200 MW機(jī)組熱電解耦方案研究

謝 天，孫永春，付青山，付亦葳

(1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054； 2.國(guó)電龍華延吉熱電有限公司，吉林 延吉 133000)

0 引言

隨著全社會(huì)用電需求增速放緩以及可再生能源的大規(guī)模發(fā)展，火電利用小時(shí)數(shù)將會(huì)逐年下降，為此火電機(jī)組提升運(yùn)行靈活性，大規(guī)模參與電網(wǎng)深度調(diào)峰將是大勢(shì)所趨[1-3]。

特別是我國(guó)“三北”地區(qū)，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組比重大，水電、純凝機(jī)組等可調(diào)峰電源稀缺，調(diào)峰困難已經(jīng)成為電網(wǎng)運(yùn)行中最為突出的問題。以東北電網(wǎng)為例，其目前的電源結(jié)構(gòu)中，火電占總裝機(jī)的70%，風(fēng)電占總裝機(jī)的20%，核電機(jī)組也在陸續(xù)投運(yùn)。在冬季采暖期，供熱機(jī)組運(yùn)行容量占火電機(jī)組運(yùn)行總?cè)萘康?0%，熱電機(jī)組按“以熱定電”方式運(yùn)行，調(diào)峰能力僅為10%左右，使得風(fēng)電消納問題更為突出。上述情況導(dǎo)致了東北電網(wǎng)調(diào)峰困難的三個(gè)嚴(yán)重后果：一是電網(wǎng)低谷電力平衡異常困難，調(diào)度壓力巨大，增加了電網(wǎng)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；二是電網(wǎng)消納風(fēng)電、光電及核電等新能源的能力嚴(yán)重不足，棄風(fēng)問題十分突出，不利于地區(qū)節(jié)能減排和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)；三是電網(wǎng)調(diào)峰與火電機(jī)組供熱之間矛盾突出，影響居民冬季供暖安全，存在引發(fā)民生問題的風(fēng)險(xiǎn)[4-6]。

新的電力供需環(huán)境下，火電利用小時(shí)數(shù)將長(zhǎng)期保持在較低水平，部分火電基荷電源的角色將發(fā)生轉(zhuǎn)變。為此，東北電網(wǎng)率先出臺(tái)《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則(試行)》政策，就是未來電力市場(chǎng)化的第一步，在競(jìng)爭(zhēng)性電力市場(chǎng)中，火電需根據(jù)市場(chǎng)中的價(jià)格波動(dòng)靈活調(diào)節(jié)出力。對(duì)火電機(jī)組特別是熱電機(jī)組的靈活性改造，是有力提升我國(guó)“三北”地區(qū)新能源消納能力措施之一。

熱電解耦的目標(biāo)就是為解決“以熱定電”運(yùn)行模式的調(diào)峰難題，實(shí)現(xiàn)在保證冬季居民供熱的同時(shí)具有配合風(fēng)電上網(wǎng)的調(diào)峰功能，保證火力發(fā)電負(fù)荷受電網(wǎng)調(diào)控而降低時(shí)，供熱量仍然能滿足熱網(wǎng)需求。為實(shí)現(xiàn)機(jī)組熱電解耦目標(biāo)，目前國(guó)內(nèi)外主要技術(shù)路線有以下幾個(gè)方面[7-11]。

(1)運(yùn)行方式，在現(xiàn)有設(shè)備不做大規(guī)模改造的基礎(chǔ)上，通過改變運(yùn)行方式在一定程度上提升熱電解耦能力，如使用機(jī)組蒸汽旁路將主蒸汽、再熱蒸汽減溫減壓后用于供熱，這類方案投資小，熱電解耦能力強(qiáng)，但經(jīng)濟(jì)性差，對(duì)設(shè)備運(yùn)行可靠性要求高。

(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改變熱網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式，如增設(shè)熱泵、在熱網(wǎng)系統(tǒng)中增加儲(chǔ)熱設(shè)備等，這類方案普遍投資太高。

(3)設(shè)備改造，在原有熱網(wǎng)系統(tǒng)不變的基礎(chǔ)上，對(duì)供熱機(jī)組的汽輪機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行改造，增強(qiáng)機(jī)組熱電解耦能力，如光軸、高背壓改造，低壓缸零出力技術(shù)等。本文將對(duì)這類改造方案展開進(jìn)一步對(duì)比分析。

1 熱電解耦方案介紹

光軸方案與低壓缸零出力方案均需要增加中低壓聯(lián)通管旁路，保證一定量的冷卻流量，主要區(qū)別在于是否更換低壓缸轉(zhuǎn)子。

圖1為光軸與低壓缸零出力供熱方案示意圖。

圖1 供熱改造示意圖

1.1 光軸方案

將現(xiàn)有汽輪機(jī)改成背壓式供熱機(jī)組，低壓缸幾乎不進(jìn)汽，主蒸汽由高壓主汽門、高壓調(diào)節(jié)汽門進(jìn)入高中壓缸做功。中壓缸排汽(JD3回?zé)岢槠谐?全部進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器供熱。低壓轉(zhuǎn)子拆除，更換成一根光軸，連接中壓轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)，起到傳遞扭矩的作用。機(jī)組在運(yùn)行過程中，光軸會(huì)與低壓缸內(nèi)的蒸汽(或空氣)產(chǎn)生摩擦鼓風(fēng)發(fā)熱，需要對(duì)其進(jìn)行冷卻，冷卻方案要結(jié)合冷凝器的運(yùn)行方式一并考慮，有兩種方案：一是冷凝器熱備用，對(duì)光軸采用蒸汽冷卻，二是冷凝器停用，采用鼓風(fēng)機(jī)冷卻。

1.2 低壓缸零出力方案

低壓缸零出力供熱技術(shù)在機(jī)組運(yùn)行期間，采用可完全密封的液壓蝶閥切除低壓缸全部進(jìn)汽，僅通入少量(<20 t/h)的冷卻蒸汽，用于帶走低壓缸零出力工況低壓轉(zhuǎn)子運(yùn)行產(chǎn)生的鼓風(fēng)熱量，從而降低低壓轉(zhuǎn)子冷卻蒸汽流量，大幅提高機(jī)組供熱能力。

2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

2.1 熱經(jīng)濟(jì)性

為定量研究不同方案的熱電解耦潛力與熱經(jīng)濟(jì)性，采用熱力過程分析軟件EBSILON建立了某200 MW汽輪機(jī)組熱力計(jì)算模型，對(duì)前述方案進(jìn)行分析。

光軸改造：機(jī)組額定雙抽工況下，額定主蒸汽流量(622.87 t/h)條件下，工業(yè)抽汽流量為50 t/h時(shí)，低壓缸冷卻蒸汽流量按約10 t/h核算，機(jī)組最大采暖抽汽流量約為411.6 t/h，對(duì)應(yīng)發(fā)電功率約為138.57 MW，發(fā)電熱耗率3 945.3 kJ/kWh，較改造前采暖抽汽流量增加約105 t/h，發(fā)電功率降低約11.2 MW，發(fā)電熱耗率降低約1 559.5 kJ/kWh，折合發(fā)電煤耗率58.4 g/kWh，供熱面積增加約129.6萬m2。

低壓缸零出力供熱改造：機(jī)組額定雙抽工況下，額定主蒸汽流量(622.87 t/h)條件下，工業(yè)抽汽流量為50 t/h時(shí)，低壓缸冷卻蒸汽流量按約15 t/h核算，機(jī)組最大采暖抽汽流量約為405.6 t/h，對(duì)應(yīng)發(fā)電功率約為138.81 MW，發(fā)電熱耗率4 046.6 kJ/kWh，較改造前采暖抽汽流量增加約100 t/h，發(fā)電功率降低約11 MW，發(fā)電熱耗率降低約1 458.2 kJ/kWh，折合發(fā)電煤耗率54.63 g/kWh，供熱面積增加約128萬m2。

表1熱經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

發(fā)電量/MW光軸方案發(fā)電煤耗率/g·(kWh)-1低壓缸零出力方案發(fā)電煤耗率/g·(kWh)-1149.41146.9150.5139.06147.8151.6109.78152.3156.493.53155.4160.077.54160.1165.3

2.2 投資估算

在熱網(wǎng)系統(tǒng)改造范圍相同的情況下，光軸方案比低壓缸零出力方案改造費(fèi)用高約500萬元，兩者區(qū)別主要包括：光軸方案需要購(gòu)買并安裝定制低壓光軸；低壓缸零出力方案不需要購(gòu)買光軸，但增加了低壓缸葉片安全性校核，低壓缸末級(jí)葉片防水蝕金屬噴涂等費(fèi)用。

另外，光軸方案在供熱初期和供熱末期需要更換兩次轉(zhuǎn)子，每年增加揭缸維護(hù)費(fèi)用約150萬元。

2.3 投資回收期

光軸方案和低壓缸零出力方案由于技術(shù)原理基本一致，兩者年收益基本持平，按當(dāng)?shù)孛簝r(jià)、熱價(jià)計(jì)算，年收益約1 500萬元，光軸方案增加供熱量略高，收益也略高。低壓缸零出力方案由于改造費(fèi)用較低，投資回收期較短。

2.4 運(yùn)行靈活性

低壓缸零出力方案在運(yùn)行方式上具有較大的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)抽汽供熱和背壓供熱的靈活轉(zhuǎn)換，而光軸方案一旦更換轉(zhuǎn)子以背壓供熱方式，則完全是“以熱定電”運(yùn)行，對(duì)機(jī)組電負(fù)荷調(diào)節(jié)的靈活性有所限制。

對(duì)于熱負(fù)荷不夠大的機(jī)組，若采用光軸方案，在供熱初、末期，因?yàn)楣崃啃。拗茩C(jī)組發(fā)電出力不能增加，而采用低壓缸零出力方案，機(jī)組可以恢復(fù)低壓缸進(jìn)汽，依靠中壓缸排汽抽汽供熱，機(jī)組發(fā)電出力調(diào)節(jié)不受限制。

3 運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 光軸方案

汽輪機(jī)低壓缸光軸改造后，在機(jī)組正常運(yùn)行期間低壓缸沒有明顯安全性風(fēng)險(xiǎn)。但每年在供熱初、末期需要更換兩次轉(zhuǎn)子，每次更換轉(zhuǎn)子涉及低壓缸揭缸和轉(zhuǎn)子找中心工作，均存在潛在可靠性風(fēng)險(xiǎn)。若機(jī)組中心找正精度差，聯(lián)軸器的鉸孔加工質(zhì)量有偏差，聯(lián)軸器中心不正，連接后則會(huì)改變各軸承之間的負(fù)荷分配，導(dǎo)致各軸承承力不均引起振動(dòng)。因?yàn)榘惭b過程存在風(fēng)險(xiǎn)，光軸方案低壓缸轉(zhuǎn)子頻繁更換，對(duì)軸系穩(wěn)定性等安全因素存在潛在威脅。

在安裝階段，影響汽輪機(jī)組振動(dòng)的因素是多方面的。對(duì)任何一個(gè)方面的忽視，都有可能導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)偏大。應(yīng)預(yù)置“現(xiàn)場(chǎng)不揭缸動(dòng)平衡”的條件。“轉(zhuǎn)子”與“光軸”互換后，如仍出現(xiàn)因不對(duì)中造成的振動(dòng)，可以在現(xiàn)場(chǎng)做動(dòng)平衡。

另外采暖期運(yùn)行期間，由于熱網(wǎng)和汽輪機(jī)主機(jī)難以隔離，一旦熱網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障，可能需停機(jī)進(jìn)行處理。

汽輪機(jī)低壓缸光軸改造，理論上分析安全風(fēng)險(xiǎn)可控，但在機(jī)組換轉(zhuǎn)子、起機(jī)過程中存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)影響機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3.2 低壓缸零出力方案

3.2.1 安全校核

低壓缸零出力運(yùn)行時(shí)，低壓缸進(jìn)汽流量大幅減小，運(yùn)行工況大幅偏離設(shè)計(jì)值，可能導(dǎo)致低壓末兩級(jí)葉片動(dòng)應(yīng)力增大、水蝕加劇，影響設(shè)備安全運(yùn)行。為保證機(jī)組低壓缸零出力運(yùn)行的安全性，需采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)低壓缸末兩級(jí)葉片在小容積流量工況下進(jìn)行安全性校核。部分校核結(jié)果如圖2和圖3所示，可見隨著低壓缸進(jìn)汽流量的減小，在低壓缸末兩級(jí)會(huì)逐漸出現(xiàn)鼓風(fēng)現(xiàn)象，導(dǎo)致低壓缸末兩級(jí)級(jí)后溫度升高，因此在切除低壓缸進(jìn)汽過程中應(yīng)密切關(guān)注高溫區(qū)的溫度，必要時(shí)增加后缸噴水流量；另外小容積流量工況下末級(jí)葉片后出現(xiàn)的渦流可能會(huì)卷吸減溫水至動(dòng)葉流道，加劇動(dòng)葉出口吸力面水蝕情況。

3.2.2 安全措施

(1)通過低壓缸末級(jí)葉片后霧化噴水減溫，可將鼓風(fēng)溫度控制在安全范圍以內(nèi)。

(2)針對(duì)渦流卷吸水蝕問題，通過更換減溫水霧化噴頭以及對(duì)低壓缸末級(jí)葉片實(shí)施金屬耐磨層噴涂處理，可提高葉片的抗水蝕能力。

圖2 末兩級(jí)葉片由于鼓風(fēng)摩擦產(chǎn)生的升溫問題

圖3 末級(jí)葉片出現(xiàn)的渦流

4 運(yùn)行情況

2017年10月，該機(jī)組實(shí)施了低壓缸零出力供熱改造，并隨后完成了試運(yùn)行。期間對(duì)發(fā)電功率及鍋爐蒸發(fā)量進(jìn)行調(diào)整時(shí)，只要低壓缸冷卻蒸汽流量和低壓缸減溫水流量保持穩(wěn)定，低壓缸次末級(jí)、末級(jí)溫度均能夠保持在制造廠給定的安全限值范圍內(nèi)(見表2)。因此在機(jī)組低壓缸零出力運(yùn)行方式下，應(yīng)通過低壓缸冷卻蒸汽調(diào)閥、低壓缸減溫水調(diào)閥及凝結(jié)水壓力的調(diào)整，保持低壓缸冷卻蒸汽流量和低壓缸減溫水流量穩(wěn)定，從而控制低壓缸始終在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。此外，在機(jī)組變負(fù)荷過程中，汽輪機(jī)振動(dòng)、瓦溫、軸向位移及高、低壓缸脹差等參數(shù)均保持穩(wěn)定。

表2低壓缸零出力試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)

試驗(yàn)參數(shù)100 MW80 MW70 MW主蒸汽流量/t·h-1438.14373.61323.66凝汽器真空/kPa-95.5-95.9-95.5液控蝶閥開度/[%]000供熱抽汽流量/t·h-1322.37271.30228.23冷卻蒸汽調(diào)閥開度/[%]514560冷卻蒸汽流量/t·h-123.9821.3122.87低壓缸冷卻水流量/t·h-171.6573.4775.53低壓末級(jí)后蒸汽溫度1/℃35.936.334.8低壓末級(jí)后蒸汽溫度2/℃29.628.629.3低壓末級(jí)后蒸汽溫度3/℃36.834.333.6低壓次末級(jí)后蒸汽溫度1/℃149.8156.6156.7低壓次末級(jí)后蒸汽溫度2/℃139.2144.3144.4低壓次末級(jí)后蒸汽溫度3/℃143.9149.6150.0

5 結(jié)論

(1)低壓缸零出力方案與光軸方案都相當(dāng)于純背壓運(yùn)行，幾乎沒有冷源損失，熱經(jīng)濟(jì)性基本相同，供熱面積增加約130萬m2，各負(fù)荷下后者發(fā)電煤耗比前者低約3～4 g/kWh。

(2)電負(fù)荷調(diào)峰能力方面，額定主汽流量工況，機(jī)組發(fā)電功率降至約150 MW；鍋爐30%BMCR工況，機(jī)組發(fā)電功率降至約35 MW。

(3)不考慮熱網(wǎng)系統(tǒng)改造，光軸方案改造費(fèi)用比低壓缸零出力供熱方案改造費(fèi)用高約500萬元。且光軸方案在供熱初、末期需要更換兩次轉(zhuǎn)子，每年增加揭缸維護(hù)費(fèi)用約150萬元。

(4)低壓缸零出力方案在運(yùn)行方式上具有較大的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)抽汽供熱和背壓供熱的靈活轉(zhuǎn)換。

(5)低壓缸零出力方案與光軸方案實(shí)施過程中，均有各自不同的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，需采取針對(duì)性的安全措施。

(6)改造后的運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果表明，只要低壓缸冷卻蒸汽流量和低壓缸減溫水流量保持穩(wěn)定，低壓缸次末級(jí)、末級(jí)溫度以及振動(dòng)、瓦溫、軸向位移及高、低壓缸脹差等參數(shù)均能夠穩(wěn)定在制造廠給定的安全限值范圍。