機組供熱技術(shù)路線及其影響分析

李國慶，秦 攀，徐 威

（中電華創(chuàng)（蘇州） 電力技術(shù)研究有限公司，江蘇 蘇州 215123）

0 引言

到2018 年末，全國發(fā)電裝機容量已經(jīng)達到了1 900.12 GW，同比增加6.5%。其中，風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電184.27 GW，比2017 年提高12.4%；太陽能并網(wǎng)發(fā)電174.33 GW，較2017 年增長33.7%，新能源發(fā)電裝機合計358.60 GW，占比18.9%。新能源發(fā)電在全國裝機容量中占據(jù)的份額越來越大，而新能源的不穩(wěn)定性也對電網(wǎng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求[1-4]。

供熱機組靈活性改造日益成為消納新能源、實現(xiàn)深度調(diào)峰的重要手段。供熱機組可選擇的改造路線多種多樣，且側(cè)重點也不同。本文將對壓力匹配器、蒸汽減溫減壓、低壓缸零出力等供熱技術(shù)進行介紹，并分析供熱對機組運行的實際影響，為供熱機組靈活性改造提供借鑒參考。

1 供熱技術(shù)路線

1.1 壓力匹配器

壓力匹配器的工作原理是利用高壓蒸汽流經(jīng)噴嘴產(chǎn)生超音速噴射氣流，引射低壓蒸汽，使其壓力升高到設(shè)定值，最后匯成一股蒸汽。壓力匹配器按結(jié)構(gòu)可分為不可調(diào)節(jié)型、可調(diào)節(jié)型、聯(lián)調(diào)型以及多噴嘴型4 種[5]。

壓力匹配器結(jié)構(gòu)簡單，可用部分低品質(zhì)蒸汽替代高品質(zhì)蒸汽，避免節(jié)流降壓、噴水減溫，經(jīng)濟性較好；但壓力匹配器變工況性能較差，當(dāng)高壓蒸汽和低壓蒸汽混合時，可能會發(fā)生高壓蒸汽串入低壓蒸汽的風(fēng)險，且設(shè)備噪聲大，要設(shè)置降噪罩殼。

1.2 蒸汽減溫減壓

減溫減壓裝置是置于蒸汽母管和供熱母管間的設(shè)備，利用節(jié)流降壓、噴水減溫，把高品質(zhì)蒸汽參數(shù)降低至供熱需求值[6]。限制供熱機組調(diào)峰低限的主要條件是機組的最小安全容積流量，抽汽供熱機組運行在最小發(fā)電出力情況時，其最小安全容積流量是個定值，如果供熱需求增加，抽汽量升高，則最小發(fā)電出力也升高。發(fā)電的蒸汽量不會被供熱的蒸汽量影響，僅受限于最小冷卻蒸汽量，從而實現(xiàn)熱電解耦。

蒸汽減溫減壓技術(shù)的主要優(yōu)勢是技術(shù)成熟，安全性高；系統(tǒng)簡單，布置方便；控制精準(zhǔn)，便于輸出。然而對于高品質(zhì)蒸汽，減溫減壓會導(dǎo)致熵增加，不可用能增加，經(jīng)濟性較差。

1.3 低壓缸零出力

“低壓缸零出力”又叫“低壓缸切缸”，指的是中壓缸排汽全部通過供熱管道引出，僅保留少量的冷卻蒸汽進入低壓缸，帶走轉(zhuǎn)子葉片與內(nèi)部工質(zhì)摩擦產(chǎn)生的熱量，從而實現(xiàn)低壓缸不做功、零出力的工作方法[7]。低壓缸零出力增加了機組深度調(diào)峰的能力，機組可以在抽、凝、背3 種運行方式下靈活切換，但改造的同時會導(dǎo)致高真空、低流量下的低壓缸安全性問題（如葉片超溫、水蝕、顫振） 等。

1.4 光軸改造技術(shù)

光軸機組結(jié)構(gòu)如圖1 所示，蒸汽經(jīng)過中壓缸后全部用于供熱，而低壓部分不存在葉片，只保留主軸。由于這根轉(zhuǎn)子僅有主軸而沒有葉片，因此稱為“光軸”。光軸不但需要能很好地傳遞扭矩，還需具有合適的質(zhì)量、剛度，才不會對原軸系力學(xué)特性產(chǎn)生較大的影響。機組在供暖期間以光軸方式工作，在非供暖期處于正常凝汽工況。光軸技術(shù)改造之后不存在低壓轉(zhuǎn)子葉片，蒸汽的焓值不會降低，供熱效果明顯提高[8]。

光軸技術(shù)能最大限度地回收利用排汽熱，使電廠的采暖能力增強，但對軸的要求較高；本體改動大，改造成本高，而且需要停機進行轉(zhuǎn)子切換；調(diào)節(jié)手段單一，負荷隨外網(wǎng)熱負荷而變化；鼓風(fēng)加熱明顯。

1.5 高背壓 （低真空） 改造技術(shù)

高背壓供熱是指在較高的背壓下以排汽方式進行采暖的技術(shù)。機組高背壓運行時背壓壓力升至50 kPa 以上，凝汽器的真空度降低，使得凝結(jié)水溫度達到80～85 ℃，熱網(wǎng)循環(huán)水出入水溫依次為50 ℃及80 ℃左右。對于供熱參數(shù)要求較高的機組，單純提高背壓無法滿足熱網(wǎng)循環(huán)水溫度需求，因此除高背壓（低真空） 改造外還需要進行其他技術(shù)改造，主要有單轉(zhuǎn)子、雙轉(zhuǎn)子互換以及雙背壓3 種改造技術(shù)。單轉(zhuǎn)子技術(shù)適用于夏季純凝負荷不大、供熱期供熱量大的情況；雙轉(zhuǎn)子切換方式指在采暖期使用高背壓轉(zhuǎn)子，非供熱期再恢復(fù)原裝配的轉(zhuǎn)子進行正常純凝運行，避免機組出力以及效率受到影響；雙背壓改造技術(shù)適用于有2 個低壓缸的直接空冷機組[9]。

高背壓技術(shù)主要優(yōu)點是余熱利用，經(jīng)濟效益高；充分利用低品位熱質(zhì)，適合大流量、低熱值供熱；機組以背壓方式運行，冷源損失小，效率高。其主要缺點有投資較大（很多需要設(shè)置小背壓機），對供電有顯著影響；靈活性較差，要求有一定規(guī)模且穩(wěn)定的熱負荷，以熱定電；檢修維護量較大。

1.6 熱泵技術(shù)

吸收式熱泵原理以機組的抽汽作為動力，回收循環(huán)水余熱（低品質(zhì)），用于熱網(wǎng)水升溫。該方式下的高品質(zhì)熱量包括利用的抽汽熱量以及回收的循環(huán)水余熱。熱泵技術(shù)的優(yōu)點是運行方式簡單靈活，適用于溫度需求不高的大流量供水，在生活采暖方面有較明顯的經(jīng)濟收益。另外，部分循環(huán)水還能夠進入冷卻塔冷卻，不需以熱定電運行，對機組出力影響小，增加了一個熱源點，對供熱安全性有一定提升。其缺點是需新建廠房，占地面積較大，投資較大[10]。

1.7 儲能技術(shù)

1.7.1 蓄熱罐供熱

蓄熱罐按照冷水、熱水的分層原理設(shè)計和工作，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。當(dāng)電網(wǎng)用電負荷高、供熱負荷低時，將機組多供的熱量儲存起來；當(dāng)電力負荷較低時，儲熱裝置可將儲存的熱量釋放出來滿足供熱需求，從而降低機組發(fā)電負荷。采用蓄熱罐方案，擴大熱點聯(lián)產(chǎn)機組的運行負荷變化范圍，使得機組在電負荷高熱負荷低的白天進行熱水儲能，夜間用電負荷低供熱負荷高時，用儲能系統(tǒng)進行供熱調(diào)峰，可以在保證供熱負荷的情況下，提高機組運行的靈活性，使得熱電聯(lián)產(chǎn)機組參與調(diào)峰成為可能[11]。

1.7.2 固體蓄熱電鍋爐

在電網(wǎng)低谷調(diào)峰時段或風(fēng)力發(fā)電的棄風(fēng)電時段，接通高壓開關(guān)，高壓電發(fā)熱體（電阻） 將電能轉(zhuǎn)換為熱能，同時被高溫蓄能體吸收。固體蓄熱塊利用控制柜與熱交換器相連，調(diào)整變頻風(fēng)機，可以實現(xiàn)熱交換器連續(xù)不斷地把固體蓄熱塊中的熱量傳遞至熱網(wǎng)循環(huán)水中[12]。

1.7.3 電極鍋爐

電極鍋爐的工作介質(zhì)是具有電導(dǎo)特性的水，水的熱阻比較大，能夠把電能轉(zhuǎn)換為熱量。電極鍋爐的介質(zhì)參數(shù)和汽輪機抽汽參數(shù)相同，利用換熱裝置與熱網(wǎng)循環(huán)水相連，達到汽輪機抽汽和電極鍋爐匹配工作的要求[13]。

2 供熱對機組運行的實際影響

2.1 對機組軸向推力的影響

機組的軸向推力是由壓差造成的，這些壓差存在于轉(zhuǎn)子、軸封以及平衡活塞等部位，如果機組的工作介質(zhì)參數(shù)變化后，各部位的壓力差也會隨之改變，導(dǎo)致軸向推力改變。比如，用高排抽汽供熱，使得機組的正向推力降低，會導(dǎo)致整體的軸向推力趨于負值。要使機組安全穩(wěn)定工作，不存在碰摩事故，就必須確保機組在正常工作時保持相當(dāng)?shù)恼蜉S向推力[14]。

2.2 對高壓缸的影響

高排抽汽供熱方式，使得抽汽部位周圍隔板以及葉片的壓力差變大，導(dǎo)致隔板承受的應(yīng)力變大以及動葉的彎曲應(yīng)力變大，因此高排抽汽供熱需要將這些部件的強度考慮在內(nèi)。在該供熱方式下，高壓缸末級葉片成了整個機組通流部分中最脆弱的部分，彎曲變形會最先達到極限。在此情況下，需保證高壓缸排汽壓力大于安全值。

2.3 低壓末級鼓風(fēng)問題

高排抽汽供熱方式下，進入中壓缸和低壓缸的蒸汽減少，此時可能出現(xiàn)冷卻流量不足現(xiàn)象。因為某一負荷下存在一個安全運行的最大抽汽量，如果在此工況下繼續(xù)增大抽汽量，剩余的蒸汽流量將無法冷卻葉片鼓風(fēng)生成的熱量，會增大葉片的應(yīng)力；而低壓缸葉片比中壓缸葉片和高壓缸葉片長，且越往后葉片越長，鼓風(fēng)產(chǎn)生的熱量越多，受高排抽汽影響越大[15]。

2.4 機組甩負荷安全性問題

甩負荷是熱電聯(lián)產(chǎn)機組安全穩(wěn)定運行的最大威脅，因為機組容量越大其轉(zhuǎn)子容積時間常數(shù)越小，但熱電聯(lián)產(chǎn)機組甩負荷后不利容積增加，動態(tài)超調(diào)量增加，一旦供熱管路的閥門無法正常閉合，供熱蒸汽會被反吸入汽輪機，造成更加嚴重的超速后果。所以，熱電聯(lián)產(chǎn)機組為了增加安全性，通常設(shè)置多層保護措施，抽汽供熱管路上不但有逆止閥和截止閥，還設(shè)置調(diào)節(jié)閥，該調(diào)節(jié)閥具有響應(yīng)迅速的特點，機組一旦發(fā)生甩負荷，逆止閥和調(diào)節(jié)閥會迅速響應(yīng)，降低不利容積的危害。

2.5 對補水除氧系統(tǒng)的影響

對居民供暖情況下，熱網(wǎng)加熱閉式循環(huán)，介質(zhì)損耗較少；工業(yè)供熱情況下，僅有不到1/5 的工質(zhì)被回收，或者由于工質(zhì)不達標(biāo)而外排，為了維持供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，就需補充大量的除鹽水。標(biāo)準(zhǔn)狀況下除鹽水的含氧量在8 000×10-9g/mL左右，而補給水的含氧量在7×10-9g/mL 左右，兩者數(shù)值相差較大。大量補水會使凝結(jié)水的含氧量大幅增加，增加設(shè)備的氧化速度，影響換熱效果，因此在補水進入循環(huán)之前需進行除氧操作。

2.6 鍋爐受熱面影響

抽汽供熱對鍋爐受熱面的影響主要有兩方面。第一，對于高壓抽汽供熱機組，因為是以冷再蒸汽作為熱源，經(jīng)過再熱器的介質(zhì)流量減少，汽輪機負荷不改變情況下會使再熱器壁溫升高，大大增加了管道的疲勞損耗；第二，如果汽輪機負荷不變，而抽汽流量增大，會引起煤耗和煙氣流量的改變，增加的煙氣流量會增加屏式過熱器的傳熱，嚴重時會使壁溫超限，并引起減溫水量增加[16]。

3 結(jié)束語

供熱機組靈活性改造的方法很多，但每種技術(shù)針對的問題不盡相同，在供熱機組靈活性改造方案選擇時，需根據(jù)自身機組的實際情況以及電負荷、熱負荷、改造成本、運行收益等情況進行綜合考慮。