350 MW 超臨界供熱機組靈活性改造探索及實踐

王 健 ，原樹峰 ，

（1.山西漳電蒲洲熱電有限公司，山西 永濟 044500；2.山西漳電科學技術(shù)研究院，山西 太原 030031）

0 引言

近年來，我國的風電、光伏等新能源裝機容量發(fā)展迅速，電力系統(tǒng)現(xiàn)有的調(diào)節(jié)能力難以滿足新能源消納的需求，不少地區(qū)出現(xiàn)了棄風、棄光現(xiàn)象。尤其在采暖季節(jié)電網(wǎng)調(diào)峰與保供熱、保新能源消納之間的矛盾更加突出，亟須傳統(tǒng)的抽汽供熱機組通過技術(shù)改造既滿足供熱的需求，又具備一定的調(diào)峰能力[1-2]。隨著清潔取暖工程的持續(xù)實施，集中供熱面積不斷擴大，必將使當前原本緊張的熱電矛盾更加惡化。這就需要電網(wǎng)必須配套足夠的調(diào)峰調(diào)頻容量，以保證電網(wǎng)靈活調(diào)度和安全穩(wěn)定運行[3-4]。為此，開展供熱機組靈活性改造探索及實踐具有重要意義。

本文以某臺350 MW 超臨界供熱機組為例，介紹靈活性改造的方案及試驗情況。

1 某電廠超臨界供熱系統(tǒng)簡介

某電廠建設有2×350 MW 超臨界直接空冷抽汽式機組。2 臺機組分別于2015 年12 月、2016年3 月投入商業(yè)運行。鍋爐是哈爾濱鍋爐廠制造的HG-1205/25.4-YM1 型超臨界參數(shù)變壓運行直流爐、單爐膛、一次再熱、平衡通風、半露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π 型鍋爐。汽輪機是哈爾濱汽輪機廠制造的CZK350/327-24.2/0.40/566/566 型超臨界、兩缸兩排汽、一次中間再熱、單抽供熱直接空冷凝汽式汽輪機，額定供熱抽汽量350 t/h。發(fā)電機是東方電機有限公司制造的QFSN-350-2-20 型三相兩極同步發(fā)電機，采用水氫氫冷卻方式，勵磁方式采用自并勵靜止勵磁系統(tǒng)。

該電廠主要承擔當?shù)爻菂^(qū)約720 萬m2的集中采暖供熱和部分工業(yè)供汽。2018 年—2019 年采暖季該電廠單機運行在60%額定負荷以上時可以滿足供熱需求?，F(xiàn)有的采暖供熱設備有2 臺熱網(wǎng)加熱器和8 臺溴化鋰吸收式熱泵，熱泵以五段抽汽為驅(qū)動蒸汽，提取汽輪機的乏汽余熱用于供暖。需要的汽源分別為：抽汽 [0.3～0.4 MPa（絕對壓力），190 t/h]和乏汽 [8 kPa（絕對壓力），120 t/h]。2 臺機組各裝有1 臺高溫再熱減溫減壓器，全廠共2 臺，正常運行可產(chǎn)生1.2 MPa（表壓）、65 t/h蒸汽。2 臺機組各裝有1 臺一段抽汽減溫減壓器，全廠共2 臺，正常運行可產(chǎn)生1.5 MPa（表壓）、35 t/h 蒸汽。

2 超臨界供熱機組改造方案

本次改造的目標是在保證供熱的同時使機組能安全平穩(wěn)降至30%額定負荷。根據(jù)供熱現(xiàn)狀，采用了旁路供汽+低壓缸靈活出力+熱泵供熱方案。機組在30%額定負荷工況運行時，鍋爐蒸發(fā)量除了滿足汽輪機發(fā)電用汽之外，額外產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)減溫、減壓至不同的用汽參數(shù)提供給不同工業(yè)用戶，采暖供熱通過連通管低壓調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)實現(xiàn)五段抽汽和乏汽滿足熱泵運行。采暖供熱下滿足鍋爐蒸發(fā)量520 t/h 時，單機可滿足采暖供汽190 t/h+乏汽120 t/h和工業(yè)供汽80 t/h，供熱功率為144 MW，電負荷為105 MW。改造主要包括以下幾部分。

2.1 供熱調(diào)節(jié)閥改造

目前，中低壓缸聯(lián)通管上的供熱調(diào)節(jié)閥在全關狀態(tài)時，漏汽量在200 t/h 以上，不能滿足低壓缸靈活出力的要求。通過改造供熱調(diào)節(jié)閥，縮小閥芯與閥座間隙，使其漏汽量在全關狀態(tài)達到120 t/h。

2.2 高壓旁路閥改造

高壓旁路閥調(diào)節(jié)性能不能滿足技術(shù)要求，需對其閥芯、閥座進行改造，使其調(diào)節(jié)性能達到線性特性。

2.3 低壓旁路系統(tǒng)改造

在30%額定負荷工況下，五段抽汽量不能滿足要求，須通過低壓旁路系統(tǒng)對采暖系統(tǒng)供汽。低壓旁路系統(tǒng)改造范圍為高溫再熱蒸汽至采暖供汽系統(tǒng)加裝1 套減溫減壓器及低壓旁路閥改造。

2.4 汽輪機本體改造

根據(jù)哈爾濱汽輪機廠現(xiàn)階段的技術(shù)配合，使用旁路系統(tǒng)改造進行供熱，為了保證再熱系統(tǒng)蒸汽流速不超速，中壓調(diào)節(jié)閥必須參與調(diào)節(jié)，維持高溫再熱蒸汽的抽汽壓力以滿足用汽參數(shù)要求。因汽輪機的中壓調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)性能不能滿足技術(shù)要求，需對閥芯與閥座間隙進行改造。

本次改造在3 號機組進行，改造后機組熱力系統(tǒng)如圖1 所示（圖中圈住部分為本次改造和新增部分）。

改造后3 號機組在30%額定負荷工況下，中壓缸排汽分為兩部分蒸汽，一部分蒸汽 [0.3 MPa（絕對壓力），190 t/h]進入抽汽供熱系統(tǒng)，另一部分蒸汽進入低壓缸做功，大部分乏汽進入熱泵（8 kPa（絕對壓力），120 t/h） 系統(tǒng)，其余進入空冷系統(tǒng)；兩部分蒸汽量通過中低壓缸聯(lián)通管上的供熱調(diào)節(jié)閥合理分配，保證抽汽參數(shù)和乏汽流量、供熱抽汽量不足部分通過低壓旁路系統(tǒng)補充，滿足采暖需求。高壓旁路系統(tǒng)的蒸汽分為兩部分，一部分蒸汽經(jīng)再熱后進入工業(yè)供汽系統(tǒng)（60 t/h），可以滿足目前用戶需求；另一部分蒸汽進入輔汽系統(tǒng)，供電廠生活區(qū)采暖，高壓旁路開度根據(jù)供汽量來調(diào)節(jié)。

3 改造后機組調(diào)整試驗情況

為了保證機組在改造后能安全穩(wěn)定運行，改造方案實施后開展了以下試驗工作。

3.1 旁路供熱試驗

逐步調(diào)整低壓旁路至供熱蝶閥和低旁閥進行旁路供熱，過程中應注意高溫再熱蒸汽壓力會隨低壓旁路供熱量的增大而下降，此時為了達到主再熱蒸汽的流量平衡，需要高壓旁路閥進行再熱流量的調(diào)整。

3.2 中聯(lián)門參調(diào)試驗

旁路供熱時隨著高溫再熱蒸汽壓力的下降，低溫再熱蒸汽壓力也會隨之下降，將會引起低溫再熱蒸汽管道蒸汽流速超速，這時需要中聯(lián)門參與調(diào)節(jié)。在中聯(lián)門關閉過程中，中聯(lián)門的關閉會導致中壓缸單側(cè)進汽，需要密切監(jiān)視高壓缸排汽溫度，高壓缸排汽壓力，汽輪機本體振動、瓦溫、軸移、脹差等相關參數(shù)。

3.3 低壓缸靈活出力試驗

試驗時逐步關小低壓缸進汽蝶閥，調(diào)節(jié)過程中熱網(wǎng)抽汽流量會逐步增加，當熱網(wǎng)抽汽量大于熱網(wǎng)系統(tǒng)需汽量時，適當降低機組負荷，達到熱網(wǎng)抽汽量與需汽量的平衡。期間需嚴密監(jiān)視低壓缸排汽溫度的變化。

3.4 熱泵適應性試驗

試驗時逐步降低機組背壓，觀察熱泵的運行狀況。通過計算熱網(wǎng)循環(huán)水溫升及低壓缸排汽參數(shù)，確定熱泵吸收乏汽量，確定熱泵系統(tǒng)最佳運行背壓。

3.5 聯(lián)合運行試驗

在保證工業(yè)抽汽量和熱泵運行壓力為最佳運行背壓下，逐步關小低壓缸進汽蝶閥，此時熱網(wǎng)抽汽量會隨之增加，達到熱網(wǎng)需求量后，逐步減小機組負荷。在熱網(wǎng)抽汽量不足時，逐步投入低壓旁路供熱系統(tǒng)，直到機組負荷降低至105 MW（30%額定負荷）。

4 調(diào)試中出現(xiàn)的問題及處理

2019 年12 月6 日，經(jīng)過降低運行背壓，逐步關小低壓缸進汽蝶閥，降低鍋爐蒸發(fā)量，使機組發(fā)電負荷在滿足工業(yè)供汽及最大供熱量的同時安全平穩(wěn)地下降至104.2 MW，在滿足供熱需求的同時，達到了靈活性改造機組的深度調(diào)峰要求。

在機組試運過程中出現(xiàn)了低壓缸排汽溫度、背壓等異常現(xiàn)象，通過參數(shù)調(diào)整和運行方式的優(yōu)化保證了機組的安全平穩(wěn)運行。

4.1 低壓缸減小出力過程中排汽溫度異常升高現(xiàn)象的分析處理

在低壓缸靈活出力試驗過程中，機組運行負荷為175 MW，環(huán)境溫度為3 ℃，第1、第5、第6 列空冷散熱單元處于解列狀態(tài)，第2、第3、第4 列正常投入情況下，通過調(diào)整空冷風機頻率，使機組背壓維持在10 kPa，再逐步關小中低壓連通管蝶閥。當該蝶閥關至12%時，機組負荷降至140 MW，低壓缸進汽量約190 t/h 時，低壓缸排汽溫度上升到72.7 ℃（80 ℃報警）。

檢查發(fā)現(xiàn)五段、六段抽汽管道疏水氣動門全部打開，造成低壓缸做功蒸汽減少。低壓缸排汽溫度異常升高的主要原因是在小容積流量工況下，蒸汽流量不能帶走葉片鼓風產(chǎn)生的熱量[5-6]。立即投入低壓缸噴水減溫，關閉五段、六段抽汽管道疏水閥，對低壓疏水閥聯(lián)開邏輯進行優(yōu)化，降低機組背壓，合理調(diào)節(jié)中低壓連通管蝶閥開度。采取以上措施逐步調(diào)整后，在低壓缸噴水減溫不投入的情況下，低壓缸排汽溫度維持在正常范圍內(nèi)。

4.2 低壓缸減小出力過程中背壓異常升高現(xiàn)象的分析處理

繼續(xù)降負荷至122 MW，鍋爐已達最低穩(wěn)燃狀態(tài)，中低壓連通管蝶閥關至2%，低壓缸進汽流量約為130 t/h，背壓5 kPa?？绽鋶u2 號、3 號、4 號列18 臺空冷風機頻率突然升高至滿頻50 Hz，投運1 號、5 號列空冷風機后背壓依然持續(xù)上升，立即對系統(tǒng)進行檢查，發(fā)現(xiàn)熱網(wǎng)首站6 臺熱泵跳閘，熱網(wǎng)首站2 臺加熱器抽汽量已達最大流量180 t/h，熱網(wǎng)供熱溫度逐步降低。

熱泵跳閘的主要原因是機組背壓5 kPa 低于熱網(wǎng)首站熱泵安全運行所需背壓（8 kPa），造成熱泵退出運行，大量乏汽進入空冷島，致使大量空冷乏汽不能凝結(jié)，空冷島熱負荷短時間增大，在機組背壓投入自動的情況下，空冷風機頻率逐步增大至滿頻50 Hz 仍不能滿足乏汽冷卻的需求，出現(xiàn)了機組背壓持續(xù)上升現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)異常后及時投入1 號、5 號、6 號列空冷風機運行，將中低壓連通管蝶閥緩慢開大，增大低壓缸進汽流量，并逐步投運熱網(wǎng)首站熱泵運行，然后根據(jù)空冷凝結(jié)管束溫度再逐步退出部分空冷風機運行，隨后城市供熱溫度逐步恢復正常。

5 結(jié)束語

某350 MW 超臨界供熱機組靈活性改造方案實施后進行了專項調(diào)整試驗，并針對試驗中遇到的一些問題進行了分析處理，通過參數(shù)調(diào)整和運行方式的優(yōu)化，使機組安全平穩(wěn)地降至30%額定負荷，在保證供熱的同時達到機組深度調(diào)峰的要求，對供熱機組靈活性改造的推廣具有借鑒意義。