抽凝供熱機組運行優化及改造

宗緒東

(華電國際技術服務中心，濟南 250014)

0 引言

節能減排是我國經濟實現可持續發展的基本國策，對于發電行業，熱電聯產是實現國家節能減排的一項重要措施[1]。采暖供熱主要有抽凝、吸收式熱泵、高背壓3種方式，抽凝供熱因系統簡單、投資少，在國內應用最廣泛。抽凝供熱機組可分為兩類：一類是設計抽汽供熱機組；另一類為純凝改造供熱機組。抽汽供熱機組設計參數、系統配置比較合理，問題相對較少；純凝改造機組由于設計參數、改造方案不合理等原因，存在問題較多。實際運行中，存在供汽部件(電動閥、快關閥、調節閥、逆止閥)及保護配置、運行調節不當等問題，不僅對汽輪機本體、供熱帶來安全風險，而且導致機組能耗升高。

為提高抽凝供熱機組安全、經濟運行水平，本文在對80多臺供熱機組調研和診斷的基礎上，對供熱系統設計、運行、改造中的問題進行了系統的分析和研究，旨在形成一套安全、經濟的優化改造方案。

1 抽凝機組安全風險及優化

1.1 中壓缸末級葉片斷裂

采用中壓缸排汽打孔抽汽的供熱機組，易發生中壓缸末級葉片斷裂事故。

1.1.1 案例分析

2013年2月15日，河南某公司330 W機組運行中#3軸承振動大而導致跳閘，盤車時中壓缸有明顯異音。解體發現中壓缸末級葉片斷裂，影響了供熱安全。

1.1.2 原因分析

(1)供熱季機組長時間處于低負荷(55%額定負荷)工況運行，由于采暖抽汽量大，運行人員未及時節流低壓缸進汽調節閥，導致中壓缸末級葉片前、后壓差過大，葉片應力增加，長期運行導致疲勞、斷裂。

(2)中壓缸末級葉片的安全性缺乏有效監控手段。中壓缸末級排汽壓力有測點，但末級進汽壓力無測點，因此運行中無法監視末級葉片前、后壓差。以上海汽輪機廠CC330機組為例，其熱力特性書規定：機組采暖供熱時，中壓缸排汽壓力不低于0.4 MPa(絕對壓力，下同)。但在供熱季，由于機組負荷較低，中壓缸排汽壓力大部分時間均低于0.4 MPa，運行人員沒有參考依據。

1.1.3 優化方案

在機組分散控制系統(DCS)微機中增加三段抽汽與中壓缸排汽實際壓差監視曲線，如圖1所示。正常運行中，通過調節機組負荷、低壓缸進汽調節閥，控制三段抽汽與中壓缸排汽壓差不超過最大供熱抽汽工況設計值，保證中壓缸末級葉片的安全性。

按上述方案整改后，該公司運行中未再出現中壓缸末級葉片斷裂事故。

圖1 三段抽汽與中壓缸排汽壓差監控曲線

1.2 供汽母管倒汽導致機組跳閘

兩臺抽凝機組共用供汽母管，單臺機組在事故情況下必須可靠隔離。如果系統安全配置存在問題，機組跳閘后，母管倒汽會造成汽輪機飛車事故。

1.2.1 案例分析

某熱電廠#4，#5機組抽汽經母管供熱網首站，其中#4機組容量為25 MW，#5機組容量為50 MW，供熱系統如圖2所示。2015年1月12日，值班人員啟動磨煤機時，斷路器短路導致#4機組跳閘，廠用電消失，汽輪機嚴重超速，轉子與隔板等發生摩擦，末級葉片斷裂后擊穿汽缸飛出，勵磁機損壞，汽輪機報廢。

圖2 #4，#5機組供汽系統

1.2.2 原因分析

(1)#4機組廠用電消失，凝結水泵跳閘，抽汽逆止閥無法關閉；供汽快關閥保護電源由該機組廠用電系統供，失電后供汽快關閥無法關閉，母管蒸汽倒入#4機組，造成汽輪機超速。

(2)#4機組對外供汽管道未設置逆止閥。

1.2.3 優化方案

(1)將#4，#5機組抽汽快關閥電源由本機400 V母線改為保安段供。

(2)在#4，#5機組供汽母管上加裝翻板式逆止閥，可以徹底避免母管倒汽，如圖3所示。

圖3 #4，#5機組優化供汽系統

采取上述措施后該問題得到了徹底解決，該公司未再發生類似事故。

1.3 供熱機組并列投入導致機組低真空度保護動作跳閘

兩臺抽凝機組供熱網首站，一臺機組已經投入供熱運行，當一臺機組并入熱網時，因系統配置、操作不當等，會造成另一臺機組低真空度保護動作跳閘，影響供熱安全。

1.3.1 案例分析

某電廠#1，#2機組容量為330 MW，采用中壓缸排汽打孔抽汽經母管供熱網兩臺加熱器，供熱系統如圖4所示。2016年12月28日，因#1機組供熱網A，B加熱器溫度較低，值長令#2機組投熱網，投入過程中，#1機組凝汽器真空度迅速下降，機組跳閘。

圖4 #1，#2機組供汽系統

1.3.2 原因分析

(1)為節省投資，#1，#2機組供汽母管設計不合理，存在安全隱患(很多單位存在此問題)。

(2)#2機組運行人員投入供熱速度過快，未對本機供熱管道進行充分疏水、排空氣，且供汽壓力高，造成大量汽氣混合物倒入#1機組低壓缸，凝汽器真空度降至保護動作值。

(3)#1，#2機組供汽逆止閥為抗燃油(EH)控制，接受機組跳閘信號強制關閉，在發生母管倒汽時無法關閉。

1.3.3 優化方案

(1)現有條件下，并列投入供熱時應嚴格控制兩臺機組中壓缸排汽壓力一致，并進行充分疏水、排空氣。

(2)供熱季結束后，在兩臺機組逆止閥前加裝能夠測量正、反向流量的電磁流量計，并將信號接入逆止閥EH油控制回路，運行中當檢測到蒸汽反向流動時，卸掉EH油壓，關閉逆止閥。

(3)在進行供熱改造或設計時，應使兩臺機組能夠單獨供熱網加熱器，加裝聯絡閥以徹底解決母管倒汽問題，如圖5所示。

圖5 #1，#2機組優化供汽系統

2 抽凝機組供熱調節對經濟性的影響及優化

2.1 存在的問題

純凝改造供熱機組的中壓缸排汽壓力較高，額定負荷下為0.80～1.00 MPa。冬季對外供水溫度一般為90～110 ℃，熱網加熱器進汽壓力為0.17 MPa，能滿足最高供水溫度。由于供汽壓力過高，低壓缸進汽調節閥、供熱調節閥、加熱器進汽調節閥節流，導致機組經濟性降低。以某660 MW超臨界抽凝改供熱機組為例，運行參數如圖6所示。

圖6 某660 MW超臨界機組供汽參數

設計抽凝供熱機組額定負荷下中壓缸排汽壓力為0.40～0.50 MPa，由于運行調整方面的原因，低壓缸進汽調節閥、供熱調節閥、熱網加熱器調節閥節流，導致機組經濟性降低。以某330 MW亞臨界抽凝供熱機組為例，運行參數如圖7所示。

圖7 某330 MW機組供汽參數

2.2 蒸汽節流影響機組經濟性機理

總能系統是指基于能的梯級利用原理將各種熱力過程集成于一個系統，來同時滿足每個熱力過程需求的能量系統。基于“溫度對口、梯級利用”原理集成的熱力系統則稱為熱工領域的總能系統[2]。因采暖抽汽壓力與熱網加熱器壓力存在較大偏差，違背了“溫度對口、梯級利用”原理。

蒸汽節流為等焓熵增過程，節流后蒸汽壓力和溫度均降低，比焓-比熵(h-s)圖如圖8所示。圖中：p1為節流前蒸汽壓力；t1為節流前蒸汽溫度；p1′為節流后蒸汽壓力；t1′為節流后蒸汽溫度；Δht為未節流理想比焓降；Δht′為節流后理想比焓降；δhmac為因蒸汽節流造成的理想比焓降損失，δhmac=Δht-Δht′[3]。

圖8 蒸汽節流h-s圖

2.3 優化方案

(1)運行中進行優化調整試驗，逐漸開大各加熱器進汽調節閥，調整低壓缸進汽調節閥開度，在保證中壓缸末級葉片前后壓差不超限的前提下，控制加熱器出口水溫正常。利用停機機會，熱工增加自動控制邏輯，以三段抽汽與中壓缸排汽壓差、加熱器出水溫度為跟蹤目標，自動調節各機組低壓缸進汽調節閥、熱網加熱器進汽調節閥。

(2)利用機組檢修機會，進行中壓缸排汽供汽背壓機發電改造。中壓缸排汽抽汽出口加裝背壓機、發電機，發電并入廠用電系統，排汽引入熱網加熱器，改造方案如圖9所示。供暖期供熱負荷相對較大時，抽汽參數穩定，蒸汽在背壓機中做功后排入熱網加熱器，可以更為合理地滿足供熱要求，從而避免了高品位能量的浪費。但在供熱初期和末期，供熱負荷較低，此時抽汽壓力會隨著熱負荷的變化而進行相應調整，不利于背壓機的安全運行，供熱抽汽通過旁路直接進入熱網加熱器，即傳統的抽汽供熱方式[4]。

圖9 中壓缸排汽抽汽拖動背壓機發電改造系統

以上述330，660 MW機組供熱參數為例，按改造后背壓機穩定運行90 d計算，每個供熱季增加效益分別為790萬元，1 600萬元，計算數據見表1。

表1 330，660 MW機組進行背壓機改造后效益分析

3 結論

本文針對抽凝供熱機組運行中存在的典型問題進行剖析，通過理論分析探討提高機組安全性、經濟性的有效方法，力圖為機組設計、優化改造提供參考，主要結論如下。

(1)抽凝供熱機組中壓缸末級葉片的安全性應引起足夠的重視，運行中應監控三段抽汽與中壓缸排汽壓差不超過最大設計值。

(2)母管制供熱機組要充分考慮蒸汽倒流帶來的安全風險，應對保護電源、邏輯、逆止閥、管道等進行合理配置。

(3)供熱蒸汽節流導致做功能力降低，是影響抽凝供熱經濟性的關鍵。在機組設計階段應做好參數匹配，已投產機組要對低壓缸進汽調節閥等進行優化調節，對于抽汽、供汽參數嚴重不匹配的要進行背壓機改造。