凝汽式发电机组的凝抽背式供热改造技术与经济探讨
时间：2023-02-17 08:15:09 来源：千叶帆 本文已影响人
文_杨宏伟 辽宁华电铁岭发电公司
凝汽式煤电机组的冷源热损失占蒸汽在炉膛吸热量的一半以上，凝抽背式供热改造可以在供热环节把这部分汽化潜热完全有效利用。由于冬季低压缸排汽通常在30℃以下，蒸汽无法用于加热循环水来供热，如果能用更高温度的蒸汽热量去供热，就可以变废热为宝，改造是用中压缸排汽去供热，其额定值为0.88MPa.a，360℃。
本文所述凝抽背式供热改造，是在汽轮机中压缸至低压缸的蒸汽管道上打孔连接一根同直径的蒸汽管道，导出蒸汽用于供热。在这两根管道上各自安装控制阀门，用来分配供热蒸汽量和进入低压缸的发电蒸汽量。在供热负荷高，需要大量供热蒸汽时，可以完全关闭低压缸进汽阀门，达到切除低压缸运行的背压供热模式。此时低压缸转子在高真空下高速旋转，鼓风摩擦影响安全，因此要增加一个细管道旁路，向低压缸通入冷却蒸汽。如图1所示。
图1
凝汽式煤电机组供热改造后，既发电又供热，电与热存在耦合关系。目前，部分地区的电网受调峰能力限制，已经不再允许单纯的中间部分抽汽式供热改造。凝抽背式供热改造可以更好地分配热电比例，切除低压缸运行的背压供热后机组发电负荷更低。部分抽汽式供热方式时，低压缸还有一部分进汽做功发电，可以按照电网调度的指令调整发电负荷到更高，因此，凝抽背式供热改造后，机组可以在凝汽式发电、部分抽汽供热发电、背压式供热发电三种模式下随时切换，发电负荷的调整灵活性强，可调整幅度大。表1中，以某4×300MW凝汽式燃煤发电厂为例，上网电价0.39元/kWh，供热改造前，年售电量61亿kWh。假定炉膛燃烧情况不变，经凝抽背式供热改造后，年供热量为780万GJ，趸售热价36元/GJ，由于汽轮机低压缸进汽量减少，低压缸做功发电量减少，从汽轮机热平衡图粗略计算得出，780万GJ热量对应的累计售电量减少5.2亿kWh，热电模式下年售电量55.8亿kWh，改造后每年销售热电总计增收0.78亿元。
表1
供热改造后，机组还通过多带供热负荷直至低压缸零发电来降低发电负荷，参与电网低谷深度调峰，获得辅助服务费，在供热高峰时，还可以运用以热定电原则向电网调度争取增加发电量，每年增收0.3亿元以上。
2.1 有关热力、推力等机组参数无变更
凝抽背式供热改造并未改动汽轮机内部，对机组原纯凝汽工况运行没有影响。改造重点在中低压缸连通管处，在此连通管处打孔连接同直径的供热蒸汽管道和供热阀门，并在低压缸进汽口前安装阀门。关闭低压缸进汽阀门实现切缸运行期间，机组的热力参数影响主要在低压缸侧，高中压缸处保持原机组设计热力参数不变。低压缸为两缸对称设计，可以有效抵消轴向推力，改造后低压缸对称设计的优势依然存在，保证机组支撑、死点位置不改动，推力变化在设计规范范围内。
2.2 部分抽汽供热模式下的低压缸蒸汽最小流量
通过关小低压缸进汽阀门，开大供热阀门，两个阀门相互配合，实现部分抽汽供热，低压缸进汽量减少会增加低压转子叶片的鼓风、摩擦损失，威胁叶片安全，必须控制低压缸进汽量在合理范围内。改造时，设定凝汽式运行方式切换到部分抽汽供热方式的最小电负荷值，设定部分抽汽供热方式下，低压缸进汽阀门的最小开度值，以此来控制低压缸进汽量大于最小流量值，保证部分抽汽供热模式下的安全运行。
2.3 增设低压缸进口冷却蒸汽管道及减温减压器
低压缸进汽阀门关闭后实现了低压缸不进汽，但是汽缸会漏汽，微量的漏汽在缸内流动性能较差，为了缩短其在缸内的滞留时间，防止鼓风超温，需要少量冷却蒸汽进入低压缸，保证缸内合理流动性，将鼓风热量带走，同时开启排汽缸喷水减温系统，防止因超温膨胀发生胀差超限、轴系不平衡振动以及密封性能降低等危险。低压缸进汽阀门精度无法满足冷却蒸汽量的调节要求，因此在该阀门前后设置旁路连通细管，为低压缸提供极小流量蒸汽。旁路汽源温度不宜高，温度太高则起不到冷却的效果。由于中排额定参数较高，经旁路的蒸汽需要预先对蒸汽进行减温减压处理，再通入低压缸中。减压是利用阀门节流实现，减温是利用喷水减温器实现。
2.4 中压缸排汽用于供热后应增加的中压缸叶片保护逻辑
在中压缸排汽用于供热模式下，蒸汽会经历供热系统多道阀门的节流调节。如果供热系统的阀门开度过小，会造成中压缸排汽被严重节流，导致中压缸排汽不畅通，此时，中压缸进汽与中排压力的差会变小，汽轮机中压缸鼓风摩擦生热问题加重，威胁中压缸叶片安全，因此要在中压缸末级叶片位置设置高温高压报警、跳机保护。为降低工程造价，可以取中压缸排汽口管道内的压力和温度测点作为替代。另外，机组在供热抽汽量极大时中压缸的焓降将大于原有凝汽工况值，增大的焓降主要由中压末级来承担，这对末级叶片的强度是不利的。为了保证汽轮机的安全运行，需要采取保护措施，按照机组正常运行时核定的末级和次末级压差数据进行中压末级保护装置的参数整定。
2.5 胀差与振动的监测
汽轮机在启动、停运或者工况变化时，转子和汽缸分别以自己的死点为基准膨胀或收缩。汽缸和转子之间热膨胀的数值各不一样，其二者之间的差值即为转子和汽缸的胀差。为保证机组在运行中轴向动静不摩擦，需要控制胀差值，如果胀差过大、引起机组强烈振动，有可能危及转子及其叶片的安全，测量可以提供一个预先报警，过大则应打闸停机。凝抽背式供热切换，就是很典型的变工况运行，改造应依据原有机组完善胀差及振动的监测分析系统，严格按照原始评判标准对切换过程的安全性进行把控。
2.6 关于切除低压缸运行对低压转子叶片水蚀和振动的分析
从理论分析来看，机组切除低压缸供热期间，低压转子处于高真空下高速旋转，小流量的冷却蒸汽不会造成叶片水蚀和振动加大，但是，凝抽背式供热改造后，还是要重点关注对低压缸转子及叶片的检修，如叶轮、轮毂部位的零部件及其锁紧件均无松动现象；
叶片围带、拉筋有无松动和损伤。同时需要对转子及叶片连接位置如围带、拉筋等进行加固，充分利用干摩擦阻尼特性达到减振目的，使其能够承受高真空、小流量下可能发生脱流、倒流等引发的交变动应力。
2.7 关于电厂供热与城区老供热系统的对接事项
煤电机组供热改造后，替代城区分散的小锅炉。从电厂引出的供热循环水管道与城区原有供热管道连接。供热系统是城市基础设施，应充分结合市区建设规划，着眼于城市扩建，留足今后的供热能力富裕程度，另外供热循环水普遍是采用水库等地表原水，水质硬度大，导致换热设备内部结垢，降低换热效率。因此，换热设备应有比较大的设计裕度。城区内部原有的供热管道老化，承压能力低，也是供热改造应当重视的环节。目前，城区供热管道普遍选择直接埋在地下土层中，腐蚀老化快、维护更换成本高，供热改造中的城区供热管道承压试验往往被搁置不做，城区管道承压能力极有可能是空白。在改造中应特别考虑偏离正常供热工况的稳定运行，例如管道承压能力低，被迫采取低压、低流量、高温供水的参数运行时的供热安全。
在众多凝汽式机组供热改造技术路径里，本文所述凝抽背式供热改造仅需在中低压联通管道上增设阀门，对汽轮机本身无改造，费用低，技术实施简单，机组电负荷调节范围大，适应机组参与电网的调峰，供热能力强，值得推广。
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