱量指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 超臨界機(jī)組與背壓機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行性能指標(biāo)

由表5中試驗(yàn)結(jié)果得知，從工況1到工況3，由于工況調(diào)整原因，超臨界機(jī)組負(fù)荷有波動(dòng)，從445 MW到470 MW，但采暖抽汽量減小對2 臺(tái)背壓機(jī)組功率影響不大，熱網(wǎng)循環(huán)水泵用汽量逐漸減小，超臨界機(jī)組整體對外供熱量減小。

當(dāng)切除背壓機(jī)組時(shí)，由于對外總供熱量保持不變，因此超臨界機(jī)組供熱抽汽流量會(huì)相應(yīng)減少，減少的供熱抽汽進(jìn)入低壓缸做功，從而增加機(jī)組出力。因此，在進(jìn)行背壓機(jī)組排汽供熱方式經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮此供熱方式下供熱抽汽流量的增加導(dǎo)致超臨界機(jī)組低壓缸做功減少的量，即超臨界機(jī)組出力降低值。在進(jìn)行兩種方式的對比計(jì)算時(shí)，熱網(wǎng)循環(huán)泵的運(yùn)行工況和性能指標(biāo)不變。各工況下經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 背壓機(jī)組投運(yùn)和切除工況發(fā)電功率計(jì)算

表6（續(xù)）

由表6 中結(jié)果可知，在保證供熱量不變的情況下，采用背壓機(jī)組排汽供熱方式比超臨界機(jī)組抽汽直接供熱方式分別多發(fā)電7.74 MW、7.71 MW、7.59 MW，平均值為7.68 MW。將背壓機(jī)組發(fā)電接入廠用電系統(tǒng)，可以降低機(jī)組廠用電率分別為1.68%、1.63%、1.69%，平均值為1.67%。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

由以上分析計(jì)算，得到試驗(yàn)工況下超臨界機(jī)組與背壓機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算結(jié)果。

1）背壓機(jī)組功率在5.60 MW 工況下，3次試驗(yàn)的平均通流效率為78.61%。

2）超臨界機(jī)組445～470 MW 之間的3 次試驗(yàn)工況，在平均供熱抽汽流量209.72 t/h 條件下，帶兩臺(tái)背壓機(jī)組運(yùn)行，背壓機(jī)組平均發(fā)電功率為11.18 MW。

3）在對外供熱量不變的條件下，利用背壓式汽輪機(jī)排汽供熱與超臨界機(jī)組抽汽直接供熱工況相比，背壓機(jī)組投運(yùn)工況增加抽汽流量20.92 t/h，超臨界機(jī)組損失發(fā)電功率3.50 MW，超臨界機(jī)組與背壓機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行增加發(fā)電功率7.68 MW，降低機(jī)組廠用電率1.67%，按超臨界機(jī)組供熱期平均供電煤耗率275.2 g/kWh 計(jì)算，可以降低超臨界機(jī)組供電煤耗率4.60 g/kWh。

4 結(jié)語

超臨界機(jī)組采暖抽汽帶低參數(shù)、大容積流量背壓式汽輪機(jī)，利用抽汽余壓發(fā)電，采暖抽汽參數(shù)降低后用于供熱，實(shí)現(xiàn)了蒸汽能量的梯級利用，大幅度提高純凝機(jī)組供熱改造后的能源利用效率。由超臨界機(jī)組與背壓機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行性能試驗(yàn)結(jié)果得知，在機(jī)組供熱量180～200 MW 時(shí)，超臨界機(jī)組負(fù)荷在445～470 MW 工況下，帶2 臺(tái)背壓機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行，超臨界機(jī)組平均供熱抽汽流量209.72 t/h，2 臺(tái)背壓機(jī)組總發(fā)電功率為11.18 MW。在機(jī)組對外供熱量不變的條件下，對比背壓式汽輪機(jī)排汽供熱工況與超臨界機(jī)組抽汽直接供熱工況，背壓機(jī)組投運(yùn)工況增加抽汽流量20.92 t/h，超臨界機(jī)組損失發(fā)電功率3.50 MW，超臨界機(jī)組與背壓機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行增加發(fā)電功率7.68 MW，降低機(jī)組廠用電率1.68%，降低超臨界機(jī)組供熱期供電煤耗率約4.60 g/kWh。