淺談600MW超臨界純凝機(jī)組供熱改造

歐國海

（佛山電建集團(tuán)有限公司，廣東 佛山 528000）

近年來，我國大力推進(jìn)工業(yè)園區(qū)建設(shè)和產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展，工業(yè)園區(qū)、產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)的用熱快速增長，但供熱主要仍以低效分散小鍋爐為主，且大部分為污染嚴(yán)重的燃煤燃油鍋爐，關(guān)停淘汰這些分散供熱鍋爐，有利于解決煙塵和SO2污染等環(huán)保問題。在倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景下，對工業(yè)園區(qū)周邊現(xiàn)有純凝發(fā)電機(jī)組供熱改造，實(shí)行對工業(yè)園區(qū)集中供熱，既符合清潔供熱政策，又增加了電廠的經(jīng)濟(jì)收益。本文以某電廠2×600MW純凝燃煤機(jī)組供熱改造為例，對相關(guān)方面分析探討，旨在為同類型機(jī)組改造提供參考。

1 機(jī)組概況

該電廠總裝機(jī)容量為2×600MW超臨界純凝燃煤發(fā)電機(jī)組。1#&2#汽輪機(jī)型號為N600—24.2/566/566，是超臨界、中間一次再熱、三缸四排汽、單軸、凝汽式汽輪機(jī)，采用8段非調(diào)節(jié)抽汽。1#&2#鍋爐是超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛，一次中間再熱，四角切圓燃燒方式，平衡通風(fēng)，全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)Π型露天布置、固態(tài)排渣，鍋爐定壓運(yùn)行額定工況（ECR）和最大連續(xù)負(fù)荷工況（BMCR）的主要參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐的主要參數(shù)

2 供熱負(fù)荷現(xiàn)狀

目前，距離某電廠8公里的中國（三水）國際水都飲料食品基地（下稱“水都基地”）有14家用汽企業(yè)，平均用汽量已達(dá)到80t/h，用汽峰值約160t/h，預(yù)計未來用汽量將持續(xù)攀升，平均用汽量將達(dá)到100t/h，峰值將達(dá)到200t/h，年用汽量約65萬t，水都基地的企業(yè)對蒸汽參數(shù)需求溫度均不大于300℃、壓力均不大于1.8Mpa。這樣，電廠機(jī)組經(jīng)過合理改造，實(shí)現(xiàn)集中供熱是能滿足水都基地供汽要求的。

3 供熱改造的抽汽技術(shù)

供熱改造的抽汽技術(shù)有光軸供熱改造抽汽、打孔抽汽、利用壓力匹配器抽汽等多種技術(shù)，電廠可結(jié)合供熱負(fù)荷的實(shí)際運(yùn)行情況，因地制宜，按機(jī)選型，以保證機(jī)組改造的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 光軸供熱改造抽汽技術(shù)

光軸供熱改造就是將純凝汽輪機(jī)改成高背壓式供熱機(jī)組，拆除低壓轉(zhuǎn)子，更換成一根無葉片的光軸，光軸連接高中壓轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)，起到傳遞扭矩的作用。主蒸汽由高壓主汽門、高壓調(diào)節(jié)汽門進(jìn)入高中壓缸做功，通過新增的管路將中壓排汽全部引出接入供熱母管。采用此技術(shù)的供熱蒸汽壓力為1.0MPa以下，其優(yōu)點(diǎn)是能盡量多地回收乏汽余熱量，可實(shí)行較大范圍供熱，但汽輪機(jī)要做較多的匹配性技術(shù)改造，解決相關(guān)問題，如低壓轉(zhuǎn)子改造要解決改造后的轉(zhuǎn)子重量、臨界轉(zhuǎn)速要與原低壓轉(zhuǎn)子接近等問題，以免發(fā)生汽輪機(jī)振動故障；又如在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，光軸與低壓缸里的蒸汽發(fā)生摩擦，產(chǎn)生鼓風(fēng)熱量，容易出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，這需要解決引入冷卻蒸汽問題。

3.2 打孔抽汽技術(shù)

打孔抽汽技術(shù)就是在過熱器出口管道、再熱冷段、再熱熱段、中低壓連通管等位置開孔抽汽，過熱器出口打孔抽汽的供熱蒸汽壓力為4.0MPa等級，再熱冷段、再熱熱段管道打孔抽汽供熱蒸汽壓力為1.0～2.5MPa，中低壓連通管打孔抽汽供熱蒸汽壓力為1.0MPa以下。根據(jù)供汽要求，選擇在相應(yīng)位置開孔引出蒸汽支管，將抽出的高溫蒸汽減溫減壓后接入供熱母管。打孔抽汽屬非調(diào)整抽汽，其供熱參數(shù)隨機(jī)組電負(fù)荷變化，需經(jīng)汽輪機(jī)外部的減溫器調(diào)節(jié)，才能滿足供汽要求。

3.3 利用壓力匹配器抽汽技術(shù)

壓力匹配器的基本原理和蒸汽噴射壓縮器相同，將高于供汽壓力的抽汽(一般從再熱冷段或熱段抽汽)作為驅(qū)動蒸汽，引射低于供汽壓力的抽汽(一般從中低壓連通管或從中壓缸排汽口抽汽)，兩種蒸汽混合后輸入供熱母管。為了適應(yīng)抽汽供熱要求，與汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門的噴嘴調(diào)節(jié)相似，壓力匹配器采用多噴嘴結(jié)構(gòu)，根據(jù)外供汽量的大小，調(diào)整噴嘴開啟的數(shù)量及開度，以保證在外供汽量變化時，壓力匹配器能保持較高的效率。此技術(shù)屬可調(diào)整抽汽，在汽輪機(jī)內(nèi)部能調(diào)節(jié)供熱參數(shù)。

4 供熱改造方案

該電廠供熱改造方案應(yīng)遵循以下原則：（1）抽取蒸汽不影響機(jī)組正常發(fā)電且要滿足供汽要求，抽汽參數(shù)盡可能接近用汽參數(shù)；（2）盡量避免主機(jī)的改造；（3）供熱管線布置不影響正常運(yùn)行及檢修，于主機(jī)的接口及過渡利用機(jī)組的大、小修期間完成。因此，該電廠不采用光軸供熱改造抽汽技術(shù)，在選擇采取打孔抽汽還是利用壓力匹配器抽汽時進(jìn)行如下分析。

如果采用打孔抽汽，根據(jù)水都基地供汽要求，就要從高溫再熱器后的再熱熱段管道（蒸汽壓力為4.17MPa，蒸汽溫度為566℃）上開孔抽汽，采用此技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡單，控制、調(diào)節(jié)及布置方便。缺點(diǎn)是屬非調(diào)整抽汽，將高品質(zhì)的熱源蒸汽直接減溫減壓至低品質(zhì)蒸汽，熱經(jīng)濟(jì)性較差；減溫器及其進(jìn)汽之前的管道、閥門等設(shè)備材料要選用耐高溫高壓的耐熱鋼，以及開孔、焊接等部位要按照技術(shù)規(guī)范進(jìn)行熱處理，才能滿足安全要求，改造費(fèi)用相對高；采用再熱熱段抽汽供熱，會引起再熱器受熱面內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流速上升，換熱效果增強(qiáng)，再熱器容易超溫，這會影響鍋爐的安全運(yùn)行。如果利用壓力匹配器抽汽，根據(jù)水都基地供汽要求，可引再熱冷段蒸汽作為驅(qū)動蒸汽，引射中壓缸排汽，這樣引汽溫度相對再熱熱段開孔抽汽溫度要低，所取用的管道、閥門等設(shè)備材料可用低合金鋼即可，焊接工藝簡單，改造工作量小，運(yùn)行靈活，調(diào)節(jié)范圍大，缺點(diǎn)是從再熱冷段抽汽，使進(jìn)入再熱器的蒸汽量減少，再熱器容易超溫，影響鍋爐的安全運(yùn)行，這與打孔抽汽相類似。

經(jīng)過計算論證（在這不詳述）以及結(jié)合上述的分析，該電廠最終采取了利用壓力匹配器混合高排蒸汽+三段抽汽改造方案（改造系統(tǒng)簡圖如圖1所示），即利用高壓缸排汽（再熱冷段蒸汽）作為壓力匹配器驅(qū)動蒸汽，引射機(jī)組的三段抽汽，將混合蒸汽輸送到供熱母管，供汽最高壓力可達(dá)1.8MPa，最高溫度可達(dá)300°C，2×600MW機(jī)組最大供熱蒸汽量可達(dá)200t/h。從機(jī)組THA工況熱平衡圖查到的蒸汽參數(shù)（如表2所示）可知，在50%及以上負(fù)荷工況通過噴嘴調(diào)節(jié)均可滿足水都基地供熱蒸汽參數(shù)要求。

表2 600MW汽輪機(jī)純凝工況蒸汽參數(shù)

圖1 改造系統(tǒng)簡圖

5 改造實(shí)施與解決問題

5.1 主要的蒸汽管道配置

在每臺機(jī)組的冷再熱蒸汽管道各引出一根蒸汽管道（OD273×6.5），作為驅(qū)動蒸汽分別接入壓力匹配器。每臺機(jī)組的三段抽汽管道各引出一根蒸汽管道（OD219×8），作為引射蒸汽分別接入壓力匹配器。壓力匹配器由多芯針型調(diào)節(jié)閥、壓力匹配器本體、可變噴嘴調(diào)節(jié)水閥、減溫器本體等模塊組合。壓力匹配器出口管道（OD325×7.5）在T3轉(zhuǎn)運(yùn)站附近合并為一根蒸汽管道（OD426×9），經(jīng)廠區(qū)新建管架與廠外供熱蒸汽管道相接。

5.2 主要的閥門配置

高排蒸汽出口至壓力匹配器入口按介質(zhì)流向依次設(shè)置快關(guān)閥、止回閥，三段抽汽出口至壓力匹配器入口按介質(zhì)流向依次設(shè)置快關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥、止回閥，在高排蒸汽出口止回閥后接出一路作為壓力匹配器的旁路接至減溫器入口。壓力匹配器出口至供熱母管的管道上按介質(zhì)流向依次設(shè)置流量計、電動截止閥。

為防止汽輪機(jī)超速和進(jìn)水，當(dāng)鍋爐MFT或熱網(wǎng)事故時，應(yīng)立即隔斷機(jī)組與熱網(wǎng)的聯(lián)系，因此，抽汽管道上設(shè)置快關(guān)閥和止回閥?？礻P(guān)閥是機(jī)組的一級保護(hù)，止回閥主要用于汽輪機(jī)超速保護(hù)，同時兼作防止汽機(jī)進(jìn)水的二級保護(hù)。三段抽汽出口調(diào)節(jié)閥主要對蒸汽的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5.3 供熱蒸汽凝結(jié)水補(bǔ)水及除氧的問題

單臺機(jī)組供熱改造凝結(jié)水補(bǔ)水量為100t/h，由化水補(bǔ)入凝結(jié)水補(bǔ)水箱，再通過補(bǔ)水泵補(bǔ)入凝汽器，在凝汽器B(LP)喉部增設(shè)一套補(bǔ)水裝置，以達(dá)到凝結(jié)水補(bǔ)水的除氧目的。

該電廠已按純凝工況建成鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)，系統(tǒng)水源為西江水，系統(tǒng)出力為101m3/h。系統(tǒng)出力不能滿足機(jī)組供熱工況的要求，需另外建設(shè)一套鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)，系統(tǒng)出力要滿足機(jī)組供熱量的需求，即出力按照200m3/h設(shè)計，并配置2臺500m3的除鹽水箱。這樣聯(lián)合已有的鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)，總出力為301t/h，除鹽水箱容量為2×3000+2×500=7000m3。設(shè)備出力和除鹽水箱的配置可以滿足2×600MW機(jī)組啟動、事故和純凝工況及供熱工況的補(bǔ)水需求。

5.4 再熱冷段抽汽易引起再熱器超溫的問題

從再熱冷段抽汽會使進(jìn)入再熱器的蒸汽量減少，容易引起再熱器超溫，影響運(yùn)行安全。參照某660MW超超臨界鍋爐再熱蒸汽允許最大抽取量的計算方法，可知該電廠單臺機(jī)組在100%負(fù)荷時的再熱冷段最大抽汽量100t/h、在75%負(fù)荷時的再熱冷段最大抽汽量50t/h、在50%負(fù)荷時的再熱冷段最大抽汽量25t/h均不會引起再熱器超溫，再熱器壁溫均具有一定溫度安全裕量。但在實(shí)際運(yùn)行中，特別是在機(jī)組連續(xù)加負(fù)荷、啟動或停運(yùn)磨煤機(jī)操作等工況擾動時，再熱器難免出現(xiàn)超溫，此時，運(yùn)行人員可根據(jù)鍋爐自身的汽溫調(diào)方式，將再熱器煙氣擋板關(guān)至最小開度10%，讓部分煙氣旁路過部分再熱器管，降低過熱度，也可以采用事故噴水減溫。

5.5 供熱改造效果

供熱改造完成后，該電廠2×600MW機(jī)組在2020年的年供汽量為60萬t，年發(fā)電量為502758.80萬kWh，年總用煤量為1569000萬t，供電標(biāo)煤耗為301.35g/kWh，對比純凝發(fā)電機(jī)組時的供電標(biāo)煤耗311.91g/kWh，煤耗降低了10.56g/kWh，改造后每臺機(jī)組每年可節(jié)約標(biāo)煤32950t。

6 結(jié)語

利用壓力匹配器抽汽進(jìn)行供熱改造，將600MW純凝燃煤機(jī)組改變?yōu)闊犭娐?lián)產(chǎn)機(jī)組，成功實(shí)行了對周邊工業(yè)園區(qū)集中供熱，既降低了廠發(fā)電煤耗，增加了發(fā)電企業(yè)收益，又對當(dāng)?shù)氐墓?jié)能減排有貢獻(xiàn)，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、社會等方面效益顯著。