1030MW超超臨界二次再熱火電機(jī)組供熱改造方案分析

楊偉山 張?zhí)m慶 王濤 馬道鋒 丁斌斌

摘要：華能萊蕪電廠1 030 MW超超臨界二次中間再熱火電機(jī)組是國(guó)內(nèi)首臺(tái)進(jìn)行供熱改造的二次再熱百萬機(jī)組。現(xiàn)以華能萊蕪電廠6號(hào)機(jī)組為研究對(duì)象，比較純凝機(jī)組供熱改造的典型方案，介紹最終選取的中排抽汽雙閥調(diào)節(jié)供熱方案的改造細(xì)節(jié)，分析供熱改造后機(jī)組的運(yùn)行情況和相關(guān)注意事項(xiàng)，并就供熱改造對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行初步計(jì)算，可為國(guó)內(nèi)同類型機(jī)組供熱改造提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：1 030 MW超超臨界機(jī)組;二次再熱;供熱改造

0? ? 引言

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的發(fā)展以及對(duì)城市清潔取暖要求的提高，城市集中供熱面積逐年大幅上升。得益于遠(yuǎn)距離供熱技術(shù)的發(fā)展，供熱新用戶開發(fā)成為可能。此外，節(jié)能減排和企業(yè)自身提質(zhì)增效的需求都推動(dòng)了火電機(jī)組供熱改造的進(jìn)程。華能萊蕪電廠目前總裝機(jī)276萬kW，擁有兩臺(tái)33萬kW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、兩臺(tái)百萬千瓦超超臨界二次中間再熱機(jī)組和兩個(gè)裝機(jī)2萬kW的光伏電站。一期供熱首站設(shè)計(jì)供熱能力600萬m2，2018年供熱季實(shí)際承擔(dān)了700萬m2的供熱任務(wù)，寒冷天氣下處于欠供狀態(tài)，給供熱帶來巨大壓力。

結(jié)合供熱現(xiàn)狀以及政府規(guī)劃，可預(yù)估萊蕪電廠承擔(dān)的供熱任務(wù)將逐年上漲，供熱區(qū)域熱負(fù)荷預(yù)計(jì)增長(zhǎng)數(shù)據(jù)如表1所示。可見，未來3～5年供熱需求將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有供熱能力，對(duì)兩臺(tái)二次再熱百萬機(jī)組進(jìn)行供熱改造勢(shì)在必行。

1? ? 設(shè)備概況

華能萊蕪電廠6號(hào)機(jī)組為1 030 MW超超臨界二次中間再熱機(jī)組，鍋爐為哈爾濱鍋爐廠設(shè)計(jì)制造的HG-2752/32.87/11.01/3.45-YM1型百萬等級(jí)二次再熱超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐。汽輪機(jī)采用德國(guó)西門子公司技術(shù)，由上海汽輪機(jī)有限公司設(shè)計(jì)制造。汽輪機(jī)的型號(hào)為N1050-31（THA）/600/620/620，汽輪機(jī)型式為超超臨界、二次中間再熱、單軸、五缸四排汽、雙背壓、十級(jí)回?zé)岢槠?、反?dòng)凝汽式，其主要性能參數(shù)如表2所示。

2? ? 典型供熱改造方案

2.1? ? 汽輪機(jī)旁路供熱方案

汽輪機(jī)旁路供熱方案即經(jīng)高旁將部分主蒸汽旁路至高壓缸排汽，之后從低壓旁路后抽汽作為供熱抽汽的補(bǔ)充汽源[1]，如圖1所示。對(duì)于高、低旁路聯(lián)合供汽方案，高旁蒸汽流量與低旁蒸汽流量的匹配方式是影響汽輪機(jī)軸向推力平衡和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。因此，高、低旁路供熱改造方案對(duì)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)及可靠性要求較高。

汽輪機(jī)旁路供熱的優(yōu)勢(shì)在于改造方案成熟，改造投資小。汽輪機(jī)旁路供熱的不足之處在于直接將高品質(zhì)蒸汽減溫減壓用于供熱，熱經(jīng)濟(jì)性較差;且由于蒸汽參數(shù)等級(jí)較高，抽汽流量變化可能引起汽輪機(jī)軸向推力和葉片強(qiáng)度超限等危及機(jī)組運(yùn)行安全性的問題，因此對(duì)相關(guān)減溫減壓設(shè)備的可靠性以及控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)要求較高。此方案在常規(guī)一次再熱機(jī)組應(yīng)用較多。

2.2? ? 中低壓連通管抽汽供熱方案

中低壓連通管抽汽供熱方案實(shí)施起來簡(jiǎn)單易行，通過改造汽輪機(jī)中低壓連通管，在連通管上加裝中壓缸排汽壓力調(diào)整蝶閥，閥前增設(shè)三通引出抽汽管道。在供熱抽汽管道上需要安裝逆止閥、快關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥和安全閥，如圖2所示。

中低壓連通管抽汽供熱方式是目前在役機(jī)組采用最多的供熱方式，具有簡(jiǎn)單易行，機(jī)組運(yùn)行靈活性強(qiáng)，全統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。此方案大多選擇將中排蝶閥安裝在中壓缸排汽管路的垂直段，會(huì)將中低壓連通管整體抬升一定高度，所以在改造時(shí)汽機(jī)房行車起吊高度必須滿足要求。另外，此方案抽汽量必須經(jīng)過汽輪機(jī)廠重新校核，且汽輪機(jī)仍存在冷源損失。

2.3? ? 雙轉(zhuǎn)子高背壓供熱方案

供熱季更換專用轉(zhuǎn)子，提高汽輪機(jī)的排汽背壓，將凝汽器循環(huán)冷卻水出、入口直接接入供熱系統(tǒng)，由熱網(wǎng)循環(huán)水充當(dāng)凝汽器循環(huán)冷卻水。該方案采用串聯(lián)加熱系統(tǒng)，熱網(wǎng)循環(huán)水首先經(jīng)過凝汽器進(jìn)行第一次加熱，吸收低壓缸排汽潛熱，再經(jīng)過供熱首站蒸汽加熱器完成第二次加熱，生成高溫水送至熱水管網(wǎng)[2]，高溫水冷卻后再回到機(jī)組凝汽器，構(gòu)成一個(gè)完整的循環(huán)水路[2]，如圖3所示，供熱首站蒸汽來源可選擇本機(jī)或臨機(jī)供熱抽汽。到非供熱期更換純凝轉(zhuǎn)子，凝汽器循環(huán)水切換到原循環(huán)冷卻水，汽輪機(jī)排汽參數(shù)恢復(fù)正常，即恢復(fù)原純凝工況運(yùn)行。

此方案可以實(shí)現(xiàn)冷源零損失，具有經(jīng)濟(jì)效益高的特點(diǎn)。但供熱季、非供熱季需要反復(fù)揭缸更換轉(zhuǎn)子，并需要對(duì)汽輪機(jī)本體、凝汽器、給水泵汽輪機(jī)、軸加等進(jìn)行改造，投資及維護(hù)成本高。

2.4? ? 其他供熱改造方案

其他供熱改造典型方案還有低壓光軸供熱、低壓缸零出力、吸收式熱泵等。光軸供熱方案供熱季機(jī)組按背壓機(jī)工況運(yùn)行，低壓缸解列以光軸形式（該低壓光軸轉(zhuǎn)子純粹用于傳遞力矩）運(yùn)行。非供熱期低壓光軸拆除，回裝原低壓轉(zhuǎn)子及原中低壓連通管，機(jī)組按正常純凝工況運(yùn)行。低壓缸零出力采用可完全密封的液壓蝶閥切除低壓缸原進(jìn)汽管道進(jìn)汽，通過新增旁路管道通入少量的冷卻蒸汽，用于帶走低壓缸零出力改造后低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的鼓風(fēng)熱量[3]。吸收式熱泵供熱是以蒸汽為驅(qū)動(dòng)熱源，溴化鋰濃溶液為吸收劑，水為蒸發(fā)劑，利用水在低壓真空狀態(tài)下低沸點(diǎn)沸騰的特性，提取低位余熱源的熱量，通過吸收劑回收熱量并轉(zhuǎn)換制取采暖用的熱水[4]。

3? ? 萊蕪電廠6號(hào)機(jī)供熱改造方案

萊蕪電廠6號(hào)機(jī)組為超超臨界二次再熱百萬機(jī)組，機(jī)組效率、能耗指標(biāo)十分優(yōu)秀，節(jié)能減排壓力較小。因此，經(jīng)過對(duì)供熱需求的分析并綜合考慮改造施工難度，萊蕪電廠6號(hào)機(jī)組選擇了中低壓連通管抽汽供熱方案。

3.1? ? 施工方案

為滿足利用中排抽汽作為供熱汽源的需求，汽機(jī)本體方面對(duì)中低壓連通管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造。在汽輪機(jī)中低壓連通管的立管上增設(shè)了一根供熱小母管，在中低壓連通管上加裝中排蝶閥，通過該閥來調(diào)整中壓缸排汽壓力，該閥即使在全關(guān)的狀態(tài)下也能保證低壓缸的最小安全流量。供熱小母管至管道接口處設(shè)置了固定死點(diǎn)來吸收熱網(wǎng)管道的推力和熱位移，以保證機(jī)組連通管不承受來自熱網(wǎng)管道的推力和位移，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

另外，考慮到機(jī)組的安全性以及盡量減小增加的設(shè)備對(duì)中壓外缸和低壓外缸的影響，在抽汽小母管上設(shè)置了專門的支架。為了滿足改造的連通管及小母管熱脹的要求，分別加裝了壓力自平衡式波形膨脹節(jié)、大拉桿及相關(guān)附件。此外，為方便電廠現(xiàn)場(chǎng)檢修，在連通管及抽汽小母管上增設(shè)了連接法蘭。機(jī)組改造后，通過雙閥的協(xié)同調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對(duì)供熱抽汽壓力和流量的調(diào)整。

3.2? ? 供熱改造對(duì)機(jī)組流通部分強(qiáng)度的影響

供熱改造后不會(huì)影響機(jī)組通流部分的強(qiáng)度。為保證機(jī)組的安全連續(xù)運(yùn)行，在供熱工況下中排壓力通過中排蝶閥進(jìn)行調(diào)整。變負(fù)荷時(shí)，中壓排汽溫度會(huì)隨著蒸汽流量的減少而升高，金屬材料的屈服強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)降低，但該溫度范圍內(nèi)屈服強(qiáng)度變化幅度不大;同時(shí)由于二再蒸汽流量減少也降低了葉片應(yīng)力，級(jí)功率和蒸汽彎應(yīng)力大幅降低，因此在低負(fù)荷抽汽工況下可允許中排溫度略有升高，在此工況下，短期運(yùn)行的溫度不得高于370 ℃。汽機(jī)本體方面對(duì)中低壓連通管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，改造后單臺(tái)機(jī)組具備了額定流量350 t/h、抽汽壓力0.4 MPa的抽汽能力。

3.3? ? 控制系統(tǒng)方案

該改造方案采用典型的雙閥控制方式，即中排蝶閥控制中壓缸排汽壓力，抽汽調(diào)閥控制供汽母管壓力。中排蝶閥投自動(dòng)后，根據(jù)推薦的運(yùn)行曲線自動(dòng)調(diào)整中排蝶閥開度，從而調(diào)整中壓缸排汽壓力與進(jìn)汽壓力相匹配，以保證在供熱工況下機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化或供熱抽汽量發(fā)生變化時(shí)機(jī)組中壓缸末幾級(jí)葉片的安全。二次再熱壓力與中排壓力對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線如圖5所示。

如果汽輪機(jī)的中排壓力達(dá)到PIex-alarm對(duì)應(yīng)的數(shù)值，壓力低報(bào)警，此時(shí)閉鎖抽汽調(diào)閥開大并通過關(guān)小中排蝶閥來提高中排壓力，此蝶閥關(guān)至下限中排壓力仍降低至PIex-min時(shí)，延遲30 s后抽汽自動(dòng)解列。表3列出了機(jī)組在典型的高低負(fù)荷工況下二次再熱壓力對(duì)應(yīng)的中排壓力值。

4? ? 供熱改造后運(yùn)行注意事項(xiàng)

首先，應(yīng)確保變工況下中壓缸壓比在規(guī)定的范圍內(nèi)，確保中壓缸末幾級(jí)葉片安全。

其次，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)汽輪機(jī)中壓缸排汽溫度的監(jiān)視，確保此溫度低于350 ℃，當(dāng)中壓缸排汽溫度高于350 ℃時(shí)，應(yīng)該增加負(fù)荷來增大中壓缸的進(jìn)汽量，也可以降低二次再熱蒸汽的溫度或降低中排壓力。如果中排溫度高不能及時(shí)處理致使其達(dá)到370 ℃，供熱系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)解列保證安全。

最后，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)視汽輪機(jī)低壓缸的運(yùn)行情況。因?yàn)楣岢槠脑黾訒?huì)導(dǎo)致進(jìn)入低壓缸的蒸汽流量減少，低壓缸末級(jí)葉片容易因鼓風(fēng)效應(yīng)產(chǎn)生過熱。為保護(hù)汽輪機(jī)低壓缸，應(yīng)該保證低壓缸的最小進(jìn)汽壓力不低于0.02 MPa，如果該壓力值達(dá)到0.01 MPa，中排蝶閥將會(huì)自動(dòng)全開并切除供熱。機(jī)組背壓越高，低壓缸所需的冷卻流量也就越大，因此要保證低壓缸的排汽溫度不能超過規(guī)定值。低壓排汽溫度以及低壓末級(jí)靜葉持環(huán)前報(bào)警、動(dòng)作溫度仍保持原設(shè)置，如低壓缸排汽溫度達(dá)到定值，需提高真空，增大進(jìn)汽量或降低再熱溫度。

5? ? 供熱改造后對(duì)汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響

為分析6號(hào)機(jī)組不同供熱運(yùn)行方式下的供熱特性，應(yīng)用先進(jìn)的電站系統(tǒng)模擬分析軟件EBSILON對(duì)機(jī)組進(jìn)行了建模和變工況計(jì)算。表4給出了6號(hào)機(jī)組純凝及供熱抽汽工況的部分技術(shù)指標(biāo)。

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，通過熱電聯(lián)產(chǎn)可顯著降低機(jī)組熱耗、發(fā)電煤耗，大幅提升機(jī)組循環(huán)熱效率及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

6? ? 結(jié)語

華能萊蕪電廠6號(hào)機(jī)組于2019年成功實(shí)現(xiàn)供熱改造并保持了供熱期間機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)組熱耗大幅降低，循環(huán)熱效率提升，驗(yàn)證了二次再熱百萬機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)的可行性，并為廣大二次再熱百萬機(jī)組的供熱改造提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 薛朝囡，楊榮祖，王汀，等.汽輪機(jī)高低旁路聯(lián)合供熱在超臨界350 MW機(jī)組上的應(yīng)用[J].熱力發(fā)電，2018，47（5）：101-105.

[2] 王旭東，姜水.淺談優(yōu)化供熱系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)供熱節(jié)能[J].民營(yíng)科技，2015（4）：6.

[3] 天罡，劉立華，黃智，等.350 MW機(jī)組低壓缸切除供熱改造方案及調(diào)峰性能分析[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2019，61（6）：457-460.

[4] 王晉鋒.熱泵技術(shù)在集中供熱中的應(yīng)用[J].科學(xué)之友，2012（8）：37-38.

收稿日期：2020-03-10

作者簡(jiǎn)介：楊偉山（1987—），男，山東濟(jì)南人，工程師，從事汽機(jī)運(yùn)行工作。