郝 建

（山西國(guó)金電力有限公司， 山西 呂梁 032100）

引言

“碳中和”已經(jīng)成為了一個(gè)熱門(mén)詞匯。我國(guó)已經(jīng)率先作出了承諾，對(duì)降低碳排放量的具體年限、屆時(shí)應(yīng)該達(dá)到的目標(biāo)均作出了具體規(guī)劃[1]。為了達(dá)到這一目標(biāo)，我國(guó)正在大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電，以期清潔可再生能源發(fā)電能夠逐漸取代傳統(tǒng)的火力發(fā)電。但新能源具有隨機(jī)性、間歇性和不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，決定了火力發(fā)電在短時(shí)間內(nèi)不可能退出歷史舞臺(tái)。為緩解火電機(jī)組供熱及供電等矛盾，需對(duì)火電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造。

1 電力機(jī)組靈活性改造工程項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目基本情況

改造工程位于山西省呂梁市文水縣，需改造的火力發(fā)電廠(chǎng)汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠(chǎng)生產(chǎn)的超臨界、一次中間再熱、三缸兩排汽（雙抽）、單軸、表面式間接空冷凝汽式汽輪機(jī)CCJK350/260－24.2/1.0/0.4/566/566。其中，高壓汽缸內(nèi)有1 個(gè)調(diào)節(jié)級(jí)和9 個(gè)壓力級(jí)；中壓汽缸內(nèi)有8 個(gè)壓力級(jí)；低壓缸有2×4 個(gè)壓力級(jí)；全機(jī)結(jié)構(gòu)共26 級(jí)。除了汽輪機(jī)之外，還配備了2 臺(tái)50%B-MCR 汽動(dòng)給水泵、1 臺(tái)30%B-MCR 電動(dòng)定速給水泵?；痣姍C(jī)組運(yùn)行期間，需與1 215 t/h 超臨界、一次中間再熱、CFB 鍋爐（循環(huán)流化床鍋爐）及350 MW 全空冷發(fā)電機(jī)配套，而鍋爐與汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)采用單元布置。1 號(hào)機(jī)組在2015 年9 月轉(zhuǎn)商業(yè)運(yùn)行，2 號(hào)機(jī)組在2016 年12 月轉(zhuǎn)商業(yè)運(yùn)行。

1.2 項(xiàng)目改造的必要性

除了國(guó)家宏觀層面的戰(zhàn)略構(gòu)想之外，開(kāi)展本工程也符合文水縣的總體供熱需求。自2015 年9 月開(kāi)始，國(guó)金電廠(chǎng)向文水縣城進(jìn)行集中供熱，目前已持續(xù)供熱6 個(gè)采暖季。經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，文水縣城集中供熱面積已超過(guò)原《集中供熱專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》中的面積；隨著環(huán)保形式的日益嚴(yán)峻，文水縣擬實(shí)施縣城周邊六個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)村的集中供熱。

集中供熱既提高了能源利用效益和經(jīng)濟(jì)效益，又減少了對(duì)周邊供熱用戶(hù)鍋爐的投資，減少了煤堆場(chǎng)的用地及運(yùn)煤的成本，可以節(jié)省大量的人力和物力，從而大大降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，深入挖掘機(jī)組供熱潛力，更大程度提高機(jī)組供熱保障能力，為集中供熱提供穩(wěn)定可靠的熱源是企業(yè)的迫切需求。通過(guò)對(duì)國(guó)金電廠(chǎng)的機(jī)組供熱潛力進(jìn)行評(píng)估后發(fā)現(xiàn)，有全面改造的價(jià)值，故決定開(kāi)展本工程。

2 電力機(jī)組靈活性改造方案

2.1 機(jī)組改造前的供熱情況

2.1.1 供熱系統(tǒng)及運(yùn)行方式

改造前，電廠(chǎng)的熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)采用閉式循環(huán)、間接供熱方式，以水為熱媒。熱網(wǎng)回水先經(jīng)熱網(wǎng)循環(huán)泵升壓，后經(jīng)4 臺(tái)加熱器加熱，并聯(lián)運(yùn)行布置。此外，熱負(fù)荷的調(diào)節(jié)采用質(zhì)、量雙軌并行調(diào)節(jié)的方式，主要過(guò)程為：通過(guò)調(diào)節(jié)五段抽汽蝶閥開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱網(wǎng)首站加熱器進(jìn)汽量和參數(shù)的調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)外界熱負(fù)荷的變化。與此同時(shí)，針對(duì)循環(huán)水泵的控制方式為“液耦調(diào)速”，能夠根據(jù)熱負(fù)荷的變化情況，對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)的水量進(jìn)行控制，最終達(dá)到對(duì)整體熱量的控制。

2.1.2 運(yùn)行工況

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在2018 年冬—2019 年春的供熱季，整個(gè)文水縣城的供熱總面積達(dá)到518 萬(wàn)m2，加上部分集中供熱區(qū)域，總面積為534 萬(wàn)m2。國(guó)金電廠(chǎng)的熱網(wǎng)循環(huán)水量極寒期維持在4 150 t/h，供、回水溫度為107℃/52 ℃，供熱負(fù)荷為265.5 MW。按534 萬(wàn)m2面積折算采暖熱指標(biāo)為49.7 W/m2。

2.2 改造要點(diǎn)

2.2.1 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造

切缸運(yùn)行時(shí)，通流內(nèi)部的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)紊亂，為確保機(jī)組運(yùn)行安全，須增加必要的溫度、壓力測(cè)點(diǎn)。對(duì)低壓缸進(jìn)汽管路增加不少于2 個(gè)0~200 kPa 進(jìn)汽壓力測(cè)點(diǎn)（絕壓）和2 個(gè)進(jìn)汽溫度測(cè)點(diǎn)（E 型熱電偶），壓力測(cè)點(diǎn)安裝與真空測(cè)點(diǎn)安裝角度保持一致。同時(shí)增加1個(gè)中壓缸排汽壓力測(cè)點(diǎn)。低壓缸排汽口、次末級(jí)出口每側(cè)布置3 個(gè)E 型熱電偶溫度測(cè)點(diǎn)，共計(jì)6 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。對(duì)低壓缸末兩級(jí)葉片進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)增加相應(yīng)的邏輯保護(hù)系統(tǒng)。

2.2.2 供熱抽汽補(bǔ)充管路改造

原汽輪機(jī)5 號(hào)抽汽口為5 號(hào)低加的回?zé)岢槠c供熱抽汽共用，抽汽母管尺寸為DN1000，在工業(yè)抽汽退出的情況下，熱網(wǎng)抽汽管路無(wú)法滿(mǎn)足最大的抽汽能力。具體而言：在中排蝶閥前新增抽汽管路，并與原抽汽管路合并后引入熱網(wǎng)首站，抽汽母管進(jìn)行擴(kuò)容改造，改造后為DN1400，滿(mǎn)足切缸后最大供熱能力要求。

2.2.3 真空系統(tǒng)優(yōu)化改造

兩臺(tái)100%容量的雙級(jí)水環(huán)式真空泵（型號(hào)為T(mén)C11），入口設(shè)計(jì)極限背壓為3.49 kPa，實(shí)際運(yùn)行中已接近4 kPa，不能滿(mǎn)足切缸運(yùn)行條件，故需增設(shè)輔助抽真空設(shè)備，使背壓進(jìn)一步降低至2~4 kPa，使機(jī)組達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

3 電力機(jī)組靈活性改造后供熱能力變工況特性計(jì)算

3.1 切缸/低背壓運(yùn)行改造后機(jī)組熱力特性分析

完成機(jī)組改造后，為了防止低壓缸末段兩級(jí)葉片出現(xiàn)“鼓風(fēng)”情況，導(dǎo)致葉片超溫或者能力超過(guò)限度，必須引入一定量的蒸汽，對(duì)低壓缸進(jìn)行冷卻。將機(jī)組供熱低壓缸進(jìn)氣流量控制在40 t/h 時(shí)，如果保證主汽流量相同，相較于改造前，切缸的電負(fù)荷能夠減少19.5 MW，供熱抽氣量能夠增加99 t/h，供熱負(fù)荷量能夠增加69 MW。

3.2 改造前、后深度調(diào)峰能力對(duì)比

機(jī)組抽汽供熱能力為250 MW 時(shí)，改造前電負(fù)荷達(dá)到185 MW，改造后電負(fù)荷可降至135 MW；機(jī)組抽汽供熱能力為350 MW 時(shí)，改造前電負(fù)荷達(dá)到260 MW，改造后電負(fù)荷可降至200 MW?？傮w而言，經(jīng)過(guò)改造后，低壓缸進(jìn)氣消耗量大幅度降低，在一定程度上提高了機(jī)組深度調(diào)峰能力以及供熱能力。在保證供熱負(fù)荷相同的條件下，改造后的調(diào)峰能力相較于改造前的提升區(qū)間在50～60 MW 之間。

3.3 機(jī)組改造后供熱的經(jīng)濟(jì)性

3.3.1 非調(diào)峰時(shí)段背壓降低帶來(lái)的節(jié)能收益

按照2018—2019 年供熱季的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，完成切缸改造后，以保證間冷塔處于安全運(yùn)行狀態(tài)作為前提條件，且采用低背壓運(yùn)行模式，節(jié)能收益更高。具體而言，改造前，機(jī)組冬季運(yùn)行平均背壓約為8 kPa，平均發(fā)電煤耗取320 g/kW·h，平均負(fù)荷率取70%。改造后，供熱期間非調(diào)峰時(shí)段，機(jī)組運(yùn)行背壓可平均降低4 kPa 運(yùn)行，運(yùn)行背壓降低，折算對(duì)應(yīng)影響電負(fù)荷為6.6 MW，在供熱期間非調(diào)峰時(shí)段節(jié)約標(biāo)煤約為4 562 t。按照標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)397 元計(jì)算，節(jié)能收益約為181.11 萬(wàn)元。

3.3.2 深度調(diào)峰補(bǔ)償收益

結(jié)合有關(guān)政策，在考慮環(huán)保指標(biāo)的情況下，由于脫硝環(huán)保指標(biāo)無(wú)法量化，故鍋爐的最低負(fù)荷降低至設(shè)置為43%機(jī)組最大連續(xù)出力工況對(duì)應(yīng)的主蒸汽流量。此時(shí)，低壓缸切缸后最小進(jìn)汽流量為40 t/h，發(fā)電負(fù)荷可降至115 MW（深度調(diào)峰時(shí)長(zhǎng)按供熱初末期2 個(gè)月，按2 h/d 計(jì)算，按最低價(jià)計(jì)算）。若不考慮環(huán)保指標(biāo)，則需注重直流爐的轉(zhuǎn)態(tài)特性，故鍋爐的最低負(fù)荷可降低至30%機(jī)組最大連續(xù)出力工況對(duì)應(yīng)的主蒸汽流量，低壓缸切缸后最小進(jìn)汽流量為40 t/h，發(fā)電負(fù)荷可降至85 MW（計(jì)算方法同上）[1-3]。

4 結(jié)論

1）按照切缸/低背壓運(yùn)行技術(shù)改造后，低壓缸冷卻蒸汽流量消耗大幅度降低，機(jī)組深度調(diào)峰能力顯著提高，在一定程度上切實(shí)提高了機(jī)組的供熱能力。

2）成本方面的結(jié)果：改造資金投入總量不超過(guò)400 萬(wàn)元（具體值為：398.23 萬(wàn)元），只需運(yùn)行一個(gè)冬天（單個(gè)供熱季）就能夠全部收回成本。

3）低背壓運(yùn)行改造技術(shù)應(yīng)用期間，可能出現(xiàn)的鼓風(fēng)、水蝕、顫振等問(wèn)題都是可控的，不會(huì)導(dǎo)致改造過(guò)程被迫中斷，該技術(shù)具備可行性。