，， ，，，，云龍

(1.國家電投東北電力有限公司,遼寧 沈陽 110181； 2.遼寧中電投電站燃燒工程技術(shù)研究中心有限公司，遼寧 沈陽 110179； 3.國家電投撫順熱電分公司，遼寧 撫順 113000)

在國家節(jié)能減排政策的鼓勵和推動下，各發(fā)電企業(yè)在具備供熱條件的地區(qū)實(shí)施熱電聯(lián)產(chǎn)并通過技術(shù)改造增加供熱能力，提高供熱運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，已成為必然趨勢[1-2]。高背壓汽輪機(jī)供熱機(jī)組是為了適應(yīng)北方采暖供熱而出現(xiàn)的改造型機(jī)組，大都是由純凝或抽凝式機(jī)組經(jīng)改造而成，通過將凝汽器中乏汽的壓力提高，即降低凝汽器的真空度，提高冷卻水溫，將凝汽器改為供熱系統(tǒng)的熱網(wǎng)加熱器，而冷卻水直接用作熱網(wǎng)的循環(huán)水，充分利用凝汽式機(jī)組排汽的汽化潛熱加熱循環(huán)水，將冷源損失降低為零，從而提高機(jī)組的循環(huán)熱效率[3-4]。采用該方法供熱是在不增加機(jī)組發(fā)電容量的前提下，減小了供熱抽汽量，增大了供熱面積，又加上其施工周期短、經(jīng)濟(jì)效益顯著，因此在供熱企業(yè)中多有應(yīng)用[5-8]。2009年，華能煙臺電廠與哈爾濱汽輪機(jī)廠合作，首次在容量為150 MW機(jī)組上進(jìn)行了高背壓供熱改造，至今已運(yùn)行了兩個供暖期，取得了成功的經(jīng)驗，為超高壓135～150 MW等級機(jī)組的高背壓供熱改造進(jìn)行了有益的探索。2011年和2012年，華電國際十里泉發(fā)電廠、華電章丘發(fā)電有限公司和大連泰山熱電有限公司分別成功實(shí)施了135 MW等級機(jī)組高背壓供熱改造，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。華電青島發(fā)電有限公司300 MW等級機(jī)組高背壓供熱項目于2013年供熱季投入運(yùn)行。針對高背壓供熱技術(shù)，國內(nèi)也開展了大量的研究。劉光耀等[9]對135 MW等級汽輪機(jī)機(jī)組的4種改造方案的技術(shù)特征與改造內(nèi)容以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行了分析研究。欒俊等[10]針對330 MW機(jī)組的給水泵汽輪機(jī)高背壓供熱改造,提出了保證機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)措施。王學(xué)棟等[11]論述兩種150 MW等級再熱機(jī)組高背壓供熱改造技術(shù)的特點(diǎn)，分析了運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

雖然國內(nèi)各大發(fā)電公司在高背壓供熱改造方面，特別是汽輪機(jī)本體改造方面都積累了比較豐富的經(jīng)驗，但是由于各發(fā)電公司所具有的供熱背景和所選擇的技術(shù)改造路線各有不同，因此改造后的汽輪機(jī)機(jī)組的性能指標(biāo)和運(yùn)行狀態(tài)也存在很大差別。本文基于某300 MW汽輪機(jī)所在熱電廠的供熱背景，對比了3種汽輪機(jī)本體改造方案，分析了3種改造方案對汽輪機(jī)及其所在熱電廠的影響，并最終確定了最優(yōu)的高背壓供熱方案。

1 汽輪機(jī)機(jī)組概況和供熱背景分析

1.1 汽輪機(jī)機(jī)組概況

某300 MW供熱機(jī)組是一個亞臨界、一次中間再熱、兩缸兩排汽、抽汽凝汽式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)設(shè)計參數(shù)見表1。

汽輪機(jī)為兩缸結(jié)構(gòu)，高中壓合缸，一個雙分流的低壓缸；高壓通流由一個調(diào)節(jié)級和12個壓力級構(gòu)成；中壓通流由11個壓力級構(gòu)成；兩個低壓通流均由6個壓力級構(gòu)成。汽輪機(jī)機(jī)組具有一個8級抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)，其中，第1、2、3級抽汽分別供給三臺高壓加熱器，第3級抽汽還具有不小于50 t/h的工業(yè)抽汽能力，第4級抽汽供給除氧器，第5、6、7、8級抽汽分別供給四臺低壓加熱器。第5級抽汽在采暖期供熱網(wǎng)加熱器。汽輪機(jī)機(jī)組設(shè)置了2臺50%容量汽動調(diào)速給水泵和1臺30%電動調(diào)速給水泵。

表1汽輪機(jī)主要設(shè)計參數(shù)

項目數(shù)值額定功率/MW300主蒸汽流量/t·h-1886.9主汽門進(jìn)口蒸汽壓力/MPa16.67主汽門進(jìn)口蒸汽溫度/℃537再熱蒸汽流量/t·h-1744.68再熱蒸汽進(jìn)口蒸汽溫度/℃537再熱蒸汽進(jìn)口蒸汽壓力/MPa3.145采暖抽汽壓力/MPa0.245(調(diào)節(jié))采暖抽汽溫度/℃200.8(調(diào)節(jié))采暖最大工況抽汽流量/t·h-1520采暖平均工況抽汽流量/t·h-1340額定背壓/kPa(a)4.9末級動葉片長度/mm900

1.2 供熱背景分析

某熱電廠由2臺300 MW機(jī)組承擔(dān)熱電聯(lián)產(chǎn)，擁有的供熱面積約為900～1 000萬m2。單臺汽輪機(jī)機(jī)組設(shè)計最大的供熱能力約為350 MW，按照55 W/m2的平均供熱指標(biāo)，單臺汽輪機(jī)機(jī)組最大供熱面積可達(dá)636萬 m2。兩臺汽輪機(jī)機(jī)組同時運(yùn)行才能滿足供熱需求。但抽凝式機(jī)組只有部分抽汽被用于供熱，汽輪機(jī)排汽份額有所減少，但仍存在較大冷源損失。因此，為減少冷源損失，提高供熱能力和供熱經(jīng)濟(jì)性，需進(jìn)行高背壓技術(shù)改造。

2 汽輪機(jī)本體改造方案

對于300 MW機(jī)組來說，由于受低壓缸最小冷卻流量的限制，聯(lián)通管抽汽能提供350 MW左右的供熱量，低于高背壓供熱改造后所能提供的大約為500 MW的供熱量。抽凝式汽輪機(jī)機(jī)組存在較大的冷源損失，而高背壓汽輪機(jī)機(jī)組在供熱工況下運(yùn)行時，其冷源損失可全部被利用，熱效率要高于常規(guī)供熱機(jī)組20%以上。

高背壓汽輪機(jī)在供熱工況運(yùn)行時，冷水塔及循環(huán)水泵將退出運(yùn)行，同時將凝汽器的循環(huán)水系統(tǒng)切換至熱網(wǎng)循環(huán)水回路，形成新的換熱系統(tǒng)。熱網(wǎng)循環(huán)水回路切換完成后，進(jìn)入凝汽器的水流量降至7 500～9 000 t/h，凝汽器背壓由5～7 kPa大約升至30～45 kPa，低壓缸排汽溫度由30～45℃升至69～78℃。經(jīng)過凝汽器的第一次加熱，熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度由55℃提升至66～75℃，然后經(jīng)熱網(wǎng)循環(huán)泵升壓后送入首站熱網(wǎng)加熱器，由本機(jī)聯(lián)通管抽汽或者相鄰機(jī)組的抽汽將熱網(wǎng)供水溫度進(jìn)一步加熱后供向一次熱網(wǎng)，系統(tǒng)簡圖見圖1。

圖1 高背壓供熱系統(tǒng)簡圖

從目前采用高背壓汽輪機(jī)供熱技術(shù)的系統(tǒng)參數(shù)來看，由于汽輪機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行受排汽溫度不高于80℃的限制，在考慮凝汽器端差的基礎(chǔ)上，高背壓汽輪機(jī)的循環(huán)水出水溫度一般不高于75℃，供水、回水溫度范圍一般分別為60～75℃、50～55℃，對應(yīng)運(yùn)行背壓約為25～45 kPa。

針對某300 MW汽輪機(jī)所面臨的供熱條件，本文提出了三種改造方案。

2.1 改造方案1

對某300 MW供熱機(jī)組汽輪機(jī)低壓缸進(jìn)行改造，重新設(shè)計低壓缸通流，使低壓一體化內(nèi)缸通用于供熱和非供熱工況。在供熱工況，汽輪機(jī)采用2×4級新低壓轉(zhuǎn)子；在非供熱工況，汽輪機(jī)采用2×6級舊低壓轉(zhuǎn)子。

汽輪機(jī)低壓缸改造主要更換部件有：

(1)適用于供熱和非供熱工況的低壓一體化內(nèi)缸，包括用于非供熱工況的分流環(huán)、2×6級靜葉環(huán)包括汽封、2×6級動葉片(902 mm末級葉片，配舊低壓轉(zhuǎn)子)、排汽導(dǎo)流環(huán)以及低壓電側(cè)、汽側(cè)整體2×4級靜葉持環(huán)。

(2)適用于供熱工況的新2×4級低壓整鍛轉(zhuǎn)子。

(3)適用于供熱工況的分流環(huán)。

(4)適用于供熱工況的低壓電側(cè)、汽側(cè)整體2×4級靜葉持環(huán)。

(5)適用于供熱工況的2×4級靜葉環(huán)(包括汽封)。

(6)適用于供熱工況的2×4級動葉片。

(7)適用于供熱工況的2套導(dǎo)流環(huán)。

(8)適用于供熱和非供熱工況的前、后軸端汽封體及汽封圈。

(9)適用于供熱和非供熱工況的中低、低壓聯(lián)軸器螺栓。

低壓缸通流改造主要更換部件有：

(1)分流環(huán)(用于非供熱期)

(2)低壓電側(cè)、汽側(cè)整體2×4級靜葉持環(huán)(用于非供熱期)

(3)2×6級靜葉環(huán)包括汽封(用于非供熱期)

(4)2×6級動葉片(902 mm末級葉片，配舊低壓轉(zhuǎn)子，用于非供熱期)

(5)排汽導(dǎo)流環(huán)(用于非供熱期)

2.2 改造方案2

對某300 MW供熱機(jī)組汽輪機(jī)低壓缸進(jìn)行改造，重新設(shè)計低壓缸通流，使低壓一體化內(nèi)缸通用于供熱和非供熱工況。在供熱工況，汽輪機(jī)采用改造過的2×6級舊低壓轉(zhuǎn)子；在非供熱工況，汽輪機(jī)采用2×6級新低壓轉(zhuǎn)子。

汽輪機(jī)低壓缸改造主要更換部件有：

(1)適用于供熱和非供熱工況的低壓一體化內(nèi)缸，包括用于非供熱工況的2×6級新低壓整鍛轉(zhuǎn)子、分流環(huán)、2×6級靜葉環(huán)包括汽封、2×6級動葉片(1 068 mm末級葉片)、排汽導(dǎo)流環(huán)以及低壓電側(cè)、汽側(cè)整體2×5級靜葉持環(huán)。

(2)適用于供熱工況的2×6級舊低壓轉(zhuǎn)子補(bǔ)充加工(包括返廠探傷、拆裝動葉片、動平衡，保留末兩級葉根)。

(3)適用于供熱工況的分流環(huán)。

(4)適用于供熱工況的低壓電側(cè)、汽側(cè)整體2×4級靜葉持環(huán)。

(5)適用于供熱工況的2×4級靜葉環(huán)(包括汽封)。

(6)適用于供熱工況的2×4級動葉片。

(7)適用于供熱工況的2套導(dǎo)流環(huán)。

(8)適用于供熱工況的前、后軸端汽封體及汽封圈。

(9)適用于供熱工況的中低、低壓聯(lián)軸器螺栓。

由于在高背壓供熱改造工程中，對鑲嵌在低壓持環(huán)和低壓#1內(nèi)缸上的前2×4級靜葉進(jìn)行破壞性拆除，拆除后的整圈靜葉難以保持原有完整的物理狀態(tài)恢復(fù)使用，因此需更換低壓前2×4級靜葉；同時考慮到更換新型線后的前2×4級靜葉與前2×4級動葉及末兩壓力級的動靜匹配和氣動匹配，因此重新設(shè)計低壓通流并更換動靜葉等核心通流部件。

低壓缸通流改造主要更換部件有：

(1)2×6級低壓整鍛轉(zhuǎn)子(新低壓轉(zhuǎn)子加級，用于非供熱期)

(2)分流環(huán)(用于非供熱期)

(3)低壓電側(cè)、汽側(cè)整體2×5級靜葉持環(huán)(用于非供熱期)

(4)2×6級靜葉環(huán)包括汽封(用于非供熱期)

(5)2×6級動葉片(1 068 mm末級葉片，用于非供熱期)

(6)排汽導(dǎo)流環(huán)(用于非供熱期)

2.3 改造方案3

對某300 MW供熱機(jī)組汽輪機(jī)在非供熱工況下的低壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行改造，使之適用于供熱和非供熱兩種工況。

當(dāng)熱網(wǎng)循環(huán)水量提高到12 000 t/h以上，凝汽器進(jìn)口水溫能適當(dāng)降低，使得進(jìn)入低壓缸的流量可以增大到約500 t/h以上，因此，高背壓汽輪機(jī)的低壓轉(zhuǎn)子只需重新設(shè)計末兩級，前三級與原舊轉(zhuǎn)子前三級相同，末葉高度初步設(shè)計350 mm左右。取消原末級葉片，轉(zhuǎn)子處設(shè)計成導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，同時配重低壓轉(zhuǎn)子，使軸承載荷基本與原轉(zhuǎn)子相同，原末級隔板處設(shè)計成導(dǎo)流裝置。

3 改造方案對比分析

按照改造方案1實(shí)施，改造后達(dá)到以下效果：汽輪機(jī)低壓缸效率可達(dá)85%以上(排汽壓力43.6 kPa)；改后汽輪機(jī)的熱耗可降至3 700 kJ/kWh以內(nèi)(高、中壓缸效率按設(shè)計值考慮)。但是汽輪機(jī)出力受到限制，同時無法達(dá)到電網(wǎng)調(diào)度給予的發(fā)電指標(biāo)。

按照改造方案2實(shí)施，改造后能達(dá)到以下效果：汽輪機(jī)低壓缸效率可達(dá)85%以上(排汽壓力43.6 kPa)；改后汽輪機(jī)的熱耗可降至3 700 kJ/kWh以內(nèi)(高、中壓缸效率按設(shè)計值考慮)。在非供熱工況下，更換新2×6級低壓轉(zhuǎn)子，汽輪機(jī)效率提高；在供暖工況下，在原有低壓轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，改造周期短，并且非供熱工況下汽輪機(jī)通過該改造方案能降低煤耗80 kJ/kWh。

按照改造方案3實(shí)施，改造后能達(dá)到以下效果：冬夏兩季可以不更換轉(zhuǎn)子，免去了一年更換兩次轉(zhuǎn)子的工作量，減輕檢修及維護(hù)費(fèi)用。但是在夏季運(yùn)行時，如果繼續(xù)使用此高背壓轉(zhuǎn)子，相比較原常規(guī)6級低壓轉(zhuǎn)子，則低壓缸效率和出力降低，并且改造后最大出力僅為274 MW，熱耗達(dá)9 180 kJ/kg，影響非供熱工況的負(fù)荷和經(jīng)濟(jì)性。目前某300 MW汽輪機(jī)所在熱電廠的熱網(wǎng)循環(huán)水量在7 500～9 000 t/h之間，無法達(dá)到此方案設(shè)定的12 000 t/h，因此汽輪機(jī)在供熱工況下的效率和出力降低，影響電廠發(fā)電經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

綜上，為減少非供熱工況下汽輪機(jī)機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)損失，考慮到非供熱工況下某300 MW供熱機(jī)組汽輪機(jī)所在熱電廠的2臺機(jī)組有可能進(jìn)行輪換運(yùn)行，以及在非供熱工況下汽輪機(jī)通過最新低壓通流改造技術(shù)能降低煤耗約80 g/kWh，而且在當(dāng)年內(nèi)能夠完成了施工改造，因此，改造方案2為最優(yōu)改造方案。