300MW級(jí)超臨界供熱機(jī)組熱網(wǎng)加熱器串并聯(lián)比選方案探討

陳陽

（國(guó)家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，山西太原 030000）

0.前言

目前，大規(guī)模的城市集中供熱管網(wǎng)對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水的供水溫度要求較高（一般為130℃甚至到150℃），要求供熱汽輪機(jī)采用較高的抽汽壓力以滿足熱網(wǎng)供水溫度要求，而汽輪機(jī)抽汽壓力的提高，降低了機(jī)組的發(fā)電出力。對(duì)于大型供熱機(jī)組來說，在保證對(duì)外提供優(yōu)質(zhì)高效的供熱蒸汽的同時(shí)，采用合理措施對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水加熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，在保證供熱要求的前提下，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性是非常必要的。

針對(duì)超臨界供熱機(jī)組程的供熱要求特點(diǎn)，對(duì)供熱系統(tǒng)連接方式進(jìn)行分析比較，提出優(yōu)化方案是本文著重探討的。

1.熱網(wǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)述

以某2×350MW超臨界供熱發(fā)電企業(yè)為例，汽輪機(jī)型式為：350MW超臨界蒸汽參數(shù)、一次再熱、雙缸雙排汽抽汽凝汽式機(jī)組。供熱系統(tǒng)承擔(dān)采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷約700MW，熱網(wǎng)循環(huán)水供、回水溫度分別為130℃、70℃，熱網(wǎng)循環(huán)水量約9300t/h，電廠范圍內(nèi)供水壓力約1.6MPa。

電廠范圍內(nèi)的熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)包括：來自外部熱網(wǎng)的熱網(wǎng)循環(huán)水回水（水溫70℃）經(jīng)熱網(wǎng)回水母管送至熱網(wǎng)循環(huán)水泵入口，由熱網(wǎng)循環(huán)水泵升壓后送至熱網(wǎng)加熱器，經(jīng)熱網(wǎng)加熱器出來的高溫?zé)峋W(wǎng)循環(huán)水（水溫130℃）再送回?zé)峋W(wǎng)供水母管，供應(yīng)至外部熱網(wǎng)供水母管，完成整個(gè)熱網(wǎng)熱力循環(huán)過程[1]。

熱網(wǎng)加熱器的加熱蒸汽來自汽輪機(jī)五段抽汽，熱網(wǎng)循環(huán)水供熱溫度130℃，假定熱網(wǎng)加熱器端差15℃，對(duì)應(yīng)加熱器飽和蒸汽溫度145℃，對(duì)應(yīng)壓力為0.416MPa，考慮抽汽管道及調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓損等因素，汽輪機(jī)供熱抽汽壓力應(yīng)在0.45MPa左右。加熱蒸汽凝結(jié)水經(jīng)冷卻后返回汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)。

每臺(tái)機(jī)組設(shè)置2臺(tái)熱網(wǎng)加熱器，2臺(tái)機(jī)組共設(shè)置4臺(tái)熱網(wǎng)加熱器[2]，每臺(tái)機(jī)組的供熱抽汽分別進(jìn)入本機(jī)組對(duì)應(yīng)的2臺(tái)熱網(wǎng)加熱器加熱熱網(wǎng)循環(huán)水。

熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)中，設(shè)置有4臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)水泵，3臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用，4臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)水泵為二臺(tái)機(jī)組共用。

2.熱網(wǎng)循環(huán)水加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本工程熱網(wǎng)循環(huán)水供回水溫度為130/70℃，供水溫度要求較高。熱網(wǎng)循環(huán)水加熱系統(tǒng)連接方式可采用兩種設(shè)計(jì)方案：（1）熱網(wǎng)加熱器采用并聯(lián)加熱系統(tǒng)；（2）熱網(wǎng)加熱器采用串聯(lián)加熱系統(tǒng)，兩種系統(tǒng)對(duì)供熱機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性有不同的影響。

2.1 熱網(wǎng)加熱器并聯(lián)加熱系統(tǒng)

并聯(lián)加熱系統(tǒng)是將熱網(wǎng)回水由熱網(wǎng)循環(huán)水泵升壓后，同時(shí)送入每臺(tái)機(jī)組的熱網(wǎng)加熱器，在熱網(wǎng)加熱器中與汽輪機(jī)供熱抽汽進(jìn)行換熱，水溫從70℃加熱至130℃，加熱后的高溫?zé)崴刂凉┧腹軐?duì)外供出。在這種連接系統(tǒng)中，二臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)的4臺(tái)熱網(wǎng)加熱器都是并聯(lián)運(yùn)行的，通過每臺(tái)機(jī)組加熱的熱網(wǎng)循環(huán)水量為總循環(huán)水量的1/2，所有加熱器進(jìn)出水溫度都是一致的。根據(jù)熱網(wǎng)加熱器出水溫度130℃，熱網(wǎng)加熱器上端差按15℃考慮，管道蒸汽壓損按5%考慮，二臺(tái)汽輪機(jī)的供熱抽汽壓力設(shè)計(jì)值為0.45MPa，抽汽溫度256℃，在額定供熱工況下，單臺(tái)汽輪機(jī)對(duì)應(yīng)額定抽汽量550t/h，供熱量約350MW，二臺(tái)機(jī)組總供熱量約700MW。

并聯(lián)加熱方案管道系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，在工程采用較多，該方案的缺點(diǎn)是兩臺(tái)汽輪機(jī)供熱抽汽壓力均較高，機(jī)組發(fā)電量減少較多，經(jīng)濟(jì)性降低。

2.2 熱網(wǎng)加熱器串聯(lián)加熱系統(tǒng)

串聯(lián)加熱系統(tǒng)是將熱網(wǎng)回水分級(jí)加熱，熱網(wǎng)回水經(jīng)熱網(wǎng)循環(huán)水泵升壓后，先經(jīng)過第一臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)的熱網(wǎng)加熱器由70℃加熱至100℃，再經(jīng)另一臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)的熱網(wǎng)加熱器由100℃加熱至130℃后對(duì)外供出。在這種連接系統(tǒng)中，二臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)的熱網(wǎng)加熱器是串聯(lián)運(yùn)行的，通過每臺(tái)機(jī)組加熱的熱網(wǎng)循環(huán)水量為熱網(wǎng)系統(tǒng)總循環(huán)水量。采用分級(jí)加熱后，根據(jù)各級(jí)加熱水溫要求，將二臺(tái)汽輪機(jī)供熱抽汽壓力設(shè)定為高、低壓兩種不同的抽汽壓力。第一臺(tái)機(jī)組將熱網(wǎng)循環(huán)水70℃加熱至100℃，同樣考慮熱網(wǎng)加熱器端差，及抽汽管道壓損等因素，低壓抽汽壓力設(shè)計(jì)值采用0.25MPa.a。第二臺(tái)汽輪機(jī)將熱網(wǎng)循環(huán)水由100℃加熱至130℃，采暖抽汽壓力設(shè)計(jì)值仍為0.45MPa.a。二臺(tái)汽輪機(jī)采用不同的抽汽壓力后，在采暖期供熱期間，第二臺(tái)汽輪機(jī)供熱工作方式同熱網(wǎng)加熱器并聯(lián)系統(tǒng)相同。

為保證加熱系統(tǒng)的靈活可靠性，串聯(lián)加熱系統(tǒng)中設(shè)有熱網(wǎng)加熱器的旁路管道，可允許任何一臺(tái)機(jī)組的2臺(tái)熱網(wǎng)加熱器獨(dú)立運(yùn)行。

串聯(lián)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是可降低一臺(tái)汽輪機(jī)的抽汽參數(shù)，從而提高該汽輪機(jī)效率，增大機(jī)組發(fā)電量，減小機(jī)組熱耗損失，與并聯(lián)加熱系統(tǒng)相比，單位抽汽的對(duì)外供熱量基本不變，二臺(tái)機(jī)組總供熱量700MW保持不變。在相同主蒸汽量，相同抽汽量條件下，第一臺(tái)汽輪機(jī)的采暖抽汽壓力降低了0.2MPa，蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)多做功約13.3MW，熱耗值降低約181kJ/kWh。

2.3 串、并聯(lián)熱網(wǎng)加熱器系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

根據(jù)汽輪機(jī)廠為本工程提供的機(jī)組熱平衡計(jì)算，熱網(wǎng)加熱器采用串聯(lián)或并聯(lián)方案的熱經(jīng)濟(jì)影響[3]的比較見表1所示。

表1 全廠熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表（二臺(tái)機(jī)組）

由表1數(shù)據(jù)可看出，采用熱網(wǎng)循環(huán)水串聯(lián)加熱系統(tǒng)，降低了采暖期機(jī)組的平均發(fā)電煤耗，全廠年平均熱效率比采用并聯(lián)加熱系統(tǒng)提高了0.3%，每年可節(jié)約發(fā)電成本254萬元。

3.供熱可靠性及設(shè)備投資費(fèi)用比較

采用熱網(wǎng)循環(huán)水并聯(lián)加熱系統(tǒng)和串聯(lián)加熱系統(tǒng)對(duì)機(jī)組供熱能力和供熱可靠性方面沒有影響，供熱輔助設(shè)備中，熱網(wǎng)加熱器采用兩級(jí)串聯(lián)方式后，每臺(tái)熱網(wǎng)加熱器對(duì)應(yīng)通過循環(huán)水量增加一倍，熱網(wǎng)加熱器溫升降低50%。由于以上的改變，熱網(wǎng)加熱器管束內(nèi)循環(huán)水流速設(shè)計(jì)上更容易取得有利的流速值，提高設(shè)備的換熱效率，降低換熱面積。循環(huán)水溫升降低，對(duì)于多流程熱網(wǎng)加熱器，不同流程間管束平均溫差降低，熱網(wǎng)加熱器的熱應(yīng)力降低至少一半，對(duì)熱網(wǎng)加熱器的工作條件和設(shè)備壽命均得到改善和提高。

由于采用熱網(wǎng)加熱器串聯(lián)系統(tǒng)，熱網(wǎng)循環(huán)水泵揚(yáng)程略有增高導(dǎo)致泵功率略有增高（每臺(tái)泵功率約增加40kW），其他設(shè)備的數(shù)量及容量基本沒有變化，因此二方案的初投資費(fèi)用基本相當(dāng)。

4.結(jié)語

熱網(wǎng)加熱器采用高、低壓二級(jí)串聯(lián)加熱系統(tǒng)，在工程實(shí)踐中運(yùn)行安全可靠，能有效降低發(fā)電煤耗，對(duì)能源的綜合利用更為經(jīng)濟(jì)合理，提高了熱電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。