一種基于中調門參調的汽輪機寬負荷高參數供熱方式研究

米 斌，曾 婭，黃 彪，韋龍飛，馬骕騁

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽618000）

近年來可再生能源發電快速發展，而新能源如太陽能、風能等都具有不穩定性，為了促進可再生能源的消納，傳統的水電和火電需要更多地參與調峰，特別是中國發電量占比最大的火力發電。而低于某些提供較高參數的供熱汽輪機組，其調峰能力將受到較大的限制，本文將對此展開研究，提供一種較寬負荷內的高參數供熱方式。

1 供熱方式簡述

以某電廠350 MW 亞臨界機組為例，該機組現有供熱需求為：4.5 MPa，400 ℃，額定供熱量100 t/h。該機組年平均發電負荷率為70%左右。根據上述需求，選擇70%電負荷工況作為供熱設計分界點。找出在70%電負荷時滿足供熱參數要求的位置，比如此工況下高壓第6 級后正好滿足要求（不做任何壓力調節），即選擇此處作為抽汽出口位置。如此，在機組電負荷高于70%時，可直接抽取供熱蒸汽而不采取壓力調節措施；在70%負荷以下時，通過中調門由后向前憋壓，調整抽汽口處壓力滿足供熱要求，此時需要優化設計中調門，使其具備良好的調節性能。

供熱系統如圖1 所示。

圖1 供熱系統示意圖

供熱方式說明：新蒸汽首先進入汽輪機高壓缸，做功后從供熱抽汽口處抽出一部分蒸汽去供熱，供熱管道上依次設置有抽汽止回閥、抽汽調節閥、抽汽關斷閥。機組負荷高于設計分界負荷時，中調門全開，直接抽取供熱蒸汽；機組負荷低于設計分界負荷時，抽汽壓力不滿足要求，此時利用中調門進行調節，關小其開度，可提高供熱抽汽口處壓力至需求范圍。純凝工況時，機組設計為正推力，此時推力軸承定位面受力；供熱工況時，機組會出現負推力，此時推力軸承非定位面受力。

2 此種供熱方式的優勢分析

該供熱方式最主要的特點是以年平均負荷作為抽汽工況的設計分界點，其主要優勢在于：機組在一年中經常運行的負荷范圍供熱時不需要進行中調門參調，如此可大大減少因中調門參與調節造成的節流損失，提高機組的綜合效率；抽汽口位于參數較高部位，機組在低負荷時通過適當調節中調門，即可滿足供熱需求，解決機組參與深度調峰時的供熱能力問題。

以上述350 MW 亞臨界機組為例，在滿足4.5 MPa，400 ℃，額定供熱量100 t/h 的抽汽參數和抽汽量要求的情況下，機組最低的電負荷可達40%以下。

目前業內比較常用的高參數供熱方式有如下幾種：利用大汽輪機主蒸汽帶小背壓機發電，利用小背壓機排汽供熱；采用熱壓機提壓方式，高壓汽源取自主蒸汽，低壓汽源取自再熱蒸汽，利用高壓蒸汽引射低壓蒸汽，匯流后供熱；中調門參調，從再熱冷段或熱段直接供汽。

與上述三種方式相比較，本文研究的供熱方式具有獨特的優勢。與小背壓機供熱方式相比較，該供熱方式投資成本相對較低；大汽輪機做功效率高于小背壓機，機組在設計工況附近運行時，從大汽輪機抽汽經濟性更好。與熱壓機供熱方式相比較，該供熱方式抽汽部位更少，控制系統相對簡便，易于操作；同時，蒸汽經過汽輪機做功再抽出，減少了直接抽取主蒸汽的能量損失，經濟性更好。與中調門參調的再熱段抽汽相比較，該供熱方式可以滿足更低的調峰負荷要求；另外，在同樣的進汽量下，保證同樣的供熱參數，該供熱方式中調門開度更大，節流損失更小，經濟性更好。

將最為相似的中調門參調再熱段抽汽方式進行詳細比較，可以看出該供熱方式的主要特點。由于再熱段供熱壓力受限較多，選取作為對比的供熱參數為3.0 MPa，抽汽量100 t/h，機組為350 MW 亞臨界機組。主要對比結果如表1所示。

表1 相似的中調門參調再熱段抽汽方式比較

通過上述對比，可以明顯看出在高壓6 級后抽汽的優勢如下：在70%負荷時，從高壓6 級抽汽不需中調門參與調節也能滿足供熱壓力需求，甚至還可以滿足更高壓力需求（4.5 MPa 以上），而從再熱段抽汽則必須中調門參與調節才能滿足要求，此時中壓缸效率已大幅下降；從高壓6 級后抽汽，滿足抽汽要求的最低供熱電負荷為8.9 萬左右，相對再熱熱段抽汽的13.3 萬，調峰優勢明顯。

3 實現此種供熱方式需要解決的問題

對于供熱機組，影響其安全性最主要的問題為抽汽口前葉片強度問題何抽汽工況推力問題；而要實現供熱功能，調節手段也是必須具備的條件。

該供熱方式抽口位置在高壓靠前部分，通常該部位葉片高度較低，剛性好，只需設計時按極限工況進行考慮，即可解決葉片強度問題。

通常供熱機組推力比較難解決，特別是供熱參數較高、抽汽量較大時，需要兼顧純凝工況和供熱工況汽輪機的推力均不超限。本文中，此種供熱方式決定了機組供熱工況較純凝工況負向推力會增大，可以考慮將機組純凝工況下的正向推力在允許范圍內適當放大，以降低供熱時負向推力水平。必要時也可以增大推力軸承面積，解決推力過大的問題。

在該供熱方式下，為保證機組低負荷時供熱參數滿足要求，需要利用中調門參與供熱壓力調節，需對中調門進行優化設計，保證其具備良好的調節性能。

4 此種供熱方式相關拓展

基于上述供熱方式，還可以對該供熱方式進行拓展。當供熱抽汽溫度需求較高時（壓力滿足而溫度不足時），或者因抽汽量過大再熱器出現干燒時，可以采取抽汽再加熱的方式來解決。即在鍋爐爐膛內增設獨立的2 號再熱器，將供熱蒸汽引入進行再次加熱，然后再送出供熱。系統如圖2 所示。

圖2 系統示意圖

流程說明：供熱時，供熱蒸汽從供熱抽汽口抽出后，進入2 號再熱器，供熱蒸汽經加熱后再送出供熱；機組不供熱時，依然由抽汽口部位抽出少量蒸汽，進入2 號再熱器（用于冷卻），蒸汽加熱后再減溫減壓送入原再熱汽，以此解決2 號再熱器非供熱工況下干燒問題。采用此方式可以解決機組再熱器干燒或者供熱溫度不高的問題。

5 結語

本文提出了一種新的寬負荷高參數供熱方式，其主要特點如下：以年平均負荷作為設計分界點，可保證機組全年的綜合效率；抽汽位置取自高壓通流中參數較高部位，可有效保證機組在低負荷時的供熱能力。此種供熱方式系統較為簡單，易于實施，無論是新機設計還是老機改造，均可借鑒。