袁春峰，趙晏博，暢志兵

(1.國(guó)電電力發(fā)展股份有限公司，北京 100101；2.三河發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 廊坊 065201；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

我國(guó)“三北”地區(qū)棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象嚴(yán)重，新能源消納問題突出，同時(shí)“三北”地區(qū)冬季氣溫低，供熱需求高、周期長(zhǎng)，導(dǎo)致供熱機(jī)組在采暖期須采用以熱定電的模式運(yùn)行，參與電網(wǎng)調(diào)峰的能力偏弱。為了提高新能源的消納能力，同時(shí)滿足地區(qū)供熱需求，亟待提高火電機(jī)組的靈活性和調(diào)峰潛力。

提高供熱機(jī)組靈活性的改造技術(shù)有熱水儲(chǔ)熱改造、電鍋爐改造、汽輪機(jī)旁路改造、光軸改造、高背壓改造和低壓缸零出力改造等[1]，其中低壓缸零出力改造是將低壓缸原進(jìn)汽管道密封，新增旁路管道通入少量冷卻蒸汽帶走低壓轉(zhuǎn)子的鼓風(fēng)熱量，可將原低壓缸做功蒸汽用于供熱、減少冷源損失，提高機(jī)組的供熱抽汽能力和調(diào)峰能力，有效解決低壓缸冷卻蒸汽流量受限、調(diào)峰能力受限和供熱抽汽能力受限的“三限”問題[2]。國(guó)內(nèi)西安熱工研究院有限公司于2017年5月提出切除低壓缸進(jìn)汽的供熱專利技術(shù)[3-4]，同年第1臺(tái)300 MW熱電機(jī)組改造完成，至今已有幾十個(gè)改造成功的案例。期間，行業(yè)內(nèi)專家進(jìn)行了零出力改造案例研究[5]，針對(duì)施工方案[6-7]、熱電特性[8-9]、安全性[10-12]和經(jīng)濟(jì)性[13-14]等進(jìn)行了分析研究。

某電廠1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組采用2臺(tái)日本進(jìn)口三菱TC-2F型汽輪機(jī)，2號(hào)機(jī)組前期已安裝6臺(tái)47.1 MW溴化鋰吸收式熱泵，為了進(jìn)一步提高機(jī)組的抽汽能力，在缺乏足夠設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)參考的前提下，完成了1號(hào)機(jī)組的低壓缸零出力改造。本文基于1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組在采暖期的實(shí)際運(yùn)行狀況，對(duì)1號(hào)機(jī)組低壓缸零出力的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且針對(duì)熱網(wǎng)不同的熱負(fù)荷需求，制定實(shí)施兼顧熱網(wǎng)供熱和電網(wǎng)調(diào)峰的雙機(jī)組聯(lián)合供熱方式，確保社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益最大化。

1 機(jī)組零出力改造

某電廠1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組為日本三菱重工TC-2F型亞臨界凝汽式汽輪機(jī)，末級(jí)葉片高度為1029 mm。前期2臺(tái)機(jī)組完成打孔抽汽改造，改造后額定采暖抽汽流量為300 t/h、供熱量為260 MW，具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。為了提高供熱能力、實(shí)現(xiàn)能量梯級(jí)利用，2號(hào)機(jī)組設(shè)置6臺(tái)47.1 MW熱泵機(jī)組回收利用循環(huán)水余熱，1號(hào)機(jī)組設(shè)置1臺(tái)16.6 MW背壓機(jī)回收利用采暖抽汽余壓。

表1 汽輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

為進(jìn)一步提高機(jī)組的供熱能力和靈活性，1號(hào)機(jī)組完成了低壓缸零出力改造，改造內(nèi)容主要包括替換中低壓連通管路閥門、增設(shè)冷卻蒸汽旁路；增設(shè)低壓缸減溫噴水流量測(cè)點(diǎn)和流量控制閥；增設(shè)低壓缸葉片溫度測(cè)點(diǎn)、中壓缸排汽壓力和溫度測(cè)點(diǎn)、低壓缸進(jìn)汽壓力和溫度測(cè)點(diǎn)；完成低壓缸末級(jí)葉片耐磨層噴涂。改造完成后的供暖系統(tǒng)如圖1所示，1號(hào)機(jī)組在零出力工況下，僅保留少量中壓缸排汽用作冷卻蒸汽，多數(shù)蒸汽經(jīng)背壓機(jī)做功或直接進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器與熱網(wǎng)循環(huán)水換熱，2號(hào)機(jī)組中壓缸抽汽驅(qū)動(dòng)熱泵回收凝汽器冷卻水余熱，用于預(yù)熱部分熱網(wǎng)循環(huán)水。

圖1 雙機(jī)組供暖系統(tǒng)

2 機(jī)組零出力供熱安全性評(píng)價(jià)

在某供熱期開始1號(hào)機(jī)組投入低壓缸零出力前后以及該供熱期結(jié)束1號(hào)機(jī)組退出低壓缸零出力前后的狀態(tài)參數(shù)如表2所示。投入低壓缸零出力供熱前，1號(hào)機(jī)組功率為149.6 MW，主蒸汽流量為630 t/h、抽汽流量為294 t/h，次末級(jí)溫度為45.8 ℃，末級(jí)溫度為20.5 ℃；將中低壓連通管蝶閥完全關(guān)閉投入低壓缸零出力運(yùn)行，1號(hào)機(jī)組功率為139.3 MW，主蒸汽流量為735 t/h，抽汽流量為497 t/h，在冷卻蒸汽流量和減溫噴水流量分別為27.2 t/h和11.0 t/h下，次末級(jí)溫度為40.4 ℃，末級(jí)溫度為16.8 ℃。退出低壓缸零出力供熱前，1號(hào)機(jī)組功率為139.4 MW，主蒸汽流量為714 t/h，抽汽流量為512 t/h，次末級(jí)溫度為100.4 ℃，末級(jí)溫度為20.9 ℃；將中低壓連通管蝶閥開度增至15.1%、關(guān)閉減溫噴水閥退出切缸運(yùn)行，1號(hào)機(jī)組功率為140.1 MW，主蒸汽流量為629 t/h，抽汽流量為365 t/h，次末級(jí)溫度為58.2 ℃，末級(jí)溫度為24.1 ℃。結(jié)合軸振和瓦振可以判斷，低壓缸零出力投入和退出過程中機(jī)組未出現(xiàn)顫振和超溫風(fēng)險(xiǎn)。

表2 低壓缸零出力投入和退出過程的狀態(tài)參數(shù)及變化量

1號(hào)機(jī)組在切缸模式下、不同負(fù)荷工況的運(yùn)行參數(shù)如表3所示，在中低壓缸旁路調(diào)節(jié)閥開度50%～65.8%、冷卻蒸汽流量23.8～26 t/h、減溫噴水閥開度5%、噴水流量5～7.4 t/h下，次末級(jí)溫度為46.3～80.2 ℃、末級(jí)溫度為13.3～16.3 ℃，低壓缸次末級(jí)和末級(jí)溫度正常，且軸振和瓦振均在正常范圍內(nèi)，說明在切缸運(yùn)行期間機(jī)組能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行，一定程度上可避免葉片的斷裂現(xiàn)象[15]。

表3 低壓缸零出力模式下不同負(fù)荷的運(yùn)行參數(shù)

3 雙機(jī)組聯(lián)合供熱模式

圖2和圖3分別為1號(hào)機(jī)組非零出力工況和零出力工況下，雙機(jī)組聯(lián)合供熱量隨著2號(hào)機(jī)組發(fā)電功率的變化關(guān)系。由圖2、圖3可知，當(dāng)1號(hào)機(jī)組發(fā)電功率(供熱抽汽量)一定時(shí)，聯(lián)合供熱量隨著2號(hào)機(jī)組發(fā)電功率先增大后減少，增大趨勢(shì)是因?yàn)殡S著2號(hào)機(jī)組主蒸汽流量的增大，發(fā)電功率和供熱抽汽量均增大，減小趨勢(shì)是在2號(hào)機(jī)組主蒸汽流量基本不變的情況下，供熱抽汽量隨著發(fā)電功率的增大而減少。當(dāng)2號(hào)機(jī)組發(fā)電功率(供熱抽汽量)一定時(shí)，聯(lián)合供熱量也隨著1號(hào)機(jī)組發(fā)電功率先增大后減少。

圖2 非零出力工況下雙機(jī)組供熱量

圖3 零出力工況下雙機(jī)組供熱量

在保證安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，1號(hào)機(jī)組可以在低壓缸零出力和非零出力2種工況下運(yùn)行，2號(hào)機(jī)組可以將6臺(tái)熱泵投入運(yùn)行，考慮發(fā)電、供熱和調(diào)峰3種盈利模式，制定雙機(jī)組聯(lián)合供熱模式：①2號(hào)機(jī)組單獨(dú)供熱，6臺(tái)熱泵逐臺(tái)投入，調(diào)節(jié)熱泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)；②1號(hào)機(jī)組非切缸運(yùn)行+2號(hào)機(jī)組熱泵全運(yùn)行，控制1號(hào)機(jī)組供熱抽汽流量；③1號(hào)機(jī)組切缸運(yùn)行+2號(hào)機(jī)組熱泵全運(yùn)行，控制1號(hào)機(jī)組供熱抽汽流量；④1號(hào)機(jī)組切缸運(yùn)行+2號(hào)機(jī)組熱泵運(yùn)行，控制熱泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)；⑤1號(hào)機(jī)組非切缸運(yùn)行，調(diào)節(jié)供熱抽汽流量，或2號(hào)機(jī)組熱泵逐臺(tái)退出，調(diào)節(jié)熱泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益最大化，根據(jù)用戶的熱量需求，制訂并實(shí)施如下供熱方案。

a.供熱初期。當(dāng)熱量需求低于800 GJ/h，采取供熱模式①，2號(hào)機(jī)組負(fù)荷175～290 MW即可滿足要求；當(dāng)熱量需求為800～1400 GJ/h，采取供熱模式②，投入1號(hào)機(jī)組供熱，保證2號(hào)機(jī)組調(diào)峰靈活性；當(dāng)熱量需求為1400～1900 GJ/h，1號(hào)機(jī)組負(fù)荷為130～310 MW，2號(hào)機(jī)組負(fù)荷為175～290 MW，2號(hào)機(jī)組的6臺(tái)熱泵既能高效運(yùn)行，1號(hào)機(jī)組還可參與調(diào)峰。

b.供熱中期。當(dāng)熱量需求高于1900 GJ/h，采取供熱模式③，1號(hào)機(jī)組投入切缸運(yùn)行模式，負(fù)荷為140～200 MW，2號(hào)機(jī)組負(fù)荷為175～310 MW；在春節(jié)期間，將部分供熱需求切至2期供熱，采取供熱模式④，1號(hào)機(jī)組切缸深調(diào)至120 MW，2號(hào)機(jī)組切除部分熱泵調(diào)至300 MW，充分釋放2臺(tái)機(jī)組頂峰壓谷資源。

c.供熱末期。隨著熱量需求降低，積極采取供熱模式②，提前實(shí)現(xiàn)1號(hào)機(jī)組深度調(diào)峰；臨近供熱期結(jié)束，采取供熱模式⑤，1號(hào)機(jī)組非切缸調(diào)節(jié)或2號(hào)機(jī)組熱泵逐臺(tái)退出調(diào)節(jié)。

1號(hào)機(jī)組低壓缸零出力供熱項(xiàng)目完成后，最大抽汽能力從300 t/h升至725 t/h，機(jī)組供熱瞬時(shí)值由780 GJ/h升至1885 GJ/h。雙機(jī)組在供熱期的供熱量同比增加226萬GJ，供熱面積增加610萬m2，供電煤耗降低96.15 g/kWh，并為電網(wǎng)提供125 MW的調(diào)峰能力，實(shí)現(xiàn)節(jié)水33萬t，取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

a.某電廠350 MW進(jìn)口三菱機(jī)組在投入和退出低壓缸零出力過程中未出現(xiàn)顫振和超溫現(xiàn)象，將切缸工況用于實(shí)際供熱期，維持冷卻蒸汽流量23.8～26 t/h、減溫噴水流量5～7.4 t/h下，末級(jí)葉片最高溫度為80.2 ℃，且軸振和瓦振在正常范圍內(nèi)，機(jī)組能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

b.針對(duì)不同的供熱需求，制訂并實(shí)施了5種雙機(jī)組聯(lián)合供熱模式，通過調(diào)節(jié)1號(hào)機(jī)組切缸/非切缸工況下的供熱抽汽流量以及2號(hào)機(jī)組熱泵的投運(yùn)臺(tái)數(shù)，雙機(jī)組在供熱期的供熱量同比增加226萬GJ，供電煤耗降低96.15 g/kWh，并為電網(wǎng)提供125 MW的調(diào)峰能力。