凝汽式發(fā)電機(jī)組的凝抽背式供熱改造技術(shù)與經(jīng)濟(jì)探討

文_楊宏偉 遼寧華電鐵嶺發(fā)電公司

1 凝抽背改造的熱電經(jīng)濟(jì)效益

凝汽式煤電機(jī)組的冷源熱損失占蒸汽在爐膛吸熱量的一半以上，凝抽背式供熱改造可以在供熱環(huán)節(jié)把這部分汽化潛熱完全有效利用。由于冬季低壓缸排汽通常在30℃以下，蒸汽無(wú)法用于加熱循環(huán)水來供熱，如果能用更高溫度的蒸汽熱量去供熱，就可以變廢熱為寶，改造是用中壓缸排汽去供熱，其額定值為0.88MPa.a，360℃。

本文所述凝抽背式供熱改造，是在汽輪機(jī)中壓缸至低壓缸的蒸汽管道上打孔連接一根同直徑的蒸汽管道，導(dǎo)出蒸汽用于供熱。在這兩根管道上各自安裝控制閥門，用來分配供熱蒸汽量和進(jìn)入低壓缸的發(fā)電蒸汽量。在供熱負(fù)荷高，需要大量供熱蒸汽時(shí)，可以完全關(guān)閉低壓缸進(jìn)汽閥門，達(dá)到切除低壓缸運(yùn)行的背壓供熱模式。此時(shí)低壓缸轉(zhuǎn)子在高真空下高速旋轉(zhuǎn)，鼓風(fēng)摩擦影響安全，因此要增加一個(gè)細(xì)管道旁路，向低壓缸通入冷卻蒸汽。如圖1所示。

圖1

凝汽式煤電機(jī)組供熱改造后，既發(fā)電又供熱，電與熱存在耦合關(guān)系。目前，部分地區(qū)的電網(wǎng)受調(diào)峰能力限制，已經(jīng)不再允許單純的中間部分抽汽式供熱改造。凝抽背式供熱改造可以更好地分配熱電比例，切除低壓缸運(yùn)行的背壓供熱后機(jī)組發(fā)電負(fù)荷更低。部分抽汽式供熱方式時(shí)，低壓缸還有一部分進(jìn)汽做功發(fā)電，可以按照電網(wǎng)調(diào)度的指令調(diào)整發(fā)電負(fù)荷到更高，因此，凝抽背式供熱改造后，機(jī)組可以在凝汽式發(fā)電、部分抽汽供熱發(fā)電、背壓式供熱發(fā)電三種模式下隨時(shí)切換，發(fā)電負(fù)荷的調(diào)整靈活性強(qiáng)，可調(diào)整幅度大。表1中，以某4×300MW凝汽式燃煤發(fā)電廠為例，上網(wǎng)電價(jià)0.39元/kWh，供熱改造前，年售電量61億kWh。假定爐膛燃燒情況不變，經(jīng)凝抽背式供熱改造后，年供熱量為780萬(wàn)GJ，躉售熱價(jià)36元/GJ，由于汽輪機(jī)低壓缸進(jìn)汽量減少，低壓缸做功發(fā)電量減少，從汽輪機(jī)熱平衡圖粗略計(jì)算得出，780萬(wàn)GJ熱量對(duì)應(yīng)的累計(jì)售電量減少5.2億kWh，熱電模式下年售電量55.8億kWh，改造后每年銷售熱電總計(jì)增收0.78億元。

表1

供熱改造后，機(jī)組還通過多帶供熱負(fù)荷直至低壓缸零發(fā)電來降低發(fā)電負(fù)荷，參與電網(wǎng)低谷深度調(diào)峰，獲得輔助服務(wù)費(fèi)，在供熱高峰時(shí)，還可以運(yùn)用以熱定電原則向電網(wǎng)調(diào)度爭(zhēng)取增加發(fā)電量，每年增收0.3億元以上。

2 凝抽背式供熱改造的技術(shù)探討

2.1 有關(guān)熱力、推力等機(jī)組參數(shù)無(wú)變更

凝抽背式供熱改造并未改動(dòng)汽輪機(jī)內(nèi)部，對(duì)機(jī)組原純凝汽工況運(yùn)行沒有影響。改造重點(diǎn)在中低壓缸連通管處，在此連通管處打孔連接同直徑的供熱蒸汽管道和供熱閥門，并在低壓缸進(jìn)汽口前安裝閥門。關(guān)閉低壓缸進(jìn)汽閥門實(shí)現(xiàn)切缸運(yùn)行期間，機(jī)組的熱力參數(shù)影響主要在低壓缸側(cè)，高中壓缸處保持原機(jī)組設(shè)計(jì)熱力參數(shù)不變。低壓缸為兩缸對(duì)稱設(shè)計(jì)，可以有效抵消軸向推力，改造后低壓缸對(duì)稱設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)依然存在，保證機(jī)組支撐、死點(diǎn)位置不改動(dòng)，推力變化在設(shè)計(jì)規(guī)范范圍內(nèi)。

2.2 部分抽汽供熱模式下的低壓缸蒸汽最小流量

通過關(guān)小低壓缸進(jìn)汽閥門，開大供熱閥門，兩個(gè)閥門相互配合，實(shí)現(xiàn)部分抽汽供熱，低壓缸進(jìn)汽量減少會(huì)增加低壓轉(zhuǎn)子葉片的鼓風(fēng)、摩擦損失，威脅葉片安全，必須控制低壓缸進(jìn)汽量在合理范圍內(nèi)。改造時(shí)，設(shè)定凝汽式運(yùn)行方式切換到部分抽汽供熱方式的最小電負(fù)荷值，設(shè)定部分抽汽供熱方式下，低壓缸進(jìn)汽閥門的最小開度值，以此來控制低壓缸進(jìn)汽量大于最小流量值，保證部分抽汽供熱模式下的安全運(yùn)行。

2.3 增設(shè)低壓缸進(jìn)口冷卻蒸汽管道及減溫減壓器

低壓缸進(jìn)汽閥門關(guān)閉后實(shí)現(xiàn)了低壓缸不進(jìn)汽，但是汽缸會(huì)漏汽，微量的漏汽在缸內(nèi)流動(dòng)性能較差，為了縮短其在缸內(nèi)的滯留時(shí)間，防止鼓風(fēng)超溫，需要少量冷卻蒸汽進(jìn)入低壓缸，保證缸內(nèi)合理流動(dòng)性，將鼓風(fēng)熱量帶走，同時(shí)開啟排汽缸噴水減溫系統(tǒng)，防止因超溫膨脹發(fā)生脹差超限、軸系不平衡振動(dòng)以及密封性能降低等危險(xiǎn)。低壓缸進(jìn)汽閥門精度無(wú)法滿足冷卻蒸汽量的調(diào)節(jié)要求，因此在該閥門前后設(shè)置旁路連通細(xì)管，為低壓缸提供極小流量蒸汽。旁路汽源溫度不宜高，溫度太高則起不到冷卻的效果。由于中排額定參數(shù)較高，經(jīng)旁路的蒸汽需要預(yù)先對(duì)蒸汽進(jìn)行減溫減壓處理，再通入低壓缸中。減壓是利用閥門節(jié)流實(shí)現(xiàn)，減溫是利用噴水減溫器實(shí)現(xiàn)。

2.4 中壓缸排汽用于供熱后應(yīng)增加的中壓缸葉片保護(hù)邏輯

在中壓缸排汽用于供熱模式下，蒸汽會(huì)經(jīng)歷供熱系統(tǒng)多道閥門的節(jié)流調(diào)節(jié)。如果供熱系統(tǒng)的閥門開度過小，會(huì)造成中壓缸排汽被嚴(yán)重節(jié)流，導(dǎo)致中壓缸排汽不暢通，此時(shí)，中壓缸進(jìn)汽與中排壓力的差會(huì)變小，汽輪機(jī)中壓缸鼓風(fēng)摩擦生熱問題加重，威脅中壓缸葉片安全，因此要在中壓缸末級(jí)葉片位置設(shè)置高溫高壓報(bào)警、跳機(jī)保護(hù)。為降低工程造價(jià)，可以取中壓缸排汽口管道內(nèi)的壓力和溫度測(cè)點(diǎn)作為替代。另外，機(jī)組在供熱抽汽量極大時(shí)中壓缸的焓降將大于原有凝汽工況值，增大的焓降主要由中壓末級(jí)來承擔(dān)，這對(duì)末級(jí)葉片的強(qiáng)度是不利的。為了保證汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，需要采取保護(hù)措施，按照機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)核定的末級(jí)和次末級(jí)壓差數(shù)據(jù)進(jìn)行中壓末級(jí)保護(hù)裝置的參數(shù)整定。

2.5 脹差與振動(dòng)的監(jiān)測(cè)

汽輪機(jī)在啟動(dòng)、停運(yùn)或者工況變化時(shí)，轉(zhuǎn)子和汽缸分別以自己的死點(diǎn)為基準(zhǔn)膨脹或收縮。汽缸和轉(zhuǎn)子之間熱膨脹的數(shù)值各不一樣，其二者之間的差值即為轉(zhuǎn)子和汽缸的脹差。為保證機(jī)組在運(yùn)行中軸向動(dòng)靜不摩擦，需要控制脹差值，如果脹差過大、引起機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)，有可能危及轉(zhuǎn)子及其葉片的安全，測(cè)量可以提供一個(gè)預(yù)先報(bào)警，過大則應(yīng)打閘停機(jī)。凝抽背式供熱切換，就是很典型的變工況運(yùn)行，改造應(yīng)依據(jù)原有機(jī)組完善脹差及振動(dòng)的監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，嚴(yán)格按照原始評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對(duì)切換過程的安全性進(jìn)行把控。

2.6 關(guān)于切除低壓缸運(yùn)行對(duì)低壓轉(zhuǎn)子葉片水蝕和振動(dòng)的分析

從理論分析來看，機(jī)組切除低壓缸供熱期間，低壓轉(zhuǎn)子處于高真空下高速旋轉(zhuǎn)，小流量的冷卻蒸汽不會(huì)造成葉片水蝕和振動(dòng)加大，但是，凝抽背式供熱改造后，還是要重點(diǎn)關(guān)注對(duì)低壓缸轉(zhuǎn)子及葉片的檢修，如葉輪、輪轂部位的零部件及其鎖緊件均無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象；葉片圍帶、拉筋有無(wú)松動(dòng)和損傷。同時(shí)需要對(duì)轉(zhuǎn)子及葉片連接位置如圍帶、拉筋等進(jìn)行加固，充分利用干摩擦阻尼特性達(dá)到減振目的，使其能夠承受高真空、小流量下可能發(fā)生脫流、倒流等引發(fā)的交變動(dòng)應(yīng)力。

2.7 關(guān)于電廠供熱與城區(qū)老供熱系統(tǒng)的對(duì)接事項(xiàng)

煤電機(jī)組供熱改造后，替代城區(qū)分散的小鍋爐。從電廠引出的供熱循環(huán)水管道與城區(qū)原有供熱管道連接。供熱系統(tǒng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)充分結(jié)合市區(qū)建設(shè)規(guī)劃，著眼于城市擴(kuò)建，留足今后的供熱能力富裕程度，另外供熱循環(huán)水普遍是采用水庫(kù)等地表原水，水質(zhì)硬度大，導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備內(nèi)部結(jié)垢，降低換熱效率。因此，換熱設(shè)備應(yīng)有比較大的設(shè)計(jì)裕度。城區(qū)內(nèi)部原有的供熱管道老化，承壓能力低，也是供熱改造應(yīng)當(dāng)重視的環(huán)節(jié)。目前，城區(qū)供熱管道普遍選擇直接埋在地下土層中，腐蝕老化快、維護(hù)更換成本高，供熱改造中的城區(qū)供熱管道承壓試驗(yàn)往往被擱置不做，城區(qū)管道承壓能力極有可能是空白。在改造中應(yīng)特別考慮偏離正常供熱工況的穩(wěn)定運(yùn)行，例如管道承壓能力低，被迫采取低壓、低流量、高溫供水的參數(shù)運(yùn)行時(shí)的供熱安全。

3 結(jié)語(yǔ)

在眾多凝汽式機(jī)組供熱改造技術(shù)路徑里，本文所述凝抽背式供熱改造僅需在中低壓聯(lián)通管道上增設(shè)閥門，對(duì)汽輪機(jī)本身無(wú)改造，費(fèi)用低，技術(shù)實(shí)施簡(jiǎn)單，機(jī)組電負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，適應(yīng)機(jī)組參與電網(wǎng)的調(diào)峰，供熱能力強(qiáng)，值得推廣。