翟博

（內(nèi)蒙古大唐國(guó)際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

近年來(lái)，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，城市規(guī)模逐步擴(kuò)張，新的建筑不斷擴(kuò)建，導(dǎo)致中國(guó)大部分地區(qū)，尤其是北方城市供熱負(fù)荷需求大幅度增長(zhǎng)[1]。然而，原有的供熱機(jī)組所能提供的最大供熱負(fù)荷，已難以滿足城市的發(fā)展和人們的需求[2]。雖然可以通過(guò)新建或擴(kuò)建供熱熱源來(lái)緩解這一問(wèn)題，但是考慮到環(huán)保、成本、擴(kuò)建場(chǎng)地等多方面原因，國(guó)家并不鼓勵(lì)熱源的新建及擴(kuò)建。加之目前發(fā)電機(jī)組過(guò)剩，許多發(fā)電機(jī)組不能滿負(fù)荷運(yùn)行，甚至部分發(fā)電機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)，因此將現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)組改造為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組勢(shì)在必行[3]。

中國(guó)凝汽式汽輪機(jī)改造為供熱機(jī)組的案例最早可以追溯至20世紀(jì)70年代，由于當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)水平相對(duì)落后，對(duì)熱源需求較少，因此相應(yīng)的改造案例較少。近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們對(duì)熱負(fù)荷的需求也不斷提升，掀起了純凝機(jī)組改供熱機(jī)組的浪潮。加之目前機(jī)組“大容量、高參數(shù)”的特點(diǎn)，供熱改造的機(jī)組不僅僅局限于中小型機(jī)組，30萬(wàn)kW、60萬(wàn)kW甚至100萬(wàn)kW機(jī)組也在進(jìn)行供熱改造。目前純凝機(jī)組改熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的方案主要有純凝機(jī)組改背壓供熱方案、純凝機(jī)組打孔抽汽供熱改造方案、純凝機(jī)組改低真空循環(huán)水供熱方案[4-7]。其中純凝機(jī)組打孔抽汽供熱改造方案又分為調(diào)整抽汽和非調(diào)整抽汽2種[8]。

針對(duì)純凝機(jī)組改供熱機(jī)組的方案，國(guó)內(nèi)外諸多專家在經(jīng)濟(jì)性、可行性和安全性方面做了深入研究，取得了較多成果。但每個(gè)改造方案均具有明顯的特點(diǎn)，而每個(gè)機(jī)組運(yùn)行狀況不同，因此不具有普遍性。本文以某330 MW純凝燃煤機(jī)組為例，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行參數(shù)及有關(guān)技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)機(jī)組供熱改造后試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析進(jìn)行探討，為該類機(jī)組實(shí)施供熱改造提供參考依據(jù)。

1 改造方案

1.1 改造前機(jī)組概況

某電廠2×330 MW純凝機(jī)組于2005年投產(chǎn)發(fā)電，機(jī)組型號(hào)為亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸雙排汽、冷凝式汽輪機(jī)組，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 改造前330 MW純凝機(jī)組基本參數(shù)

1.2 供熱系統(tǒng)

根據(jù)熱負(fù)荷調(diào)研，主要用于該地區(qū)居民和企事業(yè)單位集中供熱，綜合采暖設(shè)計(jì)熱指標(biāo)為51.2 W/m2。為了能夠保證用戶供熱效果，減少工程投資，降低運(yùn)行成本，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性，本工程供熱系統(tǒng)主要采用三級(jí)管網(wǎng)系統(tǒng)。其系統(tǒng)構(gòu)成為電廠供熱首站→中繼熱力站→用戶熱力站→用戶。結(jié)合國(guó)家有關(guān)規(guī)定及該地區(qū)供熱實(shí)際情況以及當(dāng)?shù)赜脩粜枨?，最終確定本項(xiàng)目供熱介質(zhì)為高溫?zé)崴?/p>

1.3 汽輪機(jī)改造方案

本次供熱改造的重點(diǎn)是將原有的純凝機(jī)組改造為供熱機(jī)組，綜合考慮節(jié)能效益、經(jīng)濟(jì)效益、安全效益、環(huán)保效益方面，最終確定在中低壓缸連通管上打孔抽汽供采暖用汽，抽汽為可調(diào)整抽汽。

具體改造方案如下：①在中低壓缸連通管上打孔抽汽，抽汽為可調(diào)整抽汽；②連通管重新設(shè)計(jì)，增設(shè)液控蝶閥，在連通管上蝶閥前加裝抽汽管；③抽汽管路上設(shè)置1個(gè)氣動(dòng)逆止閥和1個(gè)快關(guān)閥；④對(duì)必需的機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)改造。

為解決連通管段之間因熱受力產(chǎn)生的膨脹，采用波紋膨脹節(jié)式連通管，通過(guò)波紋膨脹節(jié)的柔性來(lái)吸收熱膨脹。連通管所受彎矩的大小，取決于膨脹節(jié)的柔性。同時(shí)為解決波紋膨脹節(jié)由內(nèi)壓而引起的巨大軸向力，需要在連通管上增加一組相同波數(shù)的膨脹節(jié)。

在安全性上，充分考慮到抽汽對(duì)中壓缸末級(jí)葉片的影響，在葉片允許的承受范圍之內(nèi)，并保證了低壓缸最小進(jìn)汽流量，所以額定抽汽量為300 t/h，最大抽汽量為400 t/h是安全可靠的。

改造后，每臺(tái)機(jī)組的采暖供熱能力預(yù)期為300 t/h，正常供熱時(shí)，單臺(tái)機(jī)組共抽汽270.4 t/h，可滿足3.558×106m2的供熱面積，供熱量為184.1 MW。如果其中一臺(tái)機(jī)組故障時(shí)，另一臺(tái)機(jī)組可滿足100%的供熱負(fù)荷需求。改造后單臺(tái)機(jī)最大供熱面積可達(dá)約7.98×106m2，即408.5 MW的供熱量。

1.4 改造后機(jī)組概況

改造后330 MW調(diào)整抽氣機(jī)組基本參數(shù)如表2所示。

表2 改造后330 MW調(diào)整抽氣機(jī)組基本參數(shù)

1.5 汽輪機(jī)性能試驗(yàn)

機(jī)組性能試驗(yàn)參照GB 8117.2—2008《電站汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)驗(yàn)收規(guī)程》進(jìn)行。水和水蒸汽以及其他性能參數(shù)將采用工業(yè)用水和水蒸汽熱力性質(zhì)計(jì)算公式IAPWS-IF97計(jì)算得到。流量測(cè)量主要參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2624—2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量》。分別測(cè)得機(jī)組改造后供電負(fù)荷為285 MW、250 MW和165 MW的工況下抽汽量分別為100 t/h、125 t/h和200 t/h的抽汽量下的機(jī)組參數(shù)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 機(jī)組熱耗變化特性

3種試驗(yàn)工況不同供熱抽汽量下的熱耗如圖1所示。從圖1中可以看出，在機(jī)組負(fù)荷不變的情況下，隨著供熱抽汽量的增大，熱耗反而降低；在機(jī)組供熱抽汽量不變的情況下，隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，熱耗反而升高。

圖1 采暖抽汽流量與熱耗的關(guān)系

這是由于發(fā)電負(fù)荷和供熱抽汽量的變化會(huì)導(dǎo)致熱電比的變化，進(jìn)而對(duì)熱耗產(chǎn)生一定的影響。抽汽凝汽式汽輪機(jī)產(chǎn)生的電量可以認(rèn)為由機(jī)組抽汽部分發(fā)電和凝汽部分發(fā)電2個(gè)部分組成。當(dāng)機(jī)組發(fā)電負(fù)荷固定的情況下，供熱抽汽量增大，系統(tǒng)補(bǔ)水量也會(huì)增加，這會(huì)造成發(fā)電量增加，如果生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)發(fā)電量固定，機(jī)組抽汽部分發(fā)電份額增大，則機(jī)組凝汽部分的發(fā)電份額就可以減少，機(jī)組熱電比增大，最終使機(jī)組熱耗降低。當(dāng)供熱抽汽量固定的情況下，發(fā)電負(fù)荷的降低，最終導(dǎo)致了機(jī)組熱耗降低。

2.2 機(jī)組汽耗變化特性

3種試驗(yàn)工況不同供熱抽汽量下的汽耗如圖2所示。從圖2中可以看出，在發(fā)電負(fù)荷不變的情況下，隨著供熱抽汽量的增大，汽耗隨之增大；在供熱抽汽量相同的情況下，隨著發(fā)電負(fù)荷的升高，汽耗反而降低。汽輪機(jī)汽耗的影響因素有很多，比如蒸汽壓力、蒸汽溫度以及凝汽器真空度等。當(dāng)汽輪機(jī)蒸汽壓力降低，而其他運(yùn)行條件不變時(shí)，機(jī)組做功能力降低，為了維持負(fù)荷和轉(zhuǎn)速，汽輪機(jī)進(jìn)汽流量勢(shì)必要增加，并且還會(huì)造成非調(diào)節(jié)級(jí)各級(jí)級(jí)前壓力升高，而蒸汽在末級(jí)葉片中焓降增大，因此末幾級(jí)的負(fù)荷就會(huì)增加。若蒸汽壓力降低較多時(shí)，汽輪機(jī)的的葉片應(yīng)力以及轉(zhuǎn)子承受的壓力就會(huì)急劇增大，發(fā)生斷葉片的可能性就會(huì)增大，同時(shí)增大汽輪機(jī)的汽耗量，末幾級(jí)過(guò)負(fù)荷最為嚴(yán)重，軸向推力也相應(yīng)增大，甚至超過(guò)軸承的承載能力。

圖2 采暖抽汽流量與汽耗的關(guān)系

當(dāng)蒸汽溫度發(fā)生變化時(shí)，同樣會(huì)對(duì)汽耗發(fā)生影響。提高蒸汽溫度，相同壓力下的單位質(zhì)量的工質(zhì)循環(huán)凈功增大，循環(huán)熱效率提高，汽耗降低，對(duì)整個(gè)裝置有利。當(dāng)蒸汽壓力不變時(shí)，蒸汽溫度降低，焓降就會(huì)減少，導(dǎo)致蒸汽做功減少，汽輪機(jī)汽耗增加，增大末幾級(jí)的葉片的沖蝕，威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。

汽輪機(jī)內(nèi)的凝汽器真空度升高，會(huì)使排汽壓力和排汽溫度同時(shí)降低，汽輪機(jī)的冷源損失就會(huì)減少。真空度越高，蒸汽中的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的效率就越高，從而使汽耗量減少。如果真空度降低，就會(huì)導(dǎo)致排汽壓力升高，排汽的溫度也會(huì)隨之升高，汽輪機(jī)的冷源損失就會(huì)增大。如果要維持汽輪機(jī)一定負(fù)荷，勢(shì)必增加蒸汽流量，就會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)汽耗量加大。因此，機(jī)組的汽耗是受多方面影響的，改造后的機(jī)組出現(xiàn)的規(guī)律趨勢(shì)是多種因素共同作用的結(jié)果。

2.3 機(jī)組發(fā)電煤耗和供電煤耗變化特性

3種試驗(yàn)工況不同供熱抽汽量下的發(fā)電煤耗和供電煤耗如圖3和圖4所示。由圖中可以看出，發(fā)電煤耗與供熱抽汽量之間的變化趨勢(shì)和供電煤耗比與供熱抽汽量之間的變化趨勢(shì)相同。當(dāng)發(fā)電負(fù)荷相同的情況下，機(jī)組發(fā)電煤耗和供電煤耗隨著供熱抽汽量的增大而降低；相同供熱抽汽量的情況下，隨著發(fā)電負(fù)荷的升高，機(jī)組發(fā)電煤耗和供電煤耗隨之降低。

圖3 采暖抽汽流量與發(fā)電煤耗的關(guān)系

圖4 采暖抽汽流量與供電煤耗的關(guān)系

發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗指火電廠每發(fā)1 kW·h電能所消耗的標(biāo)煤量，是火電廠能源利用效率的主要指標(biāo)。其計(jì)算公式為：發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗=發(fā)電耗標(biāo)煤量/發(fā)電量。而供電煤耗又稱供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗，是火電廠每向外提供1 kW·h電能平均耗用的標(biāo)煤量。它是按照火電廠供電量計(jì)算的耗煤指標(biāo)，是火電廠的重要考核指標(biāo)之一。

影響機(jī)組煤耗的因素同樣有很多，其中最主要的2個(gè)因素是機(jī)組的負(fù)荷率和汽輪機(jī)熱耗。經(jīng)過(guò)歷史數(shù)據(jù)計(jì)算，汽輪機(jī)熱耗每增加1%，供電煤耗也相對(duì)增加1%，在其他條件不變的情況下，汽輪機(jī)熱耗降低，機(jī)組供電煤耗也相應(yīng)降低[9-10]。通過(guò)分析機(jī)組汽耗的變化可知，當(dāng)發(fā)電負(fù)荷相同的情況下，汽耗隨著供熱抽汽量的增大而增加。因此，當(dāng)其他條件不變時(shí)，煤耗變化與熱耗的變化規(guī)律相同。此外，相同供熱抽汽量的情況下，機(jī)組負(fù)荷率越低，鍋爐利用效率越低，進(jìn)而使汽輪機(jī)熱耗增加，廠用電率增加，造成煤耗增大。

但是就發(fā)電來(lái)說(shuō)，汽機(jī)的抽汽被抽出對(duì)外供熱，排入凝汽器的流量減少，熱力循環(huán)的冷源損失降低，機(jī)組熱耗下降，效率升高。抽出的蒸汽沒(méi)有直接參與后面幾級(jí)葉片的做功，也沒(méi)有以回?zé)岱绞絺鳠岬綗崃ρh(huán)中。因此，在一定的主蒸汽流量或者機(jī)組熱耗量下，供熱抽汽量越大，發(fā)電煤耗和供電煤耗越低，熱電廠的發(fā)電成本也就降得更低。

3 結(jié)論

本文通過(guò)汽輪機(jī)的性能試驗(yàn)獲得了機(jī)組在典型工況下的各項(xiàng)關(guān)鍵性能參數(shù)，并對(duì)機(jī)組改造后的運(yùn)行性能進(jìn)行了相關(guān)分析。結(jié)果表明，在發(fā)電負(fù)荷相同的情況下，隨著供熱抽汽量的增大，熱電比、供熱分?jǐn)偙?、汽耗隨之增大，熱耗、機(jī)組發(fā)電煤耗和供電煤耗則隨之降低；在供熱抽汽量相同的情況下，隨著發(fā)電負(fù)荷的升高，熱電比、供熱分?jǐn)偙?、汽耗、機(jī)組發(fā)電煤耗和供電煤耗隨之降低，熱耗則隨之升高。