300?MW直接空冷汽輪機高背壓供熱改造淺析

孫宏亮 韓全文 常嘉明

[摘? ? 要]火力發電是煤炭資源最高效的利用形式之一。然而，受環境條件和熱力學基本規律的約束，燃煤火力發電的能源轉換和利用效率僅能達到40%左右。直接空冷汽輪機的乏汽余熱回收可有效降低電廠散熱損失，提高電廠整體熱效率。回收汽輪機乏汽余熱后將極大提高電廠的供熱能力。文章介紹300MW直接空冷汽輪機高背壓供熱的改造方案。

[關鍵詞]直接空冷;余熱回收;高背壓

[中圖分類號]TM621 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）05–00–02

Brief Analysis on High Back Pressure Heating Reform

of 300 MW Direct Air-cooled Steam Turbine

Sun Hong-liang，Han Quan-wen，Chang Jia-ming

[Abstract]Thermal power generation is one of the most efficient forms of utilization of coal resources. However， subject to environmental conditions and the basic laws of thermodynamics， the energy conversion and utilization efficiency of coal-fired thermal power generation can only reach about 40%. The exhaust heat recovery of the direct air-cooled steam turbine can effectively reduce the heat dissipation loss of the power plant and improve the overall thermal efficiency of the power plant. After recovering the exhaust heat of the steam turbine， the heating capacity of the power plant will be greatly improved.

[Keywords]direct air cooling; waste heat recovery; high back pressure

熱電聯產機組將高品質熱量用于發電，低品質熱量用于供熱，可有效減少冷源損失，顯著提高能源轉換利用率，具有顯著的節能減排經濟社會效益。大型空冷機組汽輪機長期運行的安全背壓可達到35 kPa，對應的排汽溫度可達72 ℃左右。豐富的余熱能源，為構建低位能供熱系統奠定了基礎[1]。遼寧調兵山煤矸石發電有限責任公司（以下簡稱“調兵山電廠”）于2014年將2臺300 MW凝汽機組改造為抽凝機組，單臺機組額定抽汽量250 t/h，供熱能力180 MW，總供熱能力360 MW。同時，調兵山電廠還擁有兩臺6 MW背壓式汽輪發電機和4臺電蓄熱調峰鍋爐。該電廠承擔著沈陽市法庫縣全部、遼寧省調兵山市部分供暖負荷。隨著社會發展，城市城區不斷擴建、改造，電廠的供暖負荷在逐年增大。

1 總體改造方案

1.1 高背壓凝汽器改造

根據機組及熱負荷需求實際情況，調兵山電廠對2號機組進行了高背壓供熱改造，改造后，熱網回水首先經過2號機組高背壓凝汽器，利用2號機組乏汽潛熱加熱至70.5 ℃（35kPa）后，再供至熱電蓄熱與小機熱網站，最后再送至熱網站，加熱至所需溫度后，供至熱用戶。改造后供熱原理如圖1所示。

對于汽輪機空冷管道，在2號機組原有豎直的排汽管道上接出一根DN3200管道，接至熱網凝汽器蒸汽入口，新增乏汽管道上加裝電動真空蝶閥，汽輪機額定背壓11 kPa，最高運行背壓35 kPa。原空冷島兩根無閥門的支管，各增設一個電動真空蝶閥。冬季采暖季時，將乏汽管道上的電動蒸汽隔離閥打開，部分乏汽通過管道進入熱網凝汽器進行冷凝供熱;夏季非采暖季時，關閉乏汽管道上的隔離閥，使熱網凝汽器隔絕，汽輪機所有排汽由空冷系統冷卻。

1.2 熱網循環水系統改造

電廠熱網循環水回水管經過高背壓凝汽器，加熱熱網循環水后分成3路，第一路進入電蓄熱，加熱后送至熱網站，第二路通過一根DN700的管道送至小機熱網站，第三路為旁路管道，與第一路匯至一根DN800的管道至熱網站。在第一路和第三路設有調節閥，保證至電蓄熱和小機熱網站的熱網循環水流量為3000 t/h左右。

為保證凝結溫度不超標，熱網回水引出一DN350的支路，用于冷卻2號機組凝結水，凝結水冷卻器冷卻水進出水管道上均設點動可調電動門，可根據凝結水出口溫度進行水量調節。

2 改造難點和解決辦法

2.1 小容積流量工況對排汽缸的影響

汽輪機末級排汽是影響排汽缸運行的關鍵因素，汽輪機在高背壓工況下運行，汽輪機末級處于小容積流量工況下，末級動葉后根部出現渦流，脫流高度增加，出口流量分布發生改變，對排汽缸內流場以及氣動性能的影響不容忽視[2]。根據權威計算，當汽輪機背壓升高到15 kPa（相對容積流量k=0.36）時，負攻角首先導致末級動葉50%葉高截面前緣區域發生流動分離，隨著流量的進一步減小，流動分離產生的渦逐漸增大;90%葉高處由于扭轉角度較大，負攻角的作用一直不大，但是壓力升高到25 kPa（相對容積流量k=0.23）時，開始受到靜葉擴壓和動葉離心力產生的葉頂渦的影響，流場比較混亂[3]。

過小的容積流量可導致降低末級效率、葉片發生振顫甚至斷裂、低壓缸末級動葉水侵蝕等一系列不利影響。為保證汽輪機末級的安全運行，應對高背壓供熱帶來的影響，對汽輪機的整體參數進行了詳細計算。計算后得出汽輪機高背壓運行工況圖如圖2所示。該曲線的繪制，將為汽輪機高背壓運行提供指導性的依據，從而保證低壓缸的安全。

2.2 高背壓供暖對空冷島防凍的影響

東北地區的冬季環境溫度較低，對直接空冷機組帶來不小的安全隱患。汽輪機高背壓供熱改造后，大部分蒸汽進入高背壓凝汽器，只有少量蒸汽進入空冷島散熱，雖然空冷島各蒸汽列有閥門隔離，但大型蒸汽蝶閥的密封率只能做到97%左右，盡管閥門關閉，空冷島還是有少量蒸汽流通，極易發生空冷島冬季的惡劣事件，嚴重影響汽輪機安全運行。解決高背壓供熱后的空冷島防凍問題一般有兩種：①空冷島部分蒸汽列采取關閉進汽蝶閥、關閉抽真空閥、保持開啟凝結水閥的方式備用。此種方法降低了空冷島發生凍結的風險，但不適用于東北這樣的極寒天氣。②空冷島部分蒸汽列采取關閉進汽蝶閥、關閉抽真空閥、關閉凝結水閥、破壞部分蒸汽列真空的方式。此種方法可以完全阻止蒸汽進入空冷島，對于空冷島有著較高的防凍能力。調兵山電廠高背壓供熱改造后將六列空冷島其中的三列采取這種方式進行防凍，另外三列利用風筒防凍裝置、散熱片表面感溫電纜等手段進行防凍。

2.3 改造后機組靈活性問題

汽輪機高背壓供熱改造后，原則上回收汽輪機乏汽余熱越多、空冷島散熱量越小，對經濟性越有力。但是，隨著時代的進步與發展，新能源發電已日趨常態化，我國已擁有全球最大風電、光伏裝機容量。為了煤電和新能源之間可形成協作關系，目前國家電網對火電機組的靈活性要求在逐步增大。同時，供熱負荷也是根據環境溫度而設定的。汽輪機的排汽量多少與汽輪機負荷成正比，這樣，就會有汽輪機乏汽與供熱負荷不對應的狀況出現。

為了調配電網靈活性和供熱負荷相適應，仔細計算了汽輪機排汽和余熱回收的相關數據，得出汽輪機排汽壓力在20 kPa、35 kPa時各項運行參數對比，見表1。

通過參數對比，汽輪機在180～250 MW時的運行方式最經濟。如果機組進行深度調峰，可適當降低汽輪機背壓運行，以滿足低壓缸安全性。同時，不足的供熱負荷可由另一臺汽輪機供熱抽汽和電蓄熱鍋爐補充。機組負荷調整時，由原來的單機調度方式調整為全廠調度方式。即優先由臨機的抽凝機組調整。當另一臺機組達到最大出力后，再由高背壓供熱機組增加負荷，負荷增加后根據熱負荷的多少調整汽輪機上島蒸汽量。

3 改造后的經濟性

直接空冷機組高背壓供熱改造充分利用了機組余熱損失，提高了機組循環熱效率，通過采取保障措施，可以增加高背壓供熱改造的安全性[4]。通過高背壓供熱改造，調兵山電廠的供熱能力可由360 MW提高至538.5 MW，可替代供熱蒸汽247 t/h，供熱能力得到的極大的改善。高背壓供熱改造后回收了大部分汽輪機乏汽余熱，與常規抽汽供熱相比年節約標煤4.8×104 t，增加的了電廠的能源轉化率，采暖季可實現降低發電標煤80～100 g/kW·h。

4 結語

在全世界倡導低碳環保的大環境下，如何實現低能耗居民供暖或使用清潔能源供暖是當代所研究的課題。如今火力發電廠的能源利用率僅為40%，剩余的60%能源以低品位熱源的方式散入外界環境中。不僅會產生能源浪費，還會增加環境污染。汽輪機高背壓供熱的改造就是利用電廠的低品位熱源，改變汽輪機運行方式，達到清潔、經濟供熱的目的。通過詳細的數據分析，找出直接空冷汽輪機高背壓供熱改造的難點，逐一解決，為同類型機組的提效改造做出參考。

參考文獻

[1] 衛永杰.熱電聯產遠距離低能耗集中供熱技術研討會論文集[C].2018.

[2] 王智，劉藝苗.小容積流量工況對排汽缸的影響分析[J].汽輪機技術，2018，60（5）：332-334.

[3] 張炳文，李天巍，李勇.小容積流量下汽輪機末級葉片流場特性分析[J].汽輪機技術，2016（2）：114-118.

[4] 劉冬升，王文營.直接空冷機組高背壓供熱改造分析[J].河北電力技術，2016（1）：48-50.