晉能控股電力集團(tuán)容海發(fā)電公司 張暉東

近年來，我國(guó)大型機(jī)組的供熱方式以汽輪機(jī)中壓缸后抽汽加熱熱網(wǎng)水為主，這種供熱方式的抽汽參數(shù)偏高，未能達(dá)到與用戶側(cè)熱負(fù)荷需求相符要求，導(dǎo)致機(jī)組作業(yè)能耗較高，浪費(fèi)了大量能源[1]。為了進(jìn)一步改善此問題，需要對(duì)機(jī)組的供熱進(jìn)行改造。目前，改造方案應(yīng)用較多的是單轉(zhuǎn)子方式、雙轉(zhuǎn)子互換方式，這兩種改造方式在大型機(jī)組供熱改造中均有所應(yīng)用，在不同型號(hào)機(jī)組中展現(xiàn)出的熱經(jīng)濟(jì)效應(yīng)存在一定差異[2]。因此，討論針對(duì)不同型號(hào)機(jī)組的供熱改造全工況下產(chǎn)生的熱經(jīng)濟(jì)情況，根據(jù)熱經(jīng)濟(jì)參數(shù)對(duì)比結(jié)果，給出供熱改造方案[3]。本文嘗試以350MW抽汽供熱機(jī)組為例，采用單轉(zhuǎn)子方式、雙轉(zhuǎn)子互換方式改造機(jī)組供電方案，并對(duì)兩種改造方案的熱經(jīng)濟(jì)進(jìn)行分析。

1 大型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組高背壓供熱

濕冷機(jī)組正常作業(yè)情況下的背壓約為5kPa，飽和溫度參數(shù)為32.5℃，在未采取任何處理的情況下，無法對(duì)外供熱。一般情況下，一次網(wǎng)回水的溫度在45℃以上，如果想要達(dá)到供熱標(biāo)準(zhǔn)，那么就需要將當(dāng)前的機(jī)組供熱改造為高背壓機(jī)組[4]。此時(shí)，背壓需要提高，該行為會(huì)影響到機(jī)組安全作業(yè)，為了提高作業(yè)安全性，必須更換低壓缸轉(zhuǎn)子。

機(jī)組供熱改造期間，容易對(duì)汽輪機(jī)本體造成較大影響。為了降低影響，需要調(diào)整隔板、流通面積、低壓缸級(jí)數(shù)等[5]。由于方案的調(diào)整會(huì)對(duì)軸系標(biāo)高、穩(wěn)定性造成一定影響，并且供熱控制等系統(tǒng)也會(huì)發(fā)生改變。因此，在討論機(jī)組供熱改造方案熱經(jīng)濟(jì)問題時(shí)，需要將供熱季、非供熱季產(chǎn)生的熱經(jīng)濟(jì)納入問題考核中。經(jīng)過綜合分析，確定最佳改造方案。

2 不同機(jī)組高背壓供熱改造方式

2.1 單轉(zhuǎn)子方式

單轉(zhuǎn)子改造方式指的是以濕冷汽輪機(jī)作為改造對(duì)象，通過更換低壓缸轉(zhuǎn)子，改造機(jī)組結(jié)構(gòu)。其中，以空冷轉(zhuǎn)子作為改造工具，將其作為改造后的機(jī)組作業(yè)轉(zhuǎn)子，取代低壓缸轉(zhuǎn)子。采用這種改造方式，使得機(jī)組得以滿足不同季節(jié)環(huán)境作業(yè)下的工業(yè)背壓要求，為不同工況下的機(jī)組正常作業(yè)提供背壓條件。相比之下，夏季的工作背壓相對(duì)低一些，要求維持在15kPa，冬季工作背壓相對(duì)較高，要求維持在34kPa。由于這種改造方案將非供熱季和供熱季的改造問題考慮在一起，采用相同的處理方案進(jìn)行改造，所以將其稱為單轉(zhuǎn)子方式。

2.2 雙轉(zhuǎn)子互換方式

雙轉(zhuǎn)子互換方式指的是采用專屬供熱低壓轉(zhuǎn)子，在供熱期作用于機(jī)組高背壓作業(yè)。利用這種轉(zhuǎn)子控制機(jī)組供熱作業(yè)，直至供熱結(jié)束。結(jié)束后，將凝汽式轉(zhuǎn)子替換供熱低壓轉(zhuǎn)子。夏季時(shí)段機(jī)組背壓較改造前未發(fā)生改變。冬季供熱期間，機(jī)組作業(yè)期間背壓為54kPa。這種改造方案中，應(yīng)用了兩種低壓缸轉(zhuǎn)子，所以將其稱作雙轉(zhuǎn)子互換方式。

3 基于單耗理論的機(jī)組高背壓供熱改造經(jīng)濟(jì)性對(duì)比方法

本文提到的兩種改造方式，皆在實(shí)際當(dāng)中有所應(yīng)用，為了進(jìn)一步探究哪一種方式更加符合350MW抽汽供熱機(jī)組，本文引入單耗理論，對(duì)單位產(chǎn)品的損耗進(jìn)行計(jì)算分析，從而得出判斷數(shù)據(jù)支撐。其中，單耗的計(jì)算，除了最低單耗的計(jì)算以外，還包括附加單耗的計(jì)算。關(guān)于理論最低單耗的計(jì)算，在沒有發(fā)生任何損失的情況下，單位產(chǎn)品的燃料單耗，相對(duì)來說計(jì)算較為簡(jiǎn)單，考慮的因素比較少。而附加單耗的計(jì)算，則需要考慮各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)備產(chǎn)生的?損失，在此條件下產(chǎn)生的各個(gè)燃料單耗的總和，就是附加單耗。假設(shè)單耗為b，則其計(jì)算公式如下：

公式（1）中，ep代表產(chǎn)品的比?；ef代表燃料的比?；P用于描述產(chǎn)出環(huán)節(jié)的?；Bi用于描述投入環(huán)節(jié)的?；bi代表附加單耗；bmin代表理論層面的最低單耗。

通過上述計(jì)算分析，可以得到熱力學(xué)第二定律效率，由此可以得到?效率，計(jì)算公式如下：

公式（2）中，關(guān)于產(chǎn)品?效率的計(jì)算，可以根據(jù)實(shí)際燃料單耗求解，不需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的作業(yè)進(jìn)行分析，同時(shí)也不需要將整個(gè)生產(chǎn)過程考慮至其中。

關(guān)于汽輪機(jī)組作業(yè)期間產(chǎn)生的熱效率問題分析，假設(shè)機(jī)組的發(fā)電量為Pe，那么計(jì)算其第二定律效率的方法如下：

公式（4）中，Drh代表再熱蒸汽量，單位kg/s；Dfw代表給水流量，單位kg/s；DO代表汽輪機(jī)主蒸汽量，單位kg/s；代表高壓缸出口蒸汽?，單位kJ/kg；代表再熱蒸汽?，單位kJ/kg；efw代表給水?，單位kJ/kg；eo代表主蒸汽?，單位kJ/kg；Wt代表機(jī)組輸出功率，單位kW。

在確定機(jī)組的熱邊界條件以后，按照供熱季和非供熱季對(duì)于機(jī)組作業(yè)的時(shí)間要求、供水與回水溫度要求，計(jì)算機(jī)組的蒸汽量等參數(shù)，作為熱效應(yīng)分析參考依據(jù)。為了便于分析，本文提出的兩種改造方案應(yīng)用期間，機(jī)組熱負(fù)荷相等。利用Ebsilon軟件模擬機(jī)組作業(yè)環(huán)境，并構(gòu)建機(jī)組熱力模型，利用上述計(jì)算公式，統(tǒng)計(jì)不同改造方案下的?損耗總數(shù)值，推理計(jì)算其他指標(biāo)參數(shù)，從而展開經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。

4 基于Ebsilon的機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算模型的構(gòu)建

4.1 確定機(jī)組供熱邊界條件

本研究以某地區(qū)機(jī)組作為研究對(duì)象，對(duì)運(yùn)用不同方法加以改造的350MW機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。未對(duì)機(jī)組采取改造處理之前，該設(shè)備的供熱方式為抽汽供熱，相關(guān)參數(shù)如下：

主汽門前蒸汽額定溫度為565℃，額定作業(yè)功率為350MW，再熱汽門蒸汽額定壓力為3.73MPa，主汽門前蒸汽額定壓力為24.3MPa，抽汽壓力為0.4MPa，額定工況蒸汽流量為1065th-1，額定抽汽量為500th-1，再熱汽門蒸汽額定壓力為3.73MPa，排汽壓力為4.9kPa，工作轉(zhuǎn)速為3000rmin-1。

按照地區(qū)熱網(wǎng)特性、溫度情況，確定機(jī)組的供熱邊界條件。機(jī)組供熱季共計(jì)120d，分為非嚴(yán)寒潮期、嚴(yán)寒潮期，前者持續(xù)時(shí)間為77d，后者持續(xù)時(shí)間為43d。其中，嚴(yán)寒時(shí)期的供水與回水溫度控制范圍45～100℃，考慮到非嚴(yán)寒期供熱溫度容易受到影響，與嚴(yán)寒時(shí)期不同，其供水溫度控制范圍38～65℃，回水溫度控制范圍45～100℃。經(jīng)過一番驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，機(jī)組的總熱耗，發(fā)電功率呈現(xiàn)出線性變化特點(diǎn)。設(shè)計(jì)嚴(yán)寒時(shí)期機(jī)組的供熱負(fù)荷為350MW，初期作業(yè)時(shí)段的供熱溫度為65℃，回水溫度設(shè)置為溫度范圍的下降值38℃，根據(jù)供熱負(fù)荷變工況就散獲取機(jī)組的主汽流量。接下來，采用質(zhì)調(diào)節(jié)方法，對(duì)機(jī)組的熱網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。以設(shè)計(jì)流量為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算熱網(wǎng)水流量。另外，供熱期機(jī)組運(yùn)行時(shí)間設(shè)定為2880h。為了簡(jiǎn)化計(jì)算分析流程，本研究在討論兩種不同改造方式的應(yīng)用效果時(shí)，假設(shè)這兩種方式應(yīng)用下機(jī)組的熱負(fù)荷相同。

4.2 機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算模型的構(gòu)建

本研究利用Ebsilon軟件構(gòu)建熱力系統(tǒng)模型，對(duì)機(jī)組的全工況經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。本模型的構(gòu)建，以提高機(jī)組變工況分析準(zhǔn)確性為目的，引入了迭代計(jì)算方法，以變工況為研究條件，計(jì)算機(jī)組高背壓下的不同工況的作業(yè)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)不同工況下的熱經(jīng)濟(jì)分析。首先，采用弗流格爾公式，編寫機(jī)組各個(gè)組件作業(yè)程序。其中，涉及的計(jì)算參數(shù)包括蒸汽比容、蒸汽流量、蒸汽壓力。其次，構(gòu)建熱平衡方程，將此方程作為熱量吸收分析核心依據(jù)。

公式（5）中，ho代表?yè)Q熱器出口焓，單位kJ/kg；h代表?yè)Q熱器蒸汽入口，單位kJ/kg；代表熱網(wǎng)水流量，單位kg/h；代表蒸汽流量；hwo代表?yè)Q熱器熱網(wǎng)水出口焓，單位kJ/kg；hw代表?yè)Q熱器熱網(wǎng)入出口焓，單位kJ/kg。

最后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，做出熱經(jīng)濟(jì)對(duì)比判斷分析。

5 不同改造方式下的全工況經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

本次經(jīng)濟(jì)性能對(duì)比分析，主要從兩個(gè)方面展開，第一個(gè)方面是供熱季條件，第二個(gè)是非供熱季條件，利用Ebsilon軟件模擬機(jī)組作業(yè)環(huán)境，模擬機(jī)組熱力模型作業(yè)狀況，得出相關(guān)參數(shù)數(shù)值。

5.1 供熱季條件下的不同轉(zhuǎn)換子方式應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

供熱季條件下的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，以350MW抽汽供熱機(jī)組為例，選擇平均發(fā)電煤耗率、設(shè)計(jì)供熱負(fù)荷、燃煤量、發(fā)電量、最大供熱量作為對(duì)比指標(biāo)。分別采用雙轉(zhuǎn)子方式、單轉(zhuǎn)子方式改造機(jī)組，在Ebsilon軟件中模擬應(yīng)用這兩種改造方案，統(tǒng)計(jì)相關(guān)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。

觀察表1中的數(shù)據(jù)可知，設(shè)計(jì)供熱負(fù)荷相同情況下，與單轉(zhuǎn)子方式相比，雙轉(zhuǎn)子方式的平均發(fā)電煤耗率更低，最大供熱量偏小，燃煤量稍微高一些，發(fā)電量提升的優(yōu)勢(shì)較為顯著。

5.2 非供熱季條件下的不同轉(zhuǎn)換子方式應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

非供熱季條件下的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，同樣以350MW抽汽供熱機(jī)組為例，選擇機(jī)組功率、機(jī)組效率、機(jī)組損失作為對(duì)比指標(biāo)。分別采用雙轉(zhuǎn)子方式、單轉(zhuǎn)子方式改造機(jī)組，在Ebsilon軟件中模擬應(yīng)用這兩種改造方案，統(tǒng)計(jì)相關(guān)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。

表2 不同轉(zhuǎn)換子方式應(yīng)用下的功率、效率、損失對(duì)比

表2中，關(guān)于機(jī)組功率的統(tǒng)計(jì)分析，兩種不同改造方案的機(jī)組功率均隨著工況百分比的減小而下降，與單轉(zhuǎn)子相比，雙轉(zhuǎn)子的機(jī)組功率下降幅度小一些。關(guān)于機(jī)組效率的統(tǒng)計(jì)分析，兩種不同改造方案的機(jī)組效率與工況呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，且雙轉(zhuǎn)子在其中顯示出的優(yōu)勢(shì)較為顯著。關(guān)于機(jī)組損失的統(tǒng)計(jì)分析，相比之下，雙轉(zhuǎn)子的機(jī)組損失更小。綜上統(tǒng)計(jì)分析，與單轉(zhuǎn)子方式相比，雙轉(zhuǎn)子方式的應(yīng)用下的機(jī)組供熱改造，更加符合熱經(jīng)濟(jì)要求。

6 總結(jié)

本文圍繞大型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組高背壓供熱改造問題展開探究，以熱經(jīng)濟(jì)作為改造方案是否可行的衡量標(biāo)準(zhǔn)。本研究選取單轉(zhuǎn)子方式、雙轉(zhuǎn)子方式作為機(jī)組供熱改造方法，給出了基本改造方法和熱經(jīng)濟(jì)分析相關(guān)參數(shù)計(jì)算方法。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，雙轉(zhuǎn)子方式在機(jī)組供熱改造中，體現(xiàn)出的熱經(jīng)濟(jì)性能更為可靠。因此，針對(duì)350MW抽汽供熱機(jī)組的改造，建議選擇雙轉(zhuǎn)子方式作為機(jī)組供熱改造方法。