分軸式燃氣蒸汽聯合循環發電機組的供熱改造方案及應用研究

張夢哲 劉廣于 李鐵生 左興堂 楊會永

摘 要：近年來，低能耗供熱、供熱靈活性改造成為熱電聯產機組供熱技術發展的重要課題。以某公司為案例，采暖季熱電聯產機組優先運行保障蒸汽供應，但蒸汽用戶不斷增多，蒸汽供需矛盾仍較突出;且燃料有限，高效燃氣蒸汽聯合循環發電機組被迫停機備用，采暖季發電量低。針對以上問題，公司對燃氣蒸汽聯合循環發電機組進行了供熱改造，擴建了一臺背壓式汽輪機組供應蒸汽并提高發電量，且在國內外首創了分軸式燃氣蒸汽聯合循環發電機組供熱改造方案及其多功能、多模式運行方式。

關鍵詞：燃氣蒸汽聯合循環發電;供熱改造;供汽

中圖分類號：TK284.1 ?文獻標志碼：A ?文章編號：1671-0797（2022）09-0024-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.007

0 ? ?引言

近年來，低能耗供熱、供熱靈活性改造成為熱電聯產機組供熱技術發展的重要課題[1]。某公司現有10臺（套）發電機組，負責煤氣等二次能源的回收利用及公司蒸汽管網的供應保證，整體自發電比例達到60%，其中，3臺高效燃氣蒸汽聯合循環發電機組（1臺150 MW和2臺50 MW）承擔80%的發電任務，2臺25 MW抽凝式汽輪機機組及1臺15 MW背壓式汽輪機組主要承擔公司蒸汽管網供應任務。

當前國家環保要求日趨嚴格，采暖季限產將常規化，結合近三年來采暖季各發電機組運行實際，其存在著蒸汽供應能力不滿足新增項目蒸汽需求;常規鍋爐環保排放不穩定，環保停產壓力大;燃料供應緊張，高效發電機組停運，自發電比例低等問題。為提高蒸汽供應能力、降低環保風險、增加發電量，有必要對現有的發電機組進行改造，突破上述制約瓶頸。

1 ? ?存在的制約瓶頸

1.1 ? ?采暖季蒸汽供需矛盾突出

保障冬季生產和采暖需求是公司蒸汽平衡的重點。但是隨著公司發展，蒸汽用戶和蒸汽使用量增加，現有供熱機組供汽能力已達極限，在采暖季廠區蒸汽存在供應缺口，采暖季蒸汽供需矛盾較為突出。

1.2 ? ?原供熱機組環保風險較高

2臺25 MW抽凝式汽輪機組于2004年投入運行，安全運行14年，但是該機組技術已屬于落后技術，受氮氧化物和二氧化硫等環保指標的限制，整體運行情況不佳。近年來，通過熱風再循環及煙氣噴氨技術對其進行超低排放改造，得到了較好的效果，但是仍存在鍋爐環保排放不穩定、環保風險仍相對較高等問題，嚴重制約了蒸汽管網供應。

1.3 ? ?高效聯合循環發電機組冬季發電量低

2×50 MW燃氣蒸汽聯合循環發電機組于2013年投入運行，安全運行5年，該機組氮氧化物和二氧化硫排放指標滿足超低排放標準，但機組的汽輪機為抽凝式，冬季若用其取代原熱電聯產機組，則抽汽量無法滿足廠區蒸汽需求。采暖季各發電機組運行的首要任務是保證蒸汽管網供應，則高效燃氣蒸汽聯合循環發電機組在燃料不足時需被迫停機備用，影響廠區自發電量。

針對以上問題，很有必要對現有燃氣蒸汽聯合循環發電機組進行供熱改造，以提高蒸汽供應能力和穩定性，降低環保風險，增加發電量。

2 ? ?供熱改造方案

2.1 ? ?改造方案的比較和確定

公司2×50 MW燃氣蒸汽聯合循環發電機組技術先進，發電效率高，污染物排放控制穩定且優于最新環保標準;其采用分軸布置，即燃氣發電系統和蒸汽發電系統實現物理分離，運行工況范圍較寬，燃料調整手段靈活，具備供熱改造條件。綜上，決定對該型機組進行供熱改造。

2×50 MW燃氣蒸汽聯合循環發電機組，主體設備包括2臺M251S型燃氣輪機、2臺M251S型煤氣壓縮機、2臺C25-5.68/1.0型蒸汽輪機、4臺發電機和2臺Q422/566-72（9）-5.9（0.7）/530（230）型余熱鍋爐。其中余熱鍋爐由格菱動力設備（中國）有限公司提供，其他主體設備由杭州汽輪機有限公司制造，關鍵部件從日本三菱重工MHI公司進口。其工藝布置圖如圖1所示。

當前，供熱改造工程技術種類眾多，應選取適合公司現有條件且改造成本較低的改造方案。本文對比了5種較為成熟的改造方案，對其技術性能、成本和應用要求分別進行分析，如表1所示。

可見，背壓小汽輪機供熱改造方案具有較為突出的優勢，操作靈活、供熱能力強，且成本控制優勢明顯[2]，能滿足改造需要，因此選擇該方案作為2×50 MW CCPP供熱改造方案。最終確定擴建一套背壓發電機組，并配備一套減溫減壓器和蒸汽引射器系統為輔助供汽設備。

2.2 ? ?項目改造條件

2.2.1 ? ?技術條件

本項目采用的背壓式發電機組技術為國家政策鼓勵的技術，同行業企業應用效果明顯，技術成熟可靠。

2.2.2 ? ?資源條件

本項目為改建項目，建設地為廠區內部，項目主要耗能為循環水和除鹽水，公司現有條件可以滿足本項目的需要。

2.2.3 ? ?施工條件

本項目土建施工量較小，施工場地平整，道路交通方便，水電氣等配套齊全，適宜施工建設。

2.2.4 ? ?主要燃料動力供應

本項目不需要消耗燃料，主要動力消耗為電力、工業水、除鹽水等。

2.3 ? ?改造方案的實施

在2×50 MW燃氣蒸汽聯合循環發電機組區域新建背壓式汽輪發電機組，運行所需蒸汽由原燃機余熱鍋爐提供，并配套設置一套減溫減壓器和蒸汽引射器，采用2爐拖1機的運行方式。

（1）選用高溫、次高壓、單缸、單軸背壓式汽輪機，設計結構簡單、安全可靠、維修方便、通用性強，且具有較高的經濟性。其參數如表2所示。

選用發電機參數如表3所示。

（2）增加一套減溫減壓器和蒸汽引射器。燃機余熱鍋爐的低壓主蒸汽可通過蒸汽引射器，在高壓蒸汽的引射作用下并入低壓蒸汽管網，增強蒸汽供應能力;必要時，高壓主蒸汽亦可通過減溫減壓器直接向蒸汽管網供應蒸汽。

3 ? ?改造后的運行方式

3.1 ? ?改造后的工藝布置

增加一套背壓式汽輪機組，改造后的2×50 MW燃氣蒸汽聯合循環發電系統工藝布置如圖2所示。

2臺燃機余熱鍋爐產生的高、低壓主蒸汽進入高、低壓蒸汽母管，可根據生產需求分別進入3臺汽輪機做功：

（1）高效發電模式下，主蒸汽進入2臺原抽凝式汽輪機執行發電任務;

（2）蒸汽供應模式下，主蒸汽通過聯絡母管進入背壓式汽輪機執行發電任務和供汽任務。

改造后，2×50 MW燃氣蒸汽聯合循環發電機組可實現不同模式下的靈活切換。

3.2 ? ?改造后燃氣蒸汽聯合循環發電機組的4種運行模式

改造后的新2×50 MW燃氣蒸汽聯合循環發電機組可在采暖季和非采暖季分別選用不同的運行模式，該種多功能、多模式運行方式系國內外首創。

采暖季，選用蒸汽供應模式，提高蒸汽供應能力。背壓式汽輪機組所需蒸汽由燃機余熱鍋爐提供，采用2爐拖1機（或1爐拖1機）的運行方式;燃機余熱鍋爐低壓主蒸汽采用引射的方式并入廠區管網。

非采暖季，選用高效發電模式，采用現有的抽凝機組提高發電量，并根據生產需要為廠區供應蒸汽。

根據生產需求，亦可實現單臺余熱鍋爐拖背壓機進行蒸汽供應，另一余熱鍋爐繼續以高效發電模式運行;或燃機余熱鍋爐主蒸汽直接供減溫減壓器，向低壓蒸汽管網供應蒸汽。

4種模式下5臺發電機組及減溫減壓器運行情況如表4所示。

3.3 ? ?不同生產需求下各發電機組運行模式

對2×50 MW燃氣蒸汽聯合循環發電機組進行供熱改造后，現公司11臺（套）發電機組在不同蒸汽需求的工況下，可做新的部署調整。

在采暖季和非采暖季，3臺高效燃氣蒸汽聯合循環發電機組均可高效運轉，將有效提高自備電站冬季發電供電能力。

非采暖季，3臺燃氣蒸汽聯合循環發電機組均可選用高效發電模式;現有的2臺25 MW抽凝式機組和原15 MW背壓式機組為廠區提供蒸汽，并結合廠區其他余熱回收產生的蒸汽，可以和廠區蒸汽需求保持平衡。

采暖季，150 MW燃氣蒸汽聯合循環發電機組仍可高效運轉;2臺抽凝式汽輪機發電機組可停機備用;通過本次改造，2×50 MW燃氣蒸汽聯合循環發電機組切換為蒸汽供應模式，采用2臺燃機余熱鍋爐拖背壓式汽輪發電機組執行蒸汽供應任務和發電任務，并由原15 MW背壓式機組配合運行，保障采暖季的蒸汽供應。

4 ? ?改造后的效果

2×50 MW燃氣蒸汽聯合循環發電機組供熱改造工程項目建成后，可有力提高采暖季蒸汽供應能力和供汽穩定性，同時為廠區提供自備電力;且2×50 MW燃氣蒸汽聯合循環發電機組可在4種運行模式下靈活切換，可根據蒸汽使用需求調整為單臺燃機余熱鍋爐拖背壓式汽輪機供應蒸汽，另一臺燃機余熱鍋爐拖抽凝式汽輪機。

本次改造一方面提高了蒸汽供應能力，填補了廠區采暖季蒸汽的缺口，同時還提高了高效燃氣蒸汽聯合循環發電機組的能源利用率;另一方面，可以利用余熱發電，滿足廠區的用電需求，并降低了環保風險，能源得以高效梯級綜合利用，實現了綜合能效提升。新增背壓式汽輪發電機組主要技術經濟指標如表5所示。

如表5所示，本項目背壓式發電機組預計年運行時間為2 928 h，年發電量3 513.6萬kW·h，自身年耗電量43.92萬kW·h，年供電量3 469.68萬kW·h，年供蒸汽409.9×103 t，年節能量折合標煤18 539.23 tce。

5 ? ?結語

綜上可見，2×50 MW燃氣蒸汽聯合循環發電機組的供熱改造，在提高采暖季蒸汽供應能力的同時，產生的經濟效益和節能效果亦十分可觀。此外，該種燃氣蒸汽聯合循環發電機組的供熱改造和多功能、多模式運行方式系國內外首創，為分軸式燃氣蒸汽聯合循環發電機組的供熱改造和運行提供了一種創新的方案。

[參考文獻]

[1] 黃汝玲，苗井泉，尹書劍.熱電聯產機組供熱技術及靈活性改造研究[J].河南電力，2018（9）：78-80.

[2] 陳力力，段瑩瑩，張超臣.燃煤電廠供熱改造技術的相關探討[J].價值工程，2019，38（30）：143-144.

收稿日期：2022-02-14

作者簡介：張夢哲（1994—），男，河北唐山人，碩士研究生，從事發電設備管理工作。