淺談關(guān)于熱電機(jī)組參與電網(wǎng)深度調(diào)峰的技術(shù)改造

京能（赤峰）能源發(fā)展有限公司 胡長(zhǎng)偉

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)電能的需求不斷增加。而伴隨我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)改革的不斷調(diào)整，用電結(jié)構(gòu)和需求也發(fā)生了較大變化，導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差日益增大。在保證清潔能源優(yōu)先發(fā)電的同時(shí)，傳統(tǒng)的火電行業(yè)就要面臨著為清潔能源出讓發(fā)電空間。因此，大型火力發(fā)電廠參與電網(wǎng)的深度調(diào)峰已經(jīng)十分迫切。本文以哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的150MW熱電機(jī)組為例，在保證正常的供熱、供汽的同時(shí)，安全穩(wěn)定的參與電網(wǎng)深度調(diào)峰的技術(shù)改造做出詳細(xì)介紹。

以哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的150MW熱電聯(lián)產(chǎn)的機(jī)組為例，該機(jī)組型號(hào)為CC135/N150—13.24/535/535/0.981/0.294，型式為超高壓一次中間再熱、單軸、雙缸、雙抽汽供熱、凝汽式汽輪機(jī)，最大功率156.4MW。高中壓缸采用內(nèi)外雙層缸結(jié)構(gòu)，高壓部分為反向布置，中壓部分由9個(gè)壓力級(jí)和1級(jí)回轉(zhuǎn)隔板調(diào)節(jié)級(jí)組成，第12級(jí)后有兩個(gè)工業(yè)抽汽口至工業(yè)抽汽，由第13級(jí)回轉(zhuǎn)隔板來(lái)調(diào)整。第16級(jí)后中壓缸排汽，上部有兩個(gè)中壓排汽口，經(jīng)兩根有柔性補(bǔ)償能力的連通管流至低壓缸。采暖抽汽壓力、流量的調(diào)節(jié)方式由位于聯(lián)通管上電動(dòng)蝶閥調(diào)節(jié)，采暖抽汽管由連通管中接出。

哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的150MW超高壓一次中間再熱、單軸、雙缸、雙抽汽供熱、凝汽式汽輪機(jī)。工業(yè)抽汽單機(jī)設(shè)計(jì)最大抽汽量180t/h，采暖抽汽單機(jī)設(shè)計(jì)最大抽汽量240t/h。受負(fù)荷峰谷差日益增大和新能源裝機(jī)容量大幅增加的影響，東北電網(wǎng)啟動(dòng)了調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)，并下發(fā)了《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則（征求意見(jiàn)稿）》，隨后2016年11月國(guó)家能源局東北能源監(jiān)管局下發(fā)《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則（試行）》，2017年8月國(guó)家能源局東北能源監(jiān)管局下發(fā)《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則補(bǔ)充規(guī)定》，規(guī)則中對(duì)調(diào)峰輔助服務(wù)包括的的基本義務(wù)調(diào)峰輔助服務(wù)和有償調(diào)峰輔助服務(wù)進(jìn)行了明確規(guī)定，要求參與電網(wǎng)深度調(diào)峰的機(jī)組負(fù)荷減至40%以下。

由于上述類型機(jī)組采暖抽汽由中壓缸第16級(jí)后供給，其參數(shù)受到機(jī)組負(fù)荷影響較大。供熱期深度調(diào)峰時(shí)，如想滿足調(diào)峰要求，機(jī)組的供汽、供熱已無(wú)法滿足用戶要求。為解決電網(wǎng)調(diào)峰與正常供熱、供汽之間的矛盾，對(duì)該類型機(jī)組進(jìn)行一系列的技術(shù)改造。

1 設(shè)備改造方案

首先，對(duì)旁路系統(tǒng)進(jìn)行增容，利用低壓旁路對(duì)外提供0.72MPa左右的工業(yè)抽汽和0.294MPa左右的采暖抽汽；其次，增加抽汽控制邏輯；再次，對(duì)各旁路供熱工況的機(jī)組軸向推力進(jìn)行核算，保障各負(fù)荷的推力安全性；最后，對(duì)中調(diào)門進(jìn)行調(diào)節(jié)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后讓中調(diào)門在深調(diào)期間參與機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)。

改造方案及安全性論述（以下安全性論證數(shù)據(jù)均基于原機(jī)組設(shè)計(jì)狀態(tài)），該汽輪發(fā)電機(jī)組為哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司產(chǎn)品。機(jī)組啟動(dòng)旁路系統(tǒng)采用高、低壓兩級(jí)串聯(lián)旁路裝置，其中高壓旁路為30%容量高壓旁路、即高旁閥進(jìn)汽量為30%B-MCR。改造后將高壓旁路容量提升至49%，并新增37%容量高壓旁路對(duì)應(yīng)的低壓旁路，如此一來(lái)原先已有的30%容量高壓旁路對(duì)應(yīng)的低壓旁路提供工業(yè)抽汽0.72MPa、300℃、70t/h，該參數(shù)的工業(yè)抽汽對(duì)應(yīng)高旁閥進(jìn)口流量約12%容量，故新增37%容量高壓旁路對(duì)應(yīng)的低壓旁路，該低壓旁路提供采暖抽汽能力0.294MPa、215℃，該參數(shù)的采暖抽汽對(duì)應(yīng)高旁閥進(jìn)口流量約37%容量。

高壓旁路閥減溫水來(lái)自高壓給水泵出口參數(shù)為16.3MPa、181.7℃，低壓旁路減溫水來(lái)自凝結(jié)水泵出口參數(shù)為2.48MPa、32.5℃。采暖抽汽的疏水溫度為130℃，回至4號(hào)低加和5號(hào)低加之間的凝結(jié)水管道，然后與凝結(jié)水一起經(jīng)過(guò)4號(hào)低加加熱后被送至高壓除氧器；工業(yè)抽汽的補(bǔ)水溫度為20℃，補(bǔ)至凝汽器。

通過(guò)上述對(duì)機(jī)組旁路供汽改造后，通過(guò)低壓旁路可同時(shí)提供153MW采暖抽汽和工業(yè)抽汽70t/h（利用原有低旁出口提供0.72MPa、300℃、70t/h），同時(shí)機(jī)組參與深度調(diào)峰負(fù)荷降至45MW以內(nèi)。經(jīng)對(duì)熱再抽汽后對(duì)汽輪機(jī)再熱壓力、中調(diào)門調(diào)節(jié)性能及安全性、高壓通流葉片強(qiáng)度、機(jī)組推力、末級(jí)葉片安全性和最大采暖抽汽量變化等方方面面影響的核算評(píng)估。經(jīng)過(guò)咨詢哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，認(rèn)為此種旁路供汽改造方案具有可行性，經(jīng)濟(jì)性和安全性能夠得到保證。

1.1 改造后抽汽量核算及相應(yīng)熱力計(jì)算

高低旁改造方案，是將鍋爐主蒸汽和再熱蒸汽抽出經(jīng)高低壓兩級(jí)減溫減壓器后滿足工業(yè)抽汽和采暖抽汽。由于將主蒸汽或再熱蒸汽通過(guò)高低壓兩級(jí)減溫減壓器系統(tǒng)直接供至熱熱用戶，降低了機(jī)組熱利用率，降低了機(jī)組的發(fā)電功率，投資成本相對(duì)較低，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)組工業(yè)、采暖抽汽和深度調(diào)峰的能力。高低旁改造主要包括主蒸汽旁路和再熱蒸汽旁路，所有這些旁路方案都是通過(guò)旁路閥和噴水減溫器實(shí)現(xiàn)的。

通過(guò)高旁和低旁抽汽對(duì)外供熱時(shí)，為保證供熱時(shí)機(jī)組出力盡量減少，需保證低旁抽出的汽量要與高旁噴完減溫水之后的汽量相同，這樣對(duì)機(jī)組的推力和安全性影響最小，同時(shí)機(jī)組出力最低。本項(xiàng)目計(jì)算時(shí)，需保證主蒸汽抽汽經(jīng)高旁減溫水減溫后與高排溫度相當(dāng)，低旁抽汽需設(shè)計(jì)兩路抽汽，分別減溫減壓后供給0.72MPa的工業(yè)抽汽和0.294MPa的采暖抽汽。

1.2 旁路抽汽工況下機(jī)組安全性分析

本次改造方案未對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)汽量等參數(shù)產(chǎn)生任何影響，因此對(duì)于汽輪機(jī)本體運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生任何影響，本方案中高壓旁路需長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)通流強(qiáng)度的影響。由于高旁蒸汽減溫減壓后與冷段蒸汽混合進(jìn)入再熱器，需控制高旁蒸汽減溫、減壓后盡量與冷段參數(shù)接近，可更好的保證機(jī)組安全性。核算高壓通流末幾級(jí)動(dòng)、靜葉、隔板等強(qiáng)度均合格，在該工況下能保證高壓通流葉片的安全性。

抽汽對(duì)機(jī)組推力的影響。旁路供熱抽汽時(shí)，高中壓缸的流量與壓力變化、抽取減溫水后對(duì)機(jī)組回?zé)岢槠挠绊?，以及再熱系統(tǒng)阻力的變化會(huì)對(duì)機(jī)組推力的有影響。再加上為保證再熱器不超壓，需要高排壓力與再熱流量保持線性關(guān)系，中調(diào)閥需要參與調(diào)節(jié)，對(duì)機(jī)組推力有進(jìn)一步影響。經(jīng)核算，機(jī)組在各抽汽工況下軸向推力均滿足安全運(yùn)行要求。

工業(yè)抽汽疏水未進(jìn)入汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)對(duì)機(jī)組負(fù)荷的影響。當(dāng)工業(yè)抽汽投入時(shí)，部分蒸汽量通過(guò)高旁抽汽管道經(jīng)減溫減壓后進(jìn)入再熱器出來(lái)后、被新增熱再抽汽管道全部抽走，供熱后疏水回水未至汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)，然后通過(guò)補(bǔ)凝結(jié)水保證給水流量。對(duì)汽輪機(jī)而言僅相當(dāng)于純凝工況下汽輪機(jī)多了一部分凝結(jié)水補(bǔ)水。

1.3 最大采暖抽汽量的確定

就該機(jī)組而言，為保證低壓末級(jí)葉片安全性，進(jìn)入機(jī)組的進(jìn)汽量一般需維持在30%額定負(fù)荷左右。所以，最大采暖抽汽量出現(xiàn)的條件為機(jī)組最大進(jìn)汽量480t/h條件下、同時(shí)低壓缸排汽最小，此時(shí)高旁271.80t/h、高旁減溫水14.00t/h，低旁抽汽量340.99t/h、低旁減溫水共85.55t/h，對(duì)外提供工業(yè)抽汽量70t/h、采暖抽汽量356.53t/h，采暖抽汽量達(dá)到最大，供熱負(fù)荷約233MW/h。

1.4 中調(diào)門參與調(diào)節(jié)的必要性

正常機(jī)組運(yùn)行時(shí)，高排壓力與負(fù)荷和進(jìn)汽量成正比，通過(guò)鍋爐再熱器管道的流速也基本保持不變。當(dāng)本項(xiàng)目采用高低旁供熱抽汽時(shí)，通過(guò)鍋爐再熱器的再熱蒸汽流量大于機(jī)組負(fù)荷對(duì)應(yīng)的正常值，導(dǎo)致鍋爐再熱器超速、再熱系統(tǒng)壓損增加。因此，需通過(guò)減小中壓調(diào)節(jié)閥的閥門開(kāi)度來(lái)憋高高排壓力、減小再熱蒸汽比容，使鍋爐再熱器管道不超速。中調(diào)門參與調(diào)節(jié)高排壓力調(diào)節(jié)，需閥門具有相應(yīng)的調(diào)節(jié)能力。對(duì)于機(jī)組現(xiàn)有的中壓調(diào)節(jié)閥，需通過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)性試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證中調(diào)閥的參與調(diào)節(jié)的能力。如調(diào)節(jié)能力不足，必要時(shí)需考慮更換新的中壓調(diào)節(jié)閥。

2 供熱改造后機(jī)組安全運(yùn)行注意事項(xiàng)

機(jī)組進(jìn)行供熱改造時(shí)增設(shè)的抽汽管道、閥門等，在具體布置時(shí)應(yīng)結(jié)合電廠實(shí)際情況妥善考慮，盡量不影響機(jī)組的正常檢修，不影響機(jī)組的正常運(yùn)行或留下事故隱患，危及機(jī)組運(yùn)行安全；改造后的旁路系統(tǒng)在機(jī)組參與深度調(diào)峰時(shí)，高溫高壓的閥門需頻繁操作，對(duì)該系統(tǒng)的閥門質(zhì)量要求非常高，否則后續(xù)運(yùn)行時(shí)故障率會(huì)很高。另外，此時(shí)旁路系統(tǒng)的投退是在鍋爐負(fù)荷較高且?guī)缀醪蛔兊那闆r下進(jìn)行的，因此投入和退出時(shí)操作務(wù)必要緩慢，且管道要充分疏水，否則極易造成系統(tǒng)管道振動(dòng)或異響等情況發(fā)生。若機(jī)組需頻繁參與電網(wǎng)調(diào)峰，建議將該系統(tǒng)疏水常開(kāi)，使其一直處于熱備狀態(tài)，這樣不但能讓系統(tǒng)投入時(shí)更安全、同時(shí)也能縮短投入時(shí)間，使深度調(diào)峰效益最大化。

改造后的旁路系統(tǒng)投退時(shí)，對(duì)鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)也會(huì)造成一定干擾。汽包鍋爐的水位調(diào)節(jié)基本都是三沖量調(diào)節(jié)，而作為三沖量前饋信號(hào)主蒸汽流量的測(cè)點(diǎn)，大都在汽輪機(jī)的主汽門前，因此改造后的旁路系統(tǒng)投入后該流量會(huì)隨之發(fā)生大幅變化，再加上主汽壓力隨之變化的影響，由此會(huì)對(duì)汽包水位的調(diào)節(jié)造成較大影響，所以這方面的調(diào)節(jié)方式還需進(jìn)一步完善優(yōu)化；改造后的旁路系統(tǒng)配備的邏輯必須完善，諸如一旦熱網(wǎng)換熱器事故解列，外送的采暖抽汽突然中斷，而此時(shí)高溫高壓的旁路系統(tǒng)還在投入狀態(tài)，勢(shì)必會(huì)造成供汽抽汽管道超壓以及對(duì)汽輪機(jī)相關(guān)系統(tǒng)造成沖擊，后果不堪設(shè)想。所以，該系統(tǒng)的邏輯必須能妥善排除由于外界因素變化造成的一系列不安全因素。

實(shí)際供熱運(yùn)行時(shí)還要注意高排抽汽不超溫。當(dāng)旁路供熱抽汽時(shí)，機(jī)組高排溫度隨著主蒸汽量的減小而升高，當(dāng)高排溫度超過(guò)報(bào)警值時(shí)需采取降低采暖負(fù)荷、增加高旁冷卻水流量、增加機(jī)組電負(fù)荷等措施；在中調(diào)門參與調(diào)節(jié)時(shí)需保證高排不超溫，其他瓦溫、振動(dòng)情況無(wú)異常；為防止低壓缸排汽流量過(guò)小滿足不了末級(jí)葉片的冷卻流量而引起鼓風(fēng)，實(shí)際運(yùn)行及抽汽時(shí)要滿足低壓缸進(jìn)汽壓力不低于0.07MPa。此種情況各廠根據(jù)自身機(jī)組的運(yùn)行情況而定。

改造后的旁路系統(tǒng)投入時(shí)，大原則就是讓高低旁蒸汽流量相匹配，從而保證高、中壓缸進(jìn)汽量的匹配，最大程度減小機(jī)組運(yùn)行時(shí)的軸向推力。中壓調(diào)速汽門參與調(diào)節(jié)的意義亦是如此。但大多數(shù)機(jī)組的中壓調(diào)速汽門在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)是不參與負(fù)荷調(diào)節(jié)的，因此務(wù)必保證中調(diào)門的調(diào)節(jié)特性試驗(yàn)合格。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，為保證高、中壓缸進(jìn)汽相匹配，可采取在高、低旁出口分別加裝流量測(cè)點(diǎn)，根據(jù)兩側(cè)點(diǎn)流量變化調(diào)節(jié)，也可根據(jù)高、中壓缸調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)汽壓力的比值基本不變的原則來(lái)調(diào)節(jié)，有的機(jī)組中壓缸調(diào)節(jié)級(jí)沒(méi)有壓力測(cè)點(diǎn)，也可選取離調(diào)節(jié)級(jí)最近的抽汽段壓力測(cè)點(diǎn)來(lái)替代。

3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

缺點(diǎn)：將高溫高壓的蒸汽經(jīng)過(guò)減溫減壓送出給用戶，這本身就是很不經(jīng)濟(jì)的；改造后系統(tǒng)投入后大大增加了設(shè)備運(yùn)行的噪聲，對(duì)運(yùn)行人員的身心健康造成不利影響；高溫高壓的管道閥門頻繁操作具有一定風(fēng)險(xiǎn)，且一旦外界參數(shù)突然變化，可能會(huì)引發(fā)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)異常。

優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)改造投資小、見(jiàn)效快，且運(yùn)行方式靈活，機(jī)組參與調(diào)峰的能力強(qiáng)，尤其是在電網(wǎng)調(diào)峰有償服務(wù)的背景下，給企業(yè)創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益是很可觀的；此種方式的改造，對(duì)汽輪機(jī)本身幾乎沒(méi)有什么影響，如想后續(xù)對(duì)汽輪機(jī)本身進(jìn)高背壓、低壓缸切缸運(yùn)行等方面的技術(shù)改造，是不受其影響的，對(duì)后續(xù)其它系統(tǒng)的改造有較強(qiáng)的適應(yīng)性；僅此改造后的系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，后續(xù)檢修維護(hù)也不復(fù)雜，維護(hù)成本也不高。

結(jié)論：鑒于各電廠實(shí)際運(yùn)行情況各不相同，改造的方式方法也會(huì)因?qū)嶋H運(yùn)行工況而各有千秋。但就實(shí)際投產(chǎn)運(yùn)行情況看，經(jīng)過(guò)上述對(duì)旁路系統(tǒng)的改造后，使該類型機(jī)組不但提高了原有機(jī)組的供熱能力，且增強(qiáng)了機(jī)組參與深度調(diào)峰的能力。