1030MW超超臨界二次再熱火電機組供熱改造方案分析

楊偉山 張蘭慶 王濤 馬道鋒 丁斌斌

摘要：華能萊蕪電廠1 030 MW超超臨界二次中間再熱火電機組是國內首臺進行供熱改造的二次再熱百萬機組?，F以華能萊蕪電廠6號機組為研究對象，比較純凝機組供熱改造的典型方案，介紹最終選取的中排抽汽雙閥調節供熱方案的改造細節，分析供熱改造后機組的運行情況和相關注意事項，并就供熱改造對機組經濟性的影響進行初步計算，可為國內同類型機組供熱改造提供一定的借鑒。

關鍵詞：1 030 MW超超臨界機組;二次再熱;供熱改造

0? ? 引言

隨著中國城市化進程的發展以及對城市清潔取暖要求的提高，城市集中供熱面積逐年大幅上升。得益于遠距離供熱技術的發展，供熱新用戶開發成為可能。此外，節能減排和企業自身提質增效的需求都推動了火電機組供熱改造的進程。華能萊蕪電廠目前總裝機276萬kW，擁有兩臺33萬kW熱電聯產機組、兩臺百萬千瓦超超臨界二次中間再熱機組和兩個裝機2萬kW的光伏電站。一期供熱首站設計供熱能力600萬m2，2018年供熱季實際承擔了700萬m2的供熱任務，寒冷天氣下處于欠供狀態，給供熱帶來巨大壓力。

結合供熱現狀以及政府規劃，可預估萊蕪電廠承擔的供熱任務將逐年上漲，供熱區域熱負荷預計增長數據如表1所示?？梢?，未來3～5年供熱需求將遠遠超出現有供熱能力，對兩臺二次再熱百萬機組進行供熱改造勢在必行。

1? ? 設備概況

華能萊蕪電廠6號機組為1 030 MW超超臨界二次中間再熱機組，鍋爐為哈爾濱鍋爐廠設計制造的HG-2752/32.87/11.01/3.45-YM1型百萬等級二次再熱超超臨界參數變壓運行直流鍋爐。汽輪機采用德國西門子公司技術，由上海汽輪機有限公司設計制造。汽輪機的型號為N1050-31（THA）/600/620/620，汽輪機型式為超超臨界、二次中間再熱、單軸、五缸四排汽、雙背壓、十級回熱抽汽、反動凝汽式，其主要性能參數如表2所示。

2? ? 典型供熱改造方案

2.1? ? 汽輪機旁路供熱方案

汽輪機旁路供熱方案即經高旁將部分主蒸汽旁路至高壓缸排汽，之后從低壓旁路后抽汽作為供熱抽汽的補充汽源[1]，如圖1所示。對于高、低旁路聯合供汽方案，高旁蒸汽流量與低旁蒸汽流量的匹配方式是影響汽輪機軸向推力平衡和汽輪機安全運行的關鍵因素。因此，高、低旁路供熱改造方案對控制系統調節品質及可靠性要求較高。

汽輪機旁路供熱的優勢在于改造方案成熟，改造投資小。汽輪機旁路供熱的不足之處在于直接將高品質蒸汽減溫減壓用于供熱，熱經濟性較差;且由于蒸汽參數等級較高，抽汽流量變化可能引起汽輪機軸向推力和葉片強度超限等危及機組運行安全性的問題，因此對相關減溫減壓設備的可靠性以及控制系統的調節品質要求較高。此方案在常規一次再熱機組應用較多。

2.2? ? 中低壓連通管抽汽供熱方案

中低壓連通管抽汽供熱方案實施起來簡單易行，通過改造汽輪機中低壓連通管，在連通管上加裝中壓缸排汽壓力調整蝶閥，閥前增設三通引出抽汽管道。在供熱抽汽管道上需要安裝逆止閥、快關閥、調節閥和安全閥，如圖2所示。

中低壓連通管抽汽供熱方式是目前在役機組采用最多的供熱方式，具有簡單易行，機組運行靈活性強，全統計周期內經濟性好等優點。此方案大多選擇將中排蝶閥安裝在中壓缸排汽管路的垂直段，會將中低壓連通管整體抬升一定高度，所以在改造時汽機房行車起吊高度必須滿足要求。另外，此方案抽汽量必須經過汽輪機廠重新校核，且汽輪機仍存在冷源損失。

2.3? ? 雙轉子高背壓供熱方案

供熱季更換專用轉子，提高汽輪機的排汽背壓，將凝汽器循環冷卻水出、入口直接接入供熱系統，由熱網循環水充當凝汽器循環冷卻水。該方案采用串聯加熱系統，熱網循環水首先經過凝汽器進行第一次加熱，吸收低壓缸排汽潛熱，再經過供熱首站蒸汽加熱器完成第二次加熱，生成高溫水送至熱水管網[2]，高溫水冷卻后再回到機組凝汽器，構成一個完整的循環水路[2]，如圖3所示，供熱首站蒸汽來源可選擇本機或臨機供熱抽汽。到非供熱期更換純凝轉子，凝汽器循環水切換到原循環冷卻水，汽輪機排汽參數恢復正常，即恢復原純凝工況運行。

此方案可以實現冷源零損失，具有經濟效益高的特點。但供熱季、非供熱季需要反復揭缸更換轉子，并需要對汽輪機本體、凝汽器、給水泵汽輪機、軸加等進行改造，投資及維護成本高。

2.4? ? 其他供熱改造方案

其他供熱改造典型方案還有低壓光軸供熱、低壓缸零出力、吸收式熱泵等。光軸供熱方案供熱季機組按背壓機工況運行，低壓缸解列以光軸形式（該低壓光軸轉子純粹用于傳遞力矩）運行。非供熱期低壓光軸拆除，回裝原低壓轉子及原中低壓連通管，機組按正常純凝工況運行。低壓缸零出力采用可完全密封的液壓蝶閥切除低壓缸原進汽管道進汽，通過新增旁路管道通入少量的冷卻蒸汽，用于帶走低壓缸零出力改造后低壓轉子轉動產生的鼓風熱量[3]。吸收式熱泵供熱是以蒸汽為驅動熱源，溴化鋰濃溶液為吸收劑，水為蒸發劑，利用水在低壓真空狀態下低沸點沸騰的特性，提取低位余熱源的熱量，通過吸收劑回收熱量并轉換制取采暖用的熱水[4]。

3? ? 萊蕪電廠6號機供熱改造方案

萊蕪電廠6號機組為超超臨界二次再熱百萬機組，機組效率、能耗指標十分優秀，節能減排壓力較小。因此，經過對供熱需求的分析并綜合考慮改造施工難度，萊蕪電廠6號機組選擇了中低壓連通管抽汽供熱方案。

3.1? ? 施工方案

為滿足利用中排抽汽作為供熱汽源的需求，汽機本體方面對中低壓連通管結構進行了改造。在汽輪機中低壓連通管的立管上增設了一根供熱小母管，在中低壓連通管上加裝中排蝶閥，通過該閥來調整中壓缸排汽壓力，該閥即使在全關的狀態下也能保證低壓缸的最小安全流量。供熱小母管至管道接口處設置了固定死點來吸收熱網管道的推力和熱位移，以保證機組連通管不承受來自熱網管道的推力和位移，其結構如圖4所示。

另外，考慮到機組的安全性以及盡量減小增加的設備對中壓外缸和低壓外缸的影響，在抽汽小母管上設置了專門的支架。為了滿足改造的連通管及小母管熱脹的要求，分別加裝了壓力自平衡式波形膨脹節、大拉桿及相關附件。此外，為方便電廠現場檢修，在連通管及抽汽小母管上增設了連接法蘭。機組改造后，通過雙閥的協同調節來實現對供熱抽汽壓力和流量的調整。

3.2? ? 供熱改造對機組流通部分強度的影響

供熱改造后不會影響機組通流部分的強度。為保證機組的安全連續運行，在供熱工況下中排壓力通過中排蝶閥進行調整。變負荷時，中壓排汽溫度會隨著蒸汽流量的減少而升高，金屬材料的屈服強度會相應降低，但該溫度范圍內屈服強度變化幅度不大;同時由于二再蒸汽流量減少也降低了葉片應力，級功率和蒸汽彎應力大幅降低，因此在低負荷抽汽工況下可允許中排溫度略有升高，在此工況下，短期運行的溫度不得高于370 ℃。汽機本體方面對中低壓連通管結構進行了改造，改造后單臺機組具備了額定流量350 t/h、抽汽壓力0.4 MPa的抽汽能力。

3.3? ? 控制系統方案

該改造方案采用典型的雙閥控制方式，即中排蝶閥控制中壓缸排汽壓力，抽汽調閥控制供汽母管壓力。中排蝶閥投自動后，根據推薦的運行曲線自動調整中排蝶閥開度，從而調整中壓缸排汽壓力與進汽壓力相匹配，以保證在供熱工況下機組負荷發生變化或供熱抽汽量發生變化時機組中壓缸末幾級葉片的安全。二次再熱壓力與中排壓力對應關系曲線如圖5所示。

如果汽輪機的中排壓力達到PIex-alarm對應的數值，壓力低報警，此時閉鎖抽汽調閥開大并通過關小中排蝶閥來提高中排壓力，此蝶閥關至下限中排壓力仍降低至PIex-min時，延遲30 s后抽汽自動解列。表3列出了機組在典型的高低負荷工況下二次再熱壓力對應的中排壓力值。

4? ? 供熱改造后運行注意事項

首先，應確保變工況下中壓缸壓比在規定的范圍內，確保中壓缸末幾級葉片安全。

其次，應該加強對汽輪機中壓缸排汽溫度的監視，確保此溫度低于350 ℃，當中壓缸排汽溫度高于350 ℃時，應該增加負荷來增大中壓缸的進汽量，也可以降低二次再熱蒸汽的溫度或降低中排壓力。如果中排溫度高不能及時處理致使其達到370 ℃，供熱系統會自動解列保證安全。

最后，應重點監視汽輪機低壓缸的運行情況。因為供熱抽汽的增加會導致進入低壓缸的蒸汽流量減少，低壓缸末級葉片容易因鼓風效應產生過熱。為保護汽輪機低壓缸，應該保證低壓缸的最小進汽壓力不低于0.02 MPa，如果該壓力值達到0.01 MPa，中排蝶閥將會自動全開并切除供熱。機組背壓越高，低壓缸所需的冷卻流量也就越大，因此要保證低壓缸的排汽溫度不能超過規定值。低壓排汽溫度以及低壓末級靜葉持環前報警、動作溫度仍保持原設置，如低壓缸排汽溫度達到定值，需提高真空，增大進汽量或降低再熱溫度。

5? ? 供熱改造后對汽輪機經濟性的影響

為分析6號機組不同供熱運行方式下的供熱特性，應用先進的電站系統模擬分析軟件EBSILON對機組進行了建模和變工況計算。表4給出了6號機組純凝及供熱抽汽工況的部分技術指標。

從上述計算結果可以看出，通過熱電聯產可顯著降低機組熱耗、發電煤耗，大幅提升機組循環熱效率及運行經濟性。

6? ? 結語

華能萊蕪電廠6號機組于2019年成功實現供熱改造并保持了供熱期間機組的安全穩定運行，機組熱耗大幅降低，循環熱效率提升，驗證了二次再熱百萬機組熱電聯產的可行性，并為廣大二次再熱百萬機組的供熱改造提供了可借鑒的經驗。

[參考文獻]

[1] 薛朝囡，楊榮祖，王汀，等.汽輪機高低旁路聯合供熱在超臨界350 MW機組上的應用[J].熱力發電，2018，47（5）：101-105.

[2] 王旭東，姜水.淺談優化供熱系統以實現供熱節能[J].民營科技，2015（4）：6.

[3] 天罡，劉立華，黃智，等.350 MW機組低壓缸切除供熱改造方案及調峰性能分析[J].汽輪機技術，2019，61（6）：457-460.

[4] 王晉鋒.熱泵技術在集中供熱中的應用[J].科學之友，2012（8）：37-38.

收稿日期：2020-03-10

作者簡介：楊偉山（1987—），男，山東濟南人，工程師，從事汽機運行工作。