350MW超臨界燃煤供熱機組凝抽背（NCB）裝機方案及經濟性分析

鄭立文

[摘要]凝抽備（NCB）技術在燃氣供熱機組上已經得到應用，350MW超臨界燃煤供熱機組采用NCB技術可大大提高對外供熱能力，提高機組經濟性。本文對2×350MW超臨界燃煤機組采用NCB裝機方案的可行性、可靠性及經濟性進行了分析。

[關鍵詞]NCB 裝機 方案 分析

[中圖分類號]U223 [文獻標識碼]A [文章編號]1672-5158（2013）06-0220-03

1 前言

隨著國家節能降耗產業政策不斷深化，為降低冷源損失，增大供熱機組的供熱能力，國內采用的新技術有熱泵、雙轉子、NCB（凝抽背）等。350MW超臨界供熱機組采用NCB機型技術可有效增加對外供熱能力，技術可行，安全可靠，指標優良，可有效增大供熱能力，具有耗煤及污染物排放量低等明顯優勢，符合國家節能環保政策，具有良好的節能和環保減排效益。

2 裝機方案

2.1 2×350MW超臨界凝抽背供熱機組（NCB機型）本體結構設計方案選擇

以常規350MW超臨界汽輪機為母型，將低壓缸軸端通過3s離合器與發電機（或高中壓缸）連接，使低壓缸可在線解列和并列：

采暖季低壓缸通過3S離合器與發電機（或高中壓缸）脫開，中壓缸排汽蝶閥關閉，低壓缸解列，汽輪機背壓運行，單臺汽輪機最大排汽量不小于730t/h，最大供熱出力可達780t/h。

當采暖抽汽量小于550t/h的情況下，在運行狀態下將低壓缸通過3S離合器與發電機（或高中壓缸）軸端連接，部分開啟中壓缸排汽蝶閥，汽輪機變為抽汽、凝汽運行，且采暖抽汽可通過中壓缸排汽蝶閥調節。

非采曖工況下，將低壓缸通過3S離合器與發電機（或高中壓缸）軸端連接，全部開啟中壓缸排汽蝶閥，汽輪機純凝運行。

機組采用SSS離合器的結構布置方案后，低壓缸可以停運，能量損失少，運行方式靈活。熱力系統較常規機組復雜，投資略增。

2.2 機組布置方案

常規300MW級汽輪發電機組的發電機布置在低壓缸外側，一旦低壓缸故障，則發電機就要停機。本方案要求機組背壓運行時，低壓缸解列，則發電機有兩種布置方案：

2.2.1 布置在汽輪機機頭側

發電機布置在汽輪機機頭側的優點是：發電機便于檢修抽轉子。

這種布置方式的缺點是：由于發電機位于機頭側，汽輪機機頭側的管道，如主蒸汽管、高溫再熱蒸汽管、套裝油管、軸封供汽管、軸封漏汽管、抽汽管道等要鉆到發電機基座下方布置，而發電機下方需布置主封母、發電機定子冷卻水管、發電機氫冷器冷卻水管和發電機本體潤滑油管等，已占用基座下方大部分空間，機頭前管道布置將非常緊張。

2.2.2 布置在高中壓缸和低壓缸之間

這種布置方式可以避免機頭側管道布置與發電機下方封母布置沖突的問題，汽輪機機頭側的管道布置與常規機組相同，主廠房布置的難度降低。

將發電機放到高中壓缸和低壓缸之間，發電機無法抽轉子，檢修時需考慮由兩臺行車一起抬吊發電機。單臺汽機房行車最大起重量將從按80t增大至約150t，造價大幅提高。

本方案暫采取發電機布置在機頭側的方案進行布置。

3 SSS離合器的基本工作原理

3S（“Synchro-Self-Shifting”的首字母）離合器是一種單向傳遞扭矩的裝置，當離合器的主動、從動齒輪轉速完全相等時兩者相位同步、自動軸向移動而嚙合。而一旦輸入轉速低于輸出轉速時離合器脫開。3s離合器的基本工作原理可比擬為螺母擰在螺栓上。如果螺栓轉動時螺母是自由的，則螺母將隨螺栓一同轉動，如果螺母受限制而螺栓繼續轉動，則螺母將沿螺栓作直線運動（圖1）。

4 相關主要系統變化情況

4.1 主蒸汽系統

按汽輪機旁路系統容量不低于40%BMCR。而當低壓缸解列，機組背壓運行時，處于備用狀態的汽輪機低壓缸可能無法承受旁路排汽熱負荷。因此，現階段控制系統暫按低壓旁路閥在汽輪機背壓運行時不連鎖開啟，且過熱器和再熱器的安全閥容量應按100%BMCR考慮，以滿足機組超壓排放的要求。

4.2 抽汽系統

汽輪機純凝運行或抽汽凝汽運行工況下，抽汽系統配置及運行方式與常規機組無異。汽輪機純背壓運行工況下，低壓缸解列，相應的6號和7號低加也要解列。

背壓工況下，由于熱井出口的凝結水含氧量無法保證，且未經6、7號低加加熱，高壓除氧器的進汽量需要加大，約為常規設計的兩倍。四段抽汽管道規格由常規DN350加大到DN500，相應閥門的口徑均需增大。

4.3 凝結水系統

純凝工況或抽凝工況下，排汽裝置對凝結水有預除氧的功能，熱井出口凝結水含氧量小于30 μg/L；機組背壓運行工況下，凝結水（包括熱網加熱器疏水、高加事故疏水、經常疏水、啟停疏水、系統補水及減溫水）在排汽裝置中除氧效果差，含氧量在50～100μg/L。除氧器的容量、噴嘴數量和進入除氧器的蒸汽量均需增加。

4.4 供熱系統

由于采暖抽汽量加大，采暖抽汽口及抽汽管道規格由常規機組的2×DNl000增大為2×DN1200，相應閥門的口徑均需增大。

熱網首站的設備和管道容量由于采暖供熱量加大均需加大，包括：熱網加熱器換熱面積增大40%；熱網疏水泵流量增大25%；熱網循環泵流量增大25%；熱網系統管道及附件規格增大，管道總重增加約40%。

熱網加熱器的疏水可經熱網循環水或凝結水冷卻至80～120℃后，進入排汽裝置，一方面疏水全部進入凝結水精處理裝置，保證鍋爐有足夠水質合格的補給水，同時回收部分熱量；另一方面可以使空冷島有足夠的熱負荷滿足防凍要求。

采暖抽汽管道上應設100%容量的安全閥，并設置100%容量的旁路管道。當背壓運行下故障停機或熱網系統故障，快速開啟采暖抽汽旁路閥，對空排汽。

5 工況變化情況

5.1 背壓工況切換至抽凝工況

由于低壓缸處于備用狀態，溫度較低，需采用輔助蒸汽對低壓缸進行沖轉、暖機，輔助蒸汽參數：壓力0.15～0.2MPa（a），溫度～200℃，流量～50t/h：

當滿足低壓轉子暖機時間后，開啟低壓啟動閥門，采用中壓排汽使低壓缸升速至3000r/min，3s聯軸器嚙合并鎖定；

逐步開啟中低壓連通管閥門，關閉低壓啟動閥門，之后汽輪機切換為抽凝工況運行。

5.2 汽輪機背壓運行停機后啟動

汽輪機背壓運行故障停機后，需要重新啟動時，必須將3s聯軸器鎖定，高中低壓缸以純凝啟動，達到一定負荷后再向抽凝或背壓切換。根據停機時間的長短，汽輪機高中壓缸和低壓缸可能會處于不同的狀態，高中低均為冷態時，啟動過程與正常啟動相同；高中壓熱態、低壓冷態時，啟動過程如下：

投入低壓盤車，使3s聯軸器嚙合并鎖定；

先通過輔助蒸汽對低壓缸進行低速暖機，高中壓暫時不進汽，由于3S聯軸器鎖定，高中壓缸將跟隨低壓缸空轉，高排通風閥及中排通風閥保持開啟，防止高排、中排超溫；

當滿足低壓轉子暖機時間后，高中壓缸開始進汽，按熱態純凝方式啟動。

5.3 供熱能力

該方案供熱能力可承擔2000萬m²的采暖供熱面積。

5.4 發電能力

與常規同等級超臨界機組相當。

6350Mw超臨界供熱機組采用NCB機型的可行性與可靠性

6.1 機組技術可靠性分析

6.1.1 NCB機型技術可靠，運營經驗日趨成熟

該技術來源于燃氣蒸汽聯合循環機組，目的為了增加供熱能力和提高項目盈利能力，目前國內各大主機廠已在起步實施階段。經調研，華能北京高碑店熱電廠的二期擴建的燃氣機組首次采用NCB方案，目前項目在建設中，計劃今年投運。350MW超臨界供熱機組是在300MW亞臨界供熱機組的基礎上發展來的，技術上是成熟的。其供熱可靠性是有保證的，且電廠建設、安裝、運行和檢修均有成熟經驗，其安全經濟運行是有把握的。

帶3S離合器的凝背式超臨界汽輪機在火電機組已進入實際應用階段，國內三大主機廠在設計、制造、安裝和運行方面正逐步成熟，該選型方案設計思想先進，技術成熟，符合國家節能環保的能源政策，在熱負荷大且穩定的情況下可為企業帶來較好的經濟效益，應用前景預期良好。

6.1.2 采用NCB技術運行方式靈活

由于3S離合器的切換，實現了可凝可背，給機組的運行方式帶來了較大的靈活性，并相應帶來了可觀的經濟效益，為下一步探討整機優化、輔機運行方式優化等各種可行性方案提供了可能。

6.2 方案風險因素及應對措施

6.2.1 NCB技術目前在超臨界燃煤機組上應用業績較少，正處于產品設計制造階段，但還沒有實際投運，可靠性有待防范。

防范措施：在設計、制造、監造、安裝、調試、運行組織等各個環節加強管理和控制，在安全、質量、指標等方面做到可控、在控。加強重要設備、重點環節監督；嚴格控制安裝及調試質量，保證落實各項設計意圖和設計指標；借鑒已經投運的燃機NCB的成熟運行經驗，提高設備管理水平和可靠性。

6.2.2 采用NCB技術增大了供熱能力，只有在供熱負荷有保證的前提下才能保證機組的經濟性。

風險應對：保證足額、穩定的熱負荷是確保NCB方案安全經濟的前提。這樣一可真正實現NCB方案的經濟性，二可降低機組在背壓運行工況和抽凝工況間切換的頻率，從而降低對汽輪機、低壓缸、凝汽器及相關動力管道承受短時的熱沖擊的風險，并相應提高3s離合器自身壽命。

6.2.3 NCB技術應用3S聯軸器軸系相應加長，對機組的安全運行存在潛在影響。

軸系穩定性：NCB技術應用3S聯軸器相應機組軸系加長2米，經咨詢，目前三大主機廠通過增加輕載軸承的方式可以保證整個軸系的穩定性。因此，軸系穩定性是有技術支撐的。

7 凝抽背（NCB）裝機方案經濟性分析

7.1 主要技術經濟指標較優

從（表1）可以看出，在采用超臨界機組+3S離合器方案后，機組的平均供熱標煤耗率比常規超臨界350MW機組方案要減少1.63 kg/GJ，按可研一個采暖季546萬GJ/a計算，每年采暖期間可以節約供熱標煤8150噸（兩臺機組），按目前市場上每噸標煤價885元計算，每年可以節約成本721萬元。

此外根據上表可以看出，機組的年平均全廠熱效率提高約10%，機組的熱效率優于現有的純凝超超臨界百萬機組（平均熱效率約為45%），其熱經濟性較好。其發電煤耗比常規350MW超臨界機組減少約14g/K.wh，提高了項目的盈利水平。

7.2 投資變化情況

NCB方案在熱負荷變化較大時，需要在背壓運行工況和抽凝工況間切換，因此，需在軸系間加裝3S聯軸器，而加裝3S聯軸器使得軸系增加2米左右，兩臺機組可使主廠房總長度增加4米左右。單獨3S聯軸器增加費用約1500萬元/臺。因熱力系統變化、土建引起的費用變化估算費用800-1000萬元/臺，總造價約計增加4000萬元（兩臺機）。但項目資本金內部收益率可大幅提高，項目盈利能力可大大增強，在供熱價格有望上漲的情況下，投資可很快收回。

8 結束語

NCB機型方案可大大提高對外供熱能力，符合國家節能環保的能源政策，有利于企業在當前煤價高企的條件下提高盈利能力。

常規350MW燃煤超臨界機組采用凝抽背（NCB）裝機方案，雖會增加一定的初投資，但其技術成熟可行，安全可靠，指標優良，大大增加了供熱能力，可很快收回投資，在供熱負荷有保證的前提下，值得大力推廣。

NCB機型的經濟性建立在足額、穩定的熱負荷上，也就是供熱負荷至少在600噸以上才能體現其經濟性，因此，確保基本供熱負荷是選擇NCB的關鍵。

350MW超臨界燃煤熱電NCB機型方案還沒有應用業績，下一步需要對各種運行方式下軸系系統、通流部分、調節控制系統進行認真研究，進一步優化設備、管道布置方案，合理選擇控制系統和小機背壓值，確保機組安全可靠、經濟運行。

參考文獻（References）

[1]雕吉義SSS離合器及其在燃氣輪機上的應用《燃氣輪機技術》，1997年，第3期，32-35

[2]哈爾濱汽輪機廠有限公司《哈汽公司NCB供熱機組介紹》