基于背壓小汽輪機(jī)方案的大型燃煤電站供熱改造

李 靖，陳 海，劉 健，魏運(yùn)軍，程 鋒，駱 超

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基于背壓小汽輪機(jī)方案的大型燃煤電站供熱改造

李 靖1，陳 海1，劉 健1，魏運(yùn)軍1，程 鋒1，駱 超2

（1.中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640）

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)供熱改造技術(shù)現(xiàn)狀的對(duì)比分析，選出背壓小汽輪機(jī)供熱改造方案作為靖遠(yuǎn)第二發(fā)電有限公司7號(hào)、8號(hào)機(jī)組供熱改造方案。從7號(hào)、8號(hào)機(jī)組中低壓聯(lián)通管抽汽，一部分進(jìn)入背壓小汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，排汽分別進(jìn)入2臺(tái)前置加熱器，將熱網(wǎng)循環(huán)水加熱至95 ℃；另一部分進(jìn)入尖峰加熱器，進(jìn)一步將熱網(wǎng)循環(huán)水加熱至130 ℃來(lái)對(duì)外供暖。在非采暖期可以將供熱系統(tǒng)解列，停止從主汽輪機(jī)中低壓連通管抽汽，主汽輪機(jī)恢復(fù)純凝工況運(yùn)行。結(jié)果表明，在近期采暖負(fù)荷為107.2 MW，采暖期為150天的條件下，供熱改造后，年總供熱量為1 389 826 GJ，年總節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量為36 068.7 t，CO2、SO2、NOx、年煙塵減排量分別為144 007.6、167.7、196.6、196.4 t。實(shí)際投產(chǎn)后的運(yùn)行情況證明：背壓小汽輪機(jī)供熱改造方案系統(tǒng)清晰且運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能減排收益可觀，同時(shí)可以有效降低廠用電率，提高電廠發(fā)電上網(wǎng)量，為電廠創(chuàng)造了可觀的效益；背壓小汽輪機(jī)供熱改造方案技術(shù)已成熟，在北方存在穩(wěn)定采暖熱負(fù)荷的城市值得推廣。

供熱改造；背壓小汽輪機(jī)；熱電聯(lián)產(chǎn)；采暖系統(tǒng)；節(jié)能減排；靈活性

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)的進(jìn)步，我國(guó)北方以及部分中部城市的采暖需求逐年增加；而由于環(huán)保要求，原先城市采暖用的低效率、高排放的小鍋爐必須全部關(guān)停：這樣會(huì)出現(xiàn)采暖熱源不足的現(xiàn)象。對(duì)此，國(guó)家大力支持城市周邊具備采暖供熱條件的純凝機(jī)組發(fā)電廠進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)改造[1-2]。

相對(duì)于分散小鍋爐供熱，燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組集中供熱時(shí)鍋爐熱效率高且產(chǎn)生的煙氣經(jīng)脫硫處理及吸附處理后，粉塵和SO2的排量可減少90％以上，同時(shí)可以大大降低煤耗，節(jié)約大量煤炭資源。因此，采用熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱，在節(jié)能減排方面將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益及社會(huì)效益。

靖遠(yuǎn)縣集中供熱面積約280萬(wàn)m2，現(xiàn)有的采暖小鍋爐大多數(shù)管理不善、熱效率低、除塵器閑置不用或超負(fù)荷運(yùn)行，有的小鍋爐甚至沒(méi)有消煙除塵設(shè)備且低空排放，造成大量的能源浪費(fèi)和嚴(yán)重的大氣污染。靖遠(yuǎn)第二發(fā)電有限公司距靖遠(yuǎn)縣城27 km。電廠7號(hào)、8號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)為N300-16.7/538/538型亞臨界純凝式機(jī)組。電廠具有集中供熱的優(yōu)勢(shì)，是該地區(qū)的重要集中熱源。7號(hào)、8號(hào)汽輪機(jī)實(shí)施供熱改造后，不僅可滿足靖遠(yuǎn)縣未來(lái)400多萬(wàn)m2的采暖需求，還可以顯著改善城市的環(huán)境狀況。本文就靖遠(yuǎn)第二發(fā)電有限公司7號(hào)、8號(hào)機(jī)組供熱改造工程的技術(shù)方案和節(jié)能減排效果進(jìn)行介紹分析。

1 供熱改造技術(shù)方案比選

國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的供熱改造技術(shù)有以下幾種：

1）傳統(tǒng)的純凝改供熱技術(shù) 一般在中低壓缸連通管直接打孔調(diào)節(jié)抽汽，進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器加熱熱網(wǎng)循環(huán)水。熱網(wǎng)循環(huán)水泵將熱網(wǎng)循環(huán)水輸送到集中供暖的城市，而抽汽進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器后形成的疏水利用疏水泵輸送回除氧器[3-5]。該改造技術(shù)不足在于，中低壓連通管抽汽壓力較高，直接去熱網(wǎng)加熱器加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，在一定程度上浪費(fèi)了高品質(zhì)蒸汽。

2）吸收式熱泵供熱改造技術(shù) 將電站循環(huán)水作為低溫?zé)嵩?，利用熱泵提高其品位，?shí)現(xiàn)向用戶供熱[6-9]。該技術(shù)回收了循環(huán)水余熱，提高供熱系統(tǒng)的供熱量，但是改造工作量大，投資成本較高。

3）高背壓余熱供熱改造技術(shù) 機(jī)組在高背壓下運(yùn)行，提高汽輪機(jī)排汽溫度，利用排汽余熱加熱熱網(wǎng)循環(huán)水的供熱方式[10-12]。這種改造技術(shù)需要更換汽輪機(jī)的低壓缸轉(zhuǎn)子，成本較高，且在非供暖期機(jī)組發(fā)電出力會(huì)降低。

4）雙轉(zhuǎn)子互換高背壓改造技術(shù) 汽輪機(jī)在采暖期使用高背壓供熱的低壓缸轉(zhuǎn)子，在非采暖期恢復(fù)為原純凝運(yùn)行的低壓缸轉(zhuǎn)子[13-15]。這種改造技術(shù)的采暖適應(yīng)性強(qiáng)，但是需要為機(jī)組低壓缸備2根不用的轉(zhuǎn)子，并且在采暖期與非采暖期要定期更換轉(zhuǎn)子，檢修工作量大，投資成本高。

5）背壓小汽輪機(jī)供熱改造技術(shù) 中低壓連通管抽汽先經(jīng)過(guò)背壓小汽輪機(jī)做功發(fā)電，然后再利用背壓小汽輪機(jī)的排汽去加熱熱網(wǎng)循環(huán)水來(lái)對(duì)外供暖，以實(shí)現(xiàn)蒸汽能量梯級(jí)利用。在非采暖期可以將供熱系統(tǒng)解列，停止從主汽輪機(jī)中低壓連通管抽汽，主汽輪機(jī)恢復(fù)純凝工況運(yùn)行。這種改造技術(shù)供熱能力強(qiáng)，運(yùn)行靈活性好，但初期投資成本較高。

綜合投資成本及節(jié)能環(huán)保效果，靖遠(yuǎn)第二發(fā)電有限公司采用背壓小汽輪機(jī)供熱改造方式。

2 背壓小汽輪機(jī)供熱改造內(nèi)容

具體實(shí)施方案為：從7號(hào)、8號(hào)機(jī)組中低壓聯(lián)通管抽汽，一部分進(jìn)入2臺(tái)背壓小汽輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，排汽分別進(jìn)入2臺(tái)前置加熱器，將熱網(wǎng)循環(huán)水從70 ℃加熱至95 ℃；另一部分進(jìn)入3臺(tái)尖峰加熱器（兩運(yùn)一備）將熱網(wǎng)循環(huán)水從95 ℃加熱至130 ℃。當(dāng)2臺(tái)背壓小汽輪機(jī)停運(yùn)時(shí)，3臺(tái)尖峰加熱器可以保證將熱網(wǎng)循環(huán)水直接從70 ℃加熱至130 ℃。本工程在8號(hào)機(jī)組固定端就近新建了一座供熱首站，上述設(shè)備全部布置在供熱首站內(nèi)。背壓小汽輪機(jī)供熱改造方案流程如圖1所示。

本工程供熱改造的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。2臺(tái)背壓小汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)為0.75 MPa、330 ℃，進(jìn)汽量分別為66 t/h，排汽參數(shù)為0.12 MPa、153 ℃，內(nèi)效率>80%，銘牌功率為5 500 kW。

表1 供熱改造設(shè)計(jì)參數(shù)

Tab.1 Design parameters for the heating retrofit

正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中的3臺(tái)尖峰加熱器（兩運(yùn)一備）將熱網(wǎng)循環(huán)水從95 ℃加熱到130 ℃，蒸汽側(cè)進(jìn)口參數(shù)為0.75 MPa、330 ℃，出口為疏水，即0.75 MPa壓力下的飽和水。根據(jù)換熱計(jì)算得到尖峰熱網(wǎng)加熱器總進(jìn)汽量為178 t/h。

綜上可知，要滿足靖遠(yuǎn)縣城熱負(fù)荷需求，需要主汽輪機(jī)中低壓連通管抽汽132+178=310 t/h。當(dāng)2臺(tái)背壓小汽輪機(jī)停運(yùn)時(shí)，系統(tǒng)中的3臺(tái)尖峰加熱器可以保證將熱網(wǎng)循環(huán)水直接從70 ℃加熱到130 ℃。相關(guān)加熱器換熱計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 加熱器換熱計(jì)算

Tab.2 The heat transfer calculation of peak-load calorifier

這種供熱工況即為中低壓連通管抽汽直接換熱供暖方案，這種模式需要主汽輪機(jī)抽汽312 t/h。

對(duì)比上述正常工況和極端工況（同時(shí)也是2種供熱方案）發(fā)現(xiàn)：為滿足靖遠(yuǎn)縣城熱負(fù)荷，2種供熱方案所需主汽輪機(jī)中低壓連通管抽汽量幾乎相同；但是背壓小汽輪機(jī)方案可以拖動(dòng)2臺(tái)異步發(fā)電機(jī)，額定出力可以達(dá)到2×5 500 kW，所發(fā)電量接入6 kV廠用電系統(tǒng)，可以降低廠用電率，增加全廠發(fā)電上網(wǎng)量，進(jìn)一步提高全廠熱效率。

3 供熱改造后節(jié)能環(huán)保收益

根據(jù)熱負(fù)荷調(diào)研分析，靖遠(yuǎn)縣城近期供熱平均熱負(fù)荷為107.2 MW，采暖期為150天。采暖期的節(jié)煤量計(jì)算見(jiàn)表3。

表3 采暖期的節(jié)煤量計(jì)算

Tab.3 The calculation of coal saving during heating period

注：供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率降低值根據(jù)廠用電率6%、鍋爐效率92%、管道效率99.5%核算得出。

由表3可知：供熱改造之后，可以降低發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率，整個(gè)采暖期能節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤31 343.3 t；同時(shí)，集中供暖之后，靖遠(yuǎn)縣城內(nèi)的小鍋爐都可以逐步關(guān)停，因此能節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤4 725.4 t，采暖期總計(jì)節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤36 068.7 t，按電廠燃用煤種平均熱值18 828 kJ/kg折合節(jié)約原煤量56 106.9 t。

按照煤的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%計(jì)算，每年減少CO2排放量為44÷12×0.7×56 106.9=144 007.6 t。

電廠燃煤鍋爐硫的轉(zhuǎn)化率取0.9，燃煤平均硫分取0.83％，平均脫硫效率取80％，則項(xiàng)目實(shí)施后，每年減少SO2排放量為0.9×56 106.9×0.83%×2×（1–80%）＝167.7 t。

燃煤中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均取1.3%，普通燃燒條件下煤粉爐燃燒氮向燃料型NO的轉(zhuǎn)化率取25%，脫硝效率取80%，則每年減少NO排放量為1.63×56 106.9×（1–80%）×（0.25×0.13%+0.000 938）=196.6 t。

燃煤平均灰分為10%，電除塵器平均除塵效率取96.5%，則該項(xiàng)目實(shí)施后每年較少煙塵排放量為56 106.9×10%×（1?96.5%）＝196.4 t。

4 項(xiàng)目投產(chǎn)后實(shí)際運(yùn)行情況

本項(xiàng)目于2017年年底正式投產(chǎn)。投產(chǎn)之前，電廠到靖遠(yuǎn)縣城來(lái)回共54 km管道充滿水，分段沖洗且完成水壓試壓用時(shí)約15天；之后啟動(dòng)熱網(wǎng)循環(huán)水泵以及靖遠(yuǎn)縣城循環(huán)泵，利用電廠端和縣城端的除污器對(duì)全管段進(jìn)行沖洗排污，直至熱網(wǎng)循環(huán)水水質(zhì)達(dá)到進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器的要求，用時(shí)約20天。

熱網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行1臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)水泵、1臺(tái)尖峰熱網(wǎng)加熱器，通過(guò)主汽輪機(jī)中低壓聯(lián)通抽汽約100 t/h，對(duì)全管段熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行預(yù)熱，用時(shí)約3天將熱網(wǎng)循環(huán)水水溫提升至70 ℃。之后根據(jù)靖遠(yuǎn)縣城的實(shí)際熱負(fù)荷，供熱系統(tǒng)中實(shí)際運(yùn)行了1臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)水泵，流量約1 800 t/h。實(shí)際供水溫度110 ℃，回水溫度60 ℃，熱負(fù)荷高峰時(shí)期，中低壓連通管抽汽量約為190 t/h。

靖遠(yuǎn)縣城每年采暖期為11月1日到第2年3月31日，當(dāng)采暖期進(jìn)入尾期后，2臺(tái)背壓小汽輪機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行工況下，排汽進(jìn)入前置熱網(wǎng)加熱器即可滿足供暖熱負(fù)荷要求。

本項(xiàng)目將2臺(tái)額定功率為5 500 kW、出口電壓為6.3 kV的STMKS630型異步發(fā)電機(jī)分別從4號(hào)啟動(dòng)/備用變壓器低壓側(cè)A、B分支出線處接入電廠原有廠用電系統(tǒng)。

由于目前國(guó)內(nèi)330 MW凝汽機(jī)組中極少有將異步發(fā)電機(jī)直接并入廠用電系統(tǒng)，而是采用新增一段6 kV母線段用于連接異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，從而避免異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)導(dǎo)致擴(kuò)大故障范圍及廠用電負(fù)荷的突增造成廠用變運(yùn)行存在風(fēng)險(xiǎn)。因此本項(xiàng)目在經(jīng)過(guò)多次并網(wǎng)試驗(yàn)操作后，采取當(dāng)異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 002 r/min時(shí)，4號(hào)啟動(dòng)/備用變壓器低壓側(cè)A、B分支為空載的情況進(jìn)行并網(wǎng)操作。并網(wǎng)成功后逐步恢復(fù)4號(hào)啟動(dòng)/備用變壓器低壓側(cè)A、B分支廠用電負(fù)荷，并增加異步發(fā)電機(jī)的出力。然后實(shí)測(cè)各分支開(kāi)關(guān)的電流參數(shù)，以確定異步發(fā)電機(jī)成功帶載廠用電負(fù)荷。

供熱改造前廠用電率為6%；供熱改造之后，供暖期內(nèi)背壓小汽輪機(jī)可以穩(wěn)定提供11 MW的廠用電，使得廠用電率降到了4%，提高了電廠發(fā)電上網(wǎng)量，為電廠創(chuàng)造了可觀的效益。當(dāng)供熱期結(jié)束后，將供熱系統(tǒng)解列，停止從主汽輪機(jī)中低壓連通管抽汽，主汽輪機(jī)恢復(fù)純凝工況運(yùn)行。

5 結(jié) 論

1）背壓小汽輪機(jī)供熱改造方案能夠達(dá)到蒸汽能量的梯級(jí)利用，相比于當(dāng)前的其他供熱改造方案供熱效率更高，且運(yùn)行靈活性更好。

2）通過(guò)對(duì)靖遠(yuǎn)第二發(fā)電有限公司7號(hào)、8號(hào)機(jī)組供熱改造工程的技術(shù)方案和項(xiàng)目投產(chǎn)后的實(shí)際運(yùn)行情況的分析可知，背壓小汽輪機(jī)供熱改造方案技術(shù)已成熟，值得推廣。

［1］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì), 國(guó)家能源局, 中華人民共和國(guó)財(cái)政部, 等. 熱電聯(lián)產(chǎn)管理辦法[Z/OL]. [2018-07-16]. http://www.ndrc.gov.cn/zc fb/zcfbtz/ 201604/ t20160418_798342.html.

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［2］ 國(guó)家發(fā)展改革委. 關(guān)于印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》的通知: 發(fā)改能源[2014]2093號(hào)[A/OL]. (2014-9-12)[2018-07-16]. http: //www. zhb.gov.cn/gkml/hbb/gwy/201409/t20140925_ 289556.htm.

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Heating retrofit for large-scale coal-fired power stations based on small back-pressure turbine scheme

LI Jing1, CHEN Hai1, LIU Jian1, WEI Yunjun1, CHENG Feng1, LUO Chao2

(1. China Machinery International Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Changsha 410000, China; 2. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)

Based on comparative analysis on domestic heating retrofit technologies, the heating retrofit scheme of small back-pressure turbine was selected as the heating retrofit scheme for No.7 and No.8 unit of Jingyuan Second Power Co., Ltd.. In this scheme, the heating steam is extracted from the connection pipe between the medium and the low pressure cylinder of the No.7 and No.8 steam turbine generator unit. Part of the steam is sent into the back-pressure steam turbine generators to produce electricity, and the exhaust steam is sent into two primary heaters to heat the circulating water to 95 ℃. The other part of the steam is sent into the peak-load heaters to further heat the circulating water to 130 ℃ so as to supply heat. In the non-heating period, the heating system can be decomposed, and the extraction of steam from connection pipe of the main steam turbine can be stopped. The result shows that, under the condition with heating load of 107.2 MW and heating period of 150 days, after the heating retrofit project was carried out, the annual total heating supply is 1 389 826 GJ, the total reduction of standard coal consumption is 36 068.7 t/a, the reduction of CO2, SO2, NOx and dust emissions is 144 007.6 t/a, 167.7 t/a, 196.6 t/a and 196.4 t/a, respectively. The actual operation situation proves that, the small back-pressure turbine heating retrofit scheme, of which the system is clear and can stably operate, the energy conservation and emissions reduction of the project are profitable. Additionally, it can effectively reduce the auxiliary power consumption rate and increase the on-grid energy, which creates objective benefit for power plants. It is confirmed that the heating retrofit scheme technology of small back-pressure turbine is mature, and it is worth promoting in cities with stable heating load in North China.

heating retrofit, small back-pressure turbine, heat-electricity co-generation, heating system, energy saving and emission reduction, flexibility

Science and Technology Planning Project of Guangdong Province (2013B091500087)

TM 621.4

B

10.19666/j.rlfd.201807137

李靖, 陳海, 劉健, 等. 基于背壓小汽輪機(jī)方案的大型燃煤電站供熱改造[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(2): 132-136. LI Jing, CHEN Hai, LIU Jian, et al. Heating retrofit for large-scale coal-fired power stations based on small back-pressure turbine scheme[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(2): 132-136.

2018-07-16

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013B091500087)

李靖(1982—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槿济弘姀S節(jié)能改造、燃?xì)馊加桶l(fā)電及分布式能源領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)，lijing-cmie@qq.com。

（責(zé)任編輯 劉永強(qiáng)）