超臨界350 MW機組采用背壓式給水泵小汽輪機 工業(yè)供熱研究

余 炎， 金益波， 楊紅霞， 蔡小燕

(1.上海電氣電站設(shè)備有限公司 上海汽輪機廠；2.上海汽輪機廠有限公司，上海 200240)

隨著我國能源政策的不斷調(diào)整，國內(nèi)煤電機組逐漸向高參數(shù)、大容量過渡，以降低發(fā)電行業(yè)的總體能耗。但30萬等級機組由于運行靈活、熱電比高和建設(shè)快等優(yōu)點，仍具有一定的發(fā)展前景。為降低供電煤耗，目前均采用超臨界進汽參數(shù)，常規(guī)容量為350 MW。根據(jù)2015—2016年中國電力行業(yè)公開招標的項目分析，超臨界350 MW機組主要市場需求為中小城市采暖供熱、高耗電企業(yè)的自備電廠、部分化工行業(yè)的工業(yè)抽汽用戶。

我國首臺自主設(shè)計的超臨界350 MW機組于2008年12月投運，目前在役的超臨界350 MW機組已超過100多臺，包括空冷/濕冷、純凝/單抽/雙抽等各種機型。經(jīng)過近10年的發(fā)展，對超臨界350 MW機組設(shè)計制造和運行維護等方面都積累了大量的經(jīng)驗，如何進一步提高機組的經(jīng)濟性、安全性和靈活性是汽輪機制造廠的研究方向。針對供汽壓力在1.2～1.5 MPa(本文的壓力值均為絕對壓力)范圍的工業(yè)抽汽機組，提出背壓式給水泵小汽輪機供熱方案，利用小汽輪機排汽對外供熱，以提高機組整體熱利用率和循環(huán)效率。

1 超臨界350 MW汽輪機的供熱設(shè)計現(xiàn)狀

對于純凝及采暖供熱的單抽機組，三大主機廠的汽輪機結(jié)構(gòu)形式大致相同，均采用高中壓合缸，低壓缸雙分流的兩缸兩排汽配置，與亞臨界300 MW機組相同，結(jié)構(gòu)緊湊、成熟可靠。對于采暖抽汽的單抽機組，可在中低壓聯(lián)通管處設(shè)置調(diào)閥，在中壓排汽缸進行調(diào)整抽汽，滿足0.4～1.0 MPa供汽壓力需求，最大抽汽質(zhì)量流量可達550～580 t/h。圖1為典型超臨界350 MW汽輪機高中壓缸的縱剖面圖。

對于抽汽壓力為1.2～1.5 MPa、抽汽質(zhì)量流量大于100 t/h的工業(yè)抽汽，需要在中壓缸設(shè)置專門的壓力調(diào)整裝置。參照以往高壓50 MW和100 MW機組的設(shè)計經(jīng)驗，可采用旋轉(zhuǎn)隔板來實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)。為了布置旋轉(zhuǎn)隔板，中壓部分需要在軸向額外增加0.5～1.0 m，高中壓轉(zhuǎn)子總長增加，軸系設(shè)計很難滿足要求，因此該類機組大多采用高中壓分缸的設(shè)計，機型配置為三缸兩排汽。圖2為典型超臨界350 MW工業(yè)單抽/雙抽汽輪機高中壓缸的縱剖面圖。

圖1 典型超臨界350 MW純凝/采暖供熱汽輪機高中壓缸縱剖面圖Fig.1 Longitudinal section diagram of HP&IP cylinder in typical condensing/heat supply steam turbine of 350 MW supercritical unit

300 MW等級機組的旋轉(zhuǎn)隔板尺寸較大，軸向力大幅增加，同時工作溫度高，純凝及額定抽汽工況的蒸汽溫度為400～420 ℃，在低負荷抽汽工況，蒸汽溫度會達到450 ℃以上，很多電廠在運行一段時間后出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)隔板卡澀，需開缸修復。另外設(shè)置旋轉(zhuǎn)隔板還影響中壓缸效率，與合缸機組相比，中壓缸的實測效率降低1%～2%，純凝工況的熱耗升高20～35 kJ/(kW·h)。針對該情況，尚無有效的改進措施，目前設(shè)計時采用合缸機組在三抽進行非調(diào)整抽汽，當電負荷降低，三抽壓力不能滿足要求時，切換至高壓缸排汽或再熱聯(lián)箱抽汽，熱損失較大。

2 背壓式給水泵小汽輪機供熱研究方案

對于常規(guī)凝汽式小汽輪機(下文簡稱凝汽式小機)，汽源一般來自主機四抽，進汽參數(shù)約為1.0 MPa/350 ℃，排汽至主機凝汽器或自帶凝汽器。

圖3為上海汽輪機廠超臨界350 MW機組采用背壓式給水泵小汽輪機(下文簡稱背壓式小機)供熱方案的熱平衡圖。背壓式小機進汽來自主機再熱蒸汽，進汽參數(shù)為4.6 MPa/566 ℃，排汽參數(shù)為1.2 MPa/380 ℃，可滿足常規(guī)工業(yè)抽汽的參數(shù)要求。在額定工況下，小汽輪機用汽質(zhì)量流量約110 t/h，由于小汽輪機用汽質(zhì)量流量由給水泵負荷決定，無法調(diào)整，不足部分可從主機三抽補充；如果用汽質(zhì)量流量超過用戶需求，多余部分可排至3號高壓加熱器。

在純凝工況下，小汽輪機排汽可以引至5號低壓加熱器，其熱力系統(tǒng)見圖4。由于小汽輪機排汽壓力降低，焓降增大，汽輪機用汽質(zhì)量流量減少，排汽熱量與5號低壓加熱器基本平衡，多余部分可溢流至下一級低壓加熱器。

圖3 背壓式小機供熱方案熱平衡圖——供熱工況Fig.3 Heat balance diagram of backpressure BFPT industrial heat supply scheme — heat supply condition

圖4 背壓式小機供熱方案熱平衡圖——純凝工況Fig.4 Heat balance diagram of backpressure BFPT industrial heat supply scheme — condensing condition

3 經(jīng)濟性比較

針對常規(guī)三抽非調(diào)整抽汽供熱和背壓式小機排汽供熱方案，筆者對不同負荷下供熱工況和純凝工況的經(jīng)濟性進行了比較，相關(guān)計算邊界說明如下：

(1)主機閥門全開(VWO)最大進汽質(zhì)量流量均按1 165 t/h計算。

(2)兩方案在350 MW抽汽工況時高中壓缸進出口參數(shù)、內(nèi)效率均相同，低壓排汽采用相同長葉片。

(3)常規(guī)方案凝汽式小機效率取82%；背壓式小機效率較高，根據(jù)初步設(shè)計，抽汽工況效率取86%，純凝工況由于背壓降低，偏離設(shè)計點，效率取82%。

(4)與凝汽式小機相比，背壓式小機焓降小，當主機負荷降低時，再熱壓力降低，小汽輪機進汽能力和做功能力下降幅度較大，為了匹配給水泵出力與小汽輪機出力，汽輪機部分負荷采用三閥全開滑壓運行。

(5)兩方案的給水泵壓頭、給水泵效率均按給定相同曲線計算，曲線來自實際工程項目。

(6)抽汽參數(shù)取工程上較常見的1.2 MPa/350 ℃/120 t/h，由于兩方案的蒸汽溫度不同，為精確比較，按對外供熱參數(shù)相同計算，對高溫蒸汽進行噴水減溫，減溫水取20 ℃。

3.1 抽汽工況經(jīng)濟性分析

表1給出了兩方案抽汽工況的詳細數(shù)據(jù)，其中熱耗按扣除供汽熱量計算。在出力350 MW工況下，采用背壓式小機排汽供熱的汽輪機熱耗比非調(diào)整抽汽低85.6 kJ/(kW·h)，在經(jīng)濟性上有很大的優(yōu)勢。熱耗降低的原因有：背壓式小機內(nèi)效率比凝汽式小機高4%，影響熱耗約11 kJ/(kW·h)；非調(diào)整抽汽壓力較高，為2.02 MPa，與背壓式小機排汽焓相比，焓值較高,相差112.4 kJ/kg，按兩方案三抽質(zhì)量流量差107.7 t/h計算，折合功率約3.3 MW，影響熱耗約78 kJ/(kW·h)。

表1 兩方案抽汽工況主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of two different schemes in heat supply condition

隨著負荷降低，背壓式小機的用汽質(zhì)量流量逐漸減少，而非調(diào)整抽汽方案的三抽壓力逐漸降低，兩方案的熱耗差值隨之減小。另外，非調(diào)整抽汽方案在210 MW負荷下，三抽壓力已經(jīng)低于1.2 MPa，抽汽切換至主機高壓缸排汽，抽汽溫度低于350 ℃，供熱能力不足。

3.2 純凝工況經(jīng)濟性分析

表2給出了兩方案純凝工況的熱耗數(shù)據(jù)，在315 MW以上負荷，由于小汽輪機排汽質(zhì)量流量超過5號低壓加熱器需要的回熱抽汽質(zhì)量流量，多余部分溢流至6號低壓加熱器，因此汽輪機熱耗比常規(guī)方案高；在315 MW以下負荷，小機排汽質(zhì)量流量可全部用于5號低壓加熱器，回熱系統(tǒng)接近設(shè)計工況，且排汽用于加熱凝結(jié)水，提高了蒸汽的利用率，經(jīng)濟性比常規(guī)方案高。

表2兩方案純凝工況熱耗

Tab.2Heatratesoftwodifferentschemesincondensingcondition

負荷背壓式小機方案非調(diào)整抽汽方案熱耗/(kJ·kW-1·h-1)溢流量/(t·h-1)熱耗/(kJ·kW-1·h-1)熱耗差/(kJ·kW-1·h-1)VWO7 666.614.47 626.640.0350 MW7 674.113.67 647.027.1315 MW7 690.62.1 7 696.0-5.4280 MW7 750.207 774.1-23.8245 MW7 854.107 876.9-22.9210 MW7 986.708 009.3-22.7175 MW8 161.008 183.7-22.8

4 背壓式小機方案可行性

在20世紀60年代前后，美國很多電廠都采用背壓-抽汽式給水泵小汽輪機，當高轉(zhuǎn)速凝汽式小機獲得成熟經(jīng)驗后，背壓-抽汽式給水泵小汽輪機逐漸被取代[1]。近10年來，為降低廠用電率，國內(nèi)很多電廠采用了汽動引風機方案，其中部分汽輪機采用背壓式，排汽至除氧器或低壓加熱器，與本方案類似[2]。隨著多臺背壓式引風機小汽輪機的投運，電廠在系統(tǒng)設(shè)計和運行控制方面均積累了一定的經(jīng)驗[3]。

4.1 主要設(shè)備投資

與常規(guī)非調(diào)整抽汽機組相比，本方案不需要增加額外的主設(shè)備，還可以取消小汽輪機凝汽器，簡化系統(tǒng)，特別適用于空冷機組[4]。背壓式小機進汽為再熱蒸汽，在啟動和低負荷工況，汽源由旁路控制，參數(shù)穩(wěn)定，因此可取消高壓汽源；小汽輪機排汽需設(shè)置切換系統(tǒng)，以滿足不同工況運行需求。

4.2 背壓式小機設(shè)計

與凝汽式小機相比，背壓式小機的進/排汽壓力均大幅提高，雖然蒸汽質(zhì)量流量增加，但進/排汽的體積流量反而減小，進汽體積流量約為凝汽式小機的70%。因此，背壓式小機的葉片高度降低，且進出口參數(shù)變化相對較小，設(shè)計難度降低，通流效率也有較大的提升，設(shè)計工況的效率可達86%。當主機采用三閥全開(即75%進汽度)滑壓運行時，背壓式小機的進口體積流量變化不大，如圖5所示。如果把210 MW抽汽工況作為小機通流能力設(shè)計點，在該負荷以上小機均能保持較高的運行效率；當負荷低于210 MW時，小機的焓降繼續(xù)減小，同時給水泵效率明顯降低，將導致小機用汽質(zhì)量流量增加，在實際運行時，可切除小機排汽供熱，降低排汽壓力，以提高小機的做功能力。

圖5 背壓式小機主要參數(shù)變化Fig.5 Main parameters variation of backpressure BFPT

4.3 機組運行靈活性

本方案的背壓式小機無需提供主機的回熱抽汽，運行特性與凝汽式小機基本相同，機組啟動和停機時，小機排汽可至5號低壓加熱器或除氧器，無需增加額外的設(shè)備。目前，采用汽動引風機的電廠已經(jīng)取得了豐富的運行經(jīng)驗，而給水泵小汽輪機的工況點相對簡單，可以滿足電廠的靈活性要求[5]。

另外，常規(guī)背壓機是以熱定電，發(fā)電量受到供熱量的制約，不能滿足熱電聯(lián)供要求；而現(xiàn)方案的背壓機可通過小汽輪機排汽溢流和主機抽汽補充，實現(xiàn)了與調(diào)整抽汽機組相同的熱電聯(lián)供功能。

5 結(jié) 論

針對超臨界350 MW等級機組，筆者提出了采用背壓式給水泵小機排汽對外供熱的方案，并與常規(guī)三抽非調(diào)整抽汽方案進行了對比。根據(jù)上海汽輪機廠合缸機型的熱力計算結(jié)果，在主機出力350 MW、工業(yè)供汽1.2 MPa/350 ℃/120 t/h工況下，本方案可以降低熱耗85.6 kJ/(kW·h)，折合煤耗約3 g/(kW·h)，經(jīng)濟效益顯著。該方案不需要增加額外的主設(shè)備，無運行控制難點， 具備工程項目可行性，可用于新建機組和現(xiàn)有300 MW、600 MW機組供熱改造，為實現(xiàn)汽輪機工業(yè)供汽提出了新的方向。