300 MW級抽凝背式供熱機組技術研究

董麗娟，張潤盤

(河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031)

0 引言

近年來，環(huán)境保護要求的提高、能源礦產(chǎn)儲備的降低以及能源價格上漲等一系列因素，促使社會對一次能源的利用率提出了更高的要求。目前，我國電網(wǎng)容量趨于飽和，而各地熱電聯(lián)產(chǎn)機組的容量卻嚴重不足，努力提高熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱效率和供熱能力是當務之急。

熱電聯(lián)產(chǎn)的汽輪機組，其能源利用率可超過80%，明顯高于超臨界凝汽式機組。凝汽式機組的凝汽損失達43% ～53%，能源利用率為30% ～40%;而熱電聯(lián)供機組的凝汽損失為0～30%，能源利用率可達60% ～84%(若為背壓式機組，則凝汽損失為0，能源利用率可達80%以上)。供熱機組熱效率高的主要原因是減少了凝汽損失即冷端損失，因此，如何降低冷端損失，成為進一步提高機組熱效率的重點研究方向。利用現(xiàn)有的技術手段，提高供熱機組的供熱能力對我國北方電廠有著重要意義。

1 國內(nèi)外研究應用現(xiàn)狀［1］

聯(lián)合循環(huán)機組中，經(jīng)常采用同步自換擋(3S，Synchro－Self－Shifting)離合器對汽輪機進行解列和并列，運用類似的技術，在汽輪機低壓缸和發(fā)電機之間設置3S離合器，實現(xiàn)低壓缸的解列和并列，從而實現(xiàn)汽輪機的背壓運行和抽凝運行切換，提高機組的供熱能力。

早在20世紀90年代，抽凝背式供熱機組在日本的小型火電機組中已有應用。2010年，北京華能高碑店電廠和北京草橋燃氣聯(lián)合循環(huán)熱電廠熱電聯(lián)合循環(huán)機組的汽輪機采用了超高壓300 MW級雙缸雙排汽抽凝背式供熱機組。目前，國內(nèi)外尚未見300 MW級抽凝背機組在火力發(fā)電廠中實際應用。

本文依托河北華電石家莊鹿華熱電有限公司(以下簡稱鹿華熱電)二期供熱機組的裝機方案，分析抽凝背機型的可行性，同時對抽凝背機型的經(jīng)濟性進行深入分析。

2 技術方案及實施

2.1 研究原則及抽凝背機組適用的外部條件

隨著國家節(jié)能降耗產(chǎn)業(yè)政策的深化，350MW超臨界機組正在逐步取代300 MW級亞臨界機組，成為新建300 MW級燃煤發(fā)電機組的首選。350 MW超臨界機組的年均發(fā)電標煤耗率較同容量亞臨界機組低7～10 g/(kW·h)，因此不推薦亞臨界機組裝機方案。

以鹿華熱電二期工程的裝機方案為例作具體說明。鹿華熱電二期工程2×300 MW級抽凝背式供熱機組投產(chǎn)后，汽輪機采暖供汽量為750 t/h，壓力為0.25～0.40 MPa，采暖供熱能力為1 000 MW，可承擔區(qū)域集中采暖面積約2 000萬m2，比抽凝式發(fā)電機組能夠提供更多的熱量，由于背壓運行，冷端損失為0。因此，從節(jié)能降耗方面考慮，二期工程超臨界抽凝背機組應在最大供熱能力工況下運行［2－5］。

300MW級抽凝背機組適用的外部條件是:機組供熱能力小于區(qū)域最小熱負荷需求。石家莊西部供熱區(qū)2015年最小熱負荷為1250 MW，因此，鹿華二期工程選用2×350 MW超臨界抽凝背式供熱機組是與外部熱負荷需求相適應的。機組投產(chǎn)后，冬季承擔區(qū)域基本熱負荷，可保持背壓狀態(tài)高效運行。

如果供熱區(qū)的最小熱負荷小于抽凝背機組的最大供熱能力，則機組將長期在背壓運行狀態(tài)下進行熱負荷調(diào)峰，當熱負荷需求進一步降低時，將切換至抽凝工況下運行。如果頻繁在抽凝狀態(tài)和背壓狀態(tài)下切換，機組運行的安全性會受到影響，機組運行的經(jīng)濟性優(yōu)勢也會大打折扣。

2.2 本體結構設計方案選擇

通過咨詢?nèi)笾鳈C廠，超臨界抽凝背式供熱機組本體結構設計方案有4種。

(1)方案1:高中壓合缸+單臺發(fā)電機+3S離合器。

(2)方案2:高中壓分缸+單臺發(fā)電機+3S離合器。

(3)方案3:汽輪機雙軸并列布置+雙發(fā)電機。(4)方案4:汽輪機雙軸串列布置+雙發(fā)電機。方案1，2是以常規(guī)350 MW超臨界汽輪機為母型，將低壓缸軸端通過3S離合器與發(fā)電機(或高中壓缸)連接，使低壓缸可在線解列和并列，如圖1所示。

圖1 帶3S離合器的結構布置方案(方案1，2)

方案3，4是以常規(guī)350 MW超臨界汽輪機為母型，將高中壓缸的軸系與低壓缸的軸系完全分開設置，并由高中壓缸和低壓缸各帶1個發(fā)電機，通過聯(lián)通管閥門控制低壓缸的運行狀態(tài)，如圖2、圖3所示。

圖2 汽輪機雙軸并列布置方案(方案3)

圖3 汽輪機雙軸串列布置方案示意圖(方案4)

2.3 設計方案對比

從表1可以看出，3S離合器方案(方案1，2)在設備投資成本、運行維護和主廠房布置等方面都較雙軸方案有較大優(yōu)勢。因此，本課題不推薦汽輪機雙軸布置方案(方案3，4)。

3 3S離合器基本工作原理

3S離合器是300MW等級抽凝背機組的關鍵部件，其安全、可靠長期運行的特性是凝背機組能夠得到推廣的關鍵。

表1 方案優(yōu)、缺點

3S離合器是一種單向傳遞扭矩的裝置，當離合器的主、從動齒輪轉(zhuǎn)速完全相等時兩者相位同步，自動軸向移動而嚙合，輸入轉(zhuǎn)速低于輸出轉(zhuǎn)速時離合器脫開。3S離合器的基本工作原理可比擬為螺母擰在螺栓上，如果螺栓轉(zhuǎn)動時螺母是自由的，則螺母將隨螺栓一同轉(zhuǎn)動，如果螺母受限制而螺栓繼續(xù)轉(zhuǎn)動，則螺母將沿螺栓作直線運動。

3S離合器安裝在單軸共用發(fā)電機的電廠設備上，以聯(lián)接或斷開汽輪機與發(fā)電機中相關的轉(zhuǎn)子，具有鎖定功能;利用油動機作為動力來源，將并列狀態(tài)的3S離合器鎖死，此時離合器不能進行解列動作，高中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子可以作為一根轉(zhuǎn)子，增加了3S離合器運行的可靠性。油動機壓力油油壓約為0.2 MPa，汽輪機輔助系統(tǒng)可以提供壓力相符的油。

4 技術經(jīng)濟比較［6－7］

經(jīng)過比較和分析2個方案，熱經(jīng)濟指標及項目投資見表2。

表2 熱經(jīng)濟指標及項目投資

參照《火電工程限額設計參考造價指標》(2010年水平)中的建設工期、投資比例以及最新貸款利率等相關參數(shù)，在含稅標準煤價為840元/t、水價為1元/t、將執(zhí)行的上網(wǎng)電價為396.5元/(MW·h)、含稅熱價為40元/GJ的條件下，測算工程收益水平及投資回收期，分析結果見表3。

表3 主要技術經(jīng)濟指標

從以上數(shù)據(jù)可以看出，按將執(zhí)行的標桿電價和銷售熱價來測算項目盈利能力，2×350 MW超臨界抽凝背機組不僅可提高機組供熱能力，而且投資收益率高于常規(guī)的2×350 MW超臨界機組，可以為發(fā)電企業(yè)帶來更好的經(jīng)濟效益。

5 結束語

300 MW級抽凝背式供熱機組可有效緩解三北地區(qū)夏季缺電、冬季缺熱的局面，可大幅降低機組年均發(fā)電標煤耗率，提高機組運行經(jīng)濟性，減少機組污染物排放量，符合國家節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)政策。

［1］王振銘.分布式能源熱電聯(lián)產(chǎn)的新發(fā)展［J］.沈陽工程學院學報:自然科學版，2008(2):97－101.

［2］周猛.鹿華熱電二期工程裝機方案論證專題［R］.石家莊:河北省電力勘測設計研究院，2011.

［3］張潤盤.裕華熱電二期工程裝機方案論證專題［R］.石家莊:河北省電力勘測設計研究院，2011.

［4］張曉坤.鹿華二期2×350 MW配3S離合器超臨界直接空冷汽輪發(fā)電機組方案可行性分析［R］.石家莊:河北省電力勘測設計研究院，2011.

［5］周猛.300 MW亞臨界NCB型汽輪機設計評審說明［R］.石家莊:河北省電力勘測設計研究院，2010.

［6］鐘史明.熱電聯(lián)產(chǎn)界定節(jié)能指標的建議［C］//第五屆國際熱電聯(lián)產(chǎn)分布式能源聯(lián)盟年會論文集.北京:中國電機工程學會熱電專業(yè)委員會，2004.

［7］鐘史明，劉龍海.界定熱電聯(lián)產(chǎn)抽凝機組節(jié)能指標的建議［J］.電力技術經(jīng)濟，2008，20(5):48－51.