200MW機(jī)組供熱增容改造方案技術(shù)探討

大唐保定熱電廠 張文兵

1 熱負(fù)荷分析

某廠位于華北地區(qū)，根據(jù)行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范，供暖企業(yè)所在地供暖期天數(shù)為120天，冬季供熱計(jì)算室外溫度-7℃，供熱期室外平均溫度-0.5℃，供熱期室內(nèi)計(jì)算溫度18℃。根據(jù)中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 34-2010）中各類(lèi)建筑物采暖熱指標(biāo)推薦值確定建筑物采暖熱指標(biāo)值如下。

1.1 現(xiàn)狀建筑

居住建筑采暖熱指標(biāo)按60W/m2，公共建筑采暖熱指標(biāo)按70W/m2。

1.2 規(guī)劃建筑

居住建筑采暖熱指標(biāo)按40W/m2，公共建筑采暖熱指標(biāo)按50W/m2。綜上所述，通過(guò)對(duì)該廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，綜合采暖熱指標(biāo)50.0W/m2。按供熱面積960萬(wàn)m2計(jì)算，需要供熱負(fù)荷480MW。從圖1可以看出，隨著環(huán)境溫度的降低，采暖熱指標(biāo)越來(lái)越大。按照環(huán)境溫度變化把供熱期分成3段，供熱初期25天，供熱末期25天，供熱中期70天，計(jì)算出供熱初末期平均采暖熱指標(biāo)34.95W/m2，供熱中期平均采暖熱指標(biāo)44.46W/m2。

圖1 供熱期采暖熱指標(biāo)變化趨勢(shì)

該市供熱規(guī)劃（2015—2020）指出2015年供熱面積5645.36m2，2017年供熱面積7859.68萬(wàn)m2，2020年 供 熱 面 積10581.16萬(wàn)m2，供 熱 需求較大；現(xiàn)有供熱機(jī)組需要增容改造，提升供熱能力。

2 現(xiàn)有設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀

該廠現(xiàn)有2臺(tái)200MW 抽凝式機(jī)組，設(shè)計(jì)供熱能力360MW，一次管網(wǎng)供回水溫度130/70℃，二次管網(wǎng)設(shè)計(jì)供回水溫度95/70℃；一次網(wǎng)供水設(shè)計(jì)流量5200m3/h，一次網(wǎng)主管徑DN1000mm，一次網(wǎng)供熱半徑12km。熱網(wǎng)首站布置在廠區(qū)，主要有5臺(tái)熱網(wǎng)加熱器、5臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)水泵、4臺(tái)熱網(wǎng)加熱器疏水泵等。

3 背壓機(jī)改造方案

3.1 背壓機(jī)改造總體方案

整個(gè)改造區(qū)域集中在2號(hào)機(jī)組的汽機(jī)房和A 列外的部分區(qū)域，整個(gè)廠區(qū)內(nèi)不需要增加新建筑物，只增設(shè)熱網(wǎng)管道和冷卻水管道。

汽機(jī)房?jī)?nèi)2號(hào)機(jī)組的采暖抽汽管道和疏水管道需要與1號(hào)機(jī)組進(jìn)行并聯(lián)改造。2號(hào)機(jī)組擬采用雙轉(zhuǎn)子輪換方案，增加一條光軸轉(zhuǎn)子用于冬季供暖。其中光軸轉(zhuǎn)子能夠滿(mǎn)足機(jī)組在供熱期背壓安全運(yùn)行，原低壓轉(zhuǎn)子能夠保證夏季抽凝運(yùn)行工況，但是供熱季前后需進(jìn)行雙轉(zhuǎn)子輪換，工期10天。

采暖季將低壓缸轉(zhuǎn)子更換為光軸，中壓缸排汽全部用于供熱，提高機(jī)組供熱能力，這樣可以把中壓缸排汽全部輸出。為了輸送這些采暖抽汽，需要使用φ1000×14的蒸汽管道直接引到熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽管道，熱網(wǎng)加熱器疏水再返回2號(hào)機(jī)組凝結(jié)水管道4號(hào)低加入口處。工業(yè)抽汽150t/h 去熱用戶(hù)，該機(jī)組運(yùn)行方式為“以熱定電”，供熱負(fù)荷與發(fā)電負(fù)荷一一相關(guān)[1-4]。

3.2 背壓機(jī)改造遵循的原則

汽輪機(jī)供熱能力提升改造遵循以下原則。

第一，汽輪機(jī)過(guò)熱、再熱汽參數(shù)不變；第二，本體高、中、低壓缸安裝尺寸等不變；第三，汽輪機(jī)各主汽門(mén)、調(diào)門(mén)不動(dòng)，前、中、后軸承座與基礎(chǔ)接口等不變；第四，汽輪機(jī)主汽系統(tǒng)、再熱系統(tǒng)等不變；第五，汽輪機(jī)組基礎(chǔ)不動(dòng)，各瓦負(fù)載無(wú)影響，改造后的軸向推力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；第六，改造后的低壓光軸轉(zhuǎn)子與原轉(zhuǎn)子有互換性。

3.3 供熱能力提升改造可靠性分析

依照熱網(wǎng)設(shè)計(jì)要求，改造后的機(jī)組應(yīng)保證在事故停運(yùn)狀態(tài)下對(duì)熱網(wǎng)影響不超過(guò)30%。供熱公司目前管理市區(qū)環(huán)形熱網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)熱源點(diǎn)有A 熱電1、2號(hào)機(jī)組859MW，該廠1、2號(hào)機(jī)組360MW，C 廠1、2號(hào)機(jī)組120MW。供熱公司的最大供熱能力為1339MW。

供熱期極端工況下，如果該廠1號(hào)機(jī)組停機(jī)，供熱公司的供熱能力降低238—1221MW，此時(shí)可滿(mǎn)足83.7%供熱負(fù)荷需求。如果該廠2號(hào)機(jī)組停機(jī)，供熱公司的供熱能力降低242—1217MW，可滿(mǎn)足83.5%供熱負(fù)荷需求。

3.4 改造方案的主要技術(shù)要點(diǎn)分析

3.4.1 改造后對(duì)機(jī)組軸向推力的影響

2號(hào)機(jī)組雙轉(zhuǎn)子光軸改造后，低壓缸部分從對(duì)分雙流變?yōu)楣廨S，對(duì)高中壓部分沒(méi)有影響。高中壓部分各級(jí)的溫度等沒(méi)有大變化，原機(jī)組純凝汽VWO 工況下，中低壓缸分缸壓力為0.2636MPa，背壓機(jī)供熱運(yùn)行后，額定工況下中壓缸排汽壓力為0.2452MPa，與非供熱期VWO 工況相比降低了0.0184MPa。由于中壓缸排汽提高，機(jī)組推力會(huì)減小，但推力仍在安全范圍。

3.4.2 改造后對(duì)光軸鼓風(fēng)冷卻問(wèn)題的影響

2號(hào)汽輪機(jī)光軸轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)，低壓缸部分不再進(jìn)汽，但光軸低壓轉(zhuǎn)子在低壓缸內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生鼓風(fēng)摩擦現(xiàn)象[5]，需要對(duì)汽輪機(jī)低壓部分進(jìn)行冷卻。具體方案如下。

第一，從供熱抽汽管路抽出10t/h 的蒸汽，經(jīng)減溫減壓后冷卻低壓缸。第二，低壓缸冷卻蒸汽管路設(shè)置電動(dòng)截止閥和減溫減壓器。第三，光軸及低壓缸冷卻蒸汽流量由控制系統(tǒng)根據(jù)低壓缸排汽溫度通過(guò)冷卻蒸汽管道上的調(diào)節(jié)閥控制。第四，在供熱抽汽期間，凝汽器冷卻，真空泵正常運(yùn)行，將低壓缸冷卻蒸汽在凝汽器中凝結(jié)成水。第五，保持低壓缸前、后汽封送汽及汽封冷卻器的抽汽。第六，新增設(shè)2臺(tái)20m3/h 的凝結(jié)水泵，1臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用。

3.4.3 改造后對(duì)機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)的影響

在供熱季光軸運(yùn)行時(shí)，原低壓缸部分的六七段抽汽停用，末兩級(jí)低加停運(yùn)，回?zé)嵯到y(tǒng)改為4級(jí)抽汽，保留兩級(jí)高加，兩級(jí)低加正常運(yùn)行。

3.4.4 改造后對(duì)機(jī)組循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的影響

2號(hào)機(jī)組配備自然通風(fēng)冷卻塔，開(kāi)冷水系統(tǒng)，有部分冷卻用戶(hù)需要冷卻水供應(yīng)，繼續(xù)保持運(yùn)行。2號(hào)機(jī)雙轉(zhuǎn)子光軸改造后，采暖季循環(huán)水系統(tǒng)繼續(xù)為機(jī)組各冷卻器提供冷卻水源，僅需對(duì)2號(hào)機(jī)組凝汽器通入少量循環(huán)水冷卻，可以適當(dāng)關(guān)小凝汽器循環(huán)水進(jìn)出口電動(dòng)門(mén)。

3.4.5 改造后對(duì)機(jī)組軸封加熱器系統(tǒng)的影響

2號(hào)機(jī)背壓供熱改造后，工業(yè)抽汽的補(bǔ)水通過(guò)低壓除氧器再進(jìn)入高壓除氧器，熱網(wǎng)疏水回到首級(jí)低加入口處凝結(jié)水管道。低壓缸冷卻蒸汽的凝結(jié)水量只有20t/h，導(dǎo)致軸封加熱器回汽不暢[6]。可采用以下2種方式恢復(fù)軸封加熱器的功能。

第一，更換大容量軸封加熱器，回收進(jìn)入軸加的熱量；第二，采暖季把軸封加熱器從凝結(jié)水系統(tǒng)切出來(lái)，將熱網(wǎng)循環(huán)水引入軸封加熱器，對(duì)軸加進(jìn)行冷卻，利用熱網(wǎng)循環(huán)水回收進(jìn)入軸加的熱量。

3.4.6 改造后對(duì)機(jī)組真空系統(tǒng)的影響

2號(hào)機(jī)組抽真空系統(tǒng)為3臺(tái)水環(huán)真空泵。采暖季凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)正常投運(yùn)，冷卻低壓缸冷卻蒸汽，低壓缸前后軸封系統(tǒng)正常投運(yùn)。真空系統(tǒng)可以滿(mǎn)足采暖季運(yùn)行工況。

4 改造效果分析

4.1 節(jié)能效果分析

4.1.1 設(shè)計(jì)工況節(jié)能分析

2號(hào)機(jī)組背壓機(jī)供熱改造后，冬季供熱運(yùn)行時(shí)機(jī)組供熱能力增加，并且無(wú)冷源損失。對(duì)于抽凝機(jī)組供熱改造的節(jié)煤量按熱電分供原則計(jì)算，由代替小鍋爐的供熱節(jié)能和供電煤耗率降低的發(fā)電節(jié)能。按《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50660-2011），供熱標(biāo)準(zhǔn)煤耗率計(jì)算公式[7]：

其中，ηgl—鍋爐熱效率，現(xiàn)有小鍋爐平均熱效率為0.85，本工程鍋爐平均效率0.90；ηgd—管道效率，規(guī)定取值為0.99；ηhr—熱網(wǎng)首站換熱效率，取值為0.98。

供熱標(biāo)準(zhǔn)煤耗率為34.16/（0.85×0.99×0.98）=41.42kg/GJ。本工程供熱煤耗率為34.16/（0.90×0.99×0.98）=38.29kg/GJ。全供熱期供熱量為60MW×88.92%×3.6×2880h=55.3萬(wàn)GJ。年供熱節(jié)煤量為（41.42kg/GJ-38.29kg/GJ）×55.3萬(wàn)GJ=1731t。

4.1.2 整個(gè)供熱期運(yùn)行節(jié)能分析

根據(jù)該廠提供的相關(guān)資料，該機(jī)組原采暖抽汽有180MW 供熱能力，背壓機(jī)供熱改造后供熱能力提升顯著。

從表1可以看出，該機(jī)組經(jīng)背壓供熱改造后，供熱量增加52.065萬(wàn)GJ，影響發(fā)電煤耗率降低52.85g/（kWh），影響供電煤耗率，節(jié)能效果顯著。

表1 機(jī)組供熱改造工程經(jīng)濟(jì)性計(jì)算表

4.2 減排效果分析

機(jī)組改造完成后，采暖季運(yùn)行期間，年節(jié)標(biāo)煤量為1.994萬(wàn)t，按標(biāo)煤燃燒后排放量換算：年減少二氧化碳排放5.186萬(wàn)t，年減少二氧化硫排放478.7t，年減少氮氧化物排放139.3t，年減少煙塵排放39.8t。

4.3 環(huán)境影響分析

該項(xiàng)目不僅不增加企業(yè)的污染物排放量，而且深挖機(jī)組供熱潛力，解決城市集中供暖問(wèn)題，可替代周邊小型采暖鍋爐，減少煙塵排放，對(duì)區(qū)域環(huán)境改善有促進(jìn)作用，因此該項(xiàng)目順應(yīng)國(guó)家環(huán)保相關(guān)政策。但同時(shí)需要注意項(xiàng)目改造實(shí)施過(guò)程中的環(huán)保問(wèn)題。

第一，該項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中涉及大量管道改造、安裝，會(huì)存在較大工作量的焊接作業(yè)，需盡量避免室外焊接作業(yè)，應(yīng)注意收集焊接作業(yè)產(chǎn)生的大量煙塵，避免發(fā)生環(huán)保事件。第二，該項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中涉及大件運(yùn)輸?shù)跹b，需注意所用施工車(chē)輛機(jī)具排放標(biāo)準(zhǔn)，因此需對(duì)改造過(guò)程中車(chē)輛、機(jī)械的噪聲污染及尾氣排放進(jìn)行管控，防止對(duì)周邊環(huán)境的影響。

4.4 社會(huì)效益

本改造全部實(shí)施后，可進(jìn)一步提升機(jī)組供熱能力，擴(kuò)大熱電廠集中供熱輻射范圍，用大型高效率供熱機(jī)組替代小型采暖鍋爐，不但能改善城市環(huán)境，提高了居民采暖質(zhì)量，還能大幅降低發(fā)電煤耗，節(jié)能減排效果顯著[8]。