超臨界間接空冷機組乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)改造分析

俎海東，魏 超，焦曉峰

（內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

熱電聯(lián)產供熱機組的供熱主要有抽汽供熱和排汽余熱供熱兩種方式。抽汽供熱是最常見的供熱方式，但利用高品位蒸汽進行供熱不符合能量梯級利用的原則，降低了?效率。近年來，以高背壓供熱為代表的排汽余熱供熱技術被廣泛應用，該技術有效利用了汽輪機的排汽余熱，提高了機組的熱效率，通過避免冷源損失實現了節(jié)能減排。

本文以某超臨界間接空冷機組乏汽外引高背壓供熱為例，闡述系統(tǒng)原理及改造情況，分析系統(tǒng)運行狀況、供熱能力等，為同類機組提供參考[1-5]。

1 機組概況

某超臨界間接空冷機組汽輪機為CJK350-24.2/0.4/566/566型超臨界、一次中間再熱、采暖調整抽汽、兩缸兩排汽、間接空冷、凝汽抽汽式機組。凝汽器為N-22000型單殼體、對分、雙流程表面式凝汽器，平均背壓10 kPa。汽動給水泵汽輪機排汽直接排入凝汽器。汽輪機排汽冷卻采用表面凝結式間接空冷系統(tǒng)，配置1座自然通風間接冷卻塔、3臺循環(huán)水泵，形成閉式循環(huán)。

機組原供熱系統(tǒng)采用汽輪機五段抽汽至熱網加熱器來加熱熱網循環(huán)水，設計額定采暖抽汽工況時背壓8 kPa，抽汽壓力0.4 MPa，抽汽量380 t/h，低壓缸排汽量296 t/h；設計最大采暖抽汽工況時背壓8 kPa，抽汽壓力0.4 MPa，抽汽量550 t/h，低壓缸排汽量135 t/h。為了提高機組供熱能力，改善供熱經濟性，對機組進行了乏汽外引高背壓供熱改造。

2 系統(tǒng)改造原理與方法

2.1 改造原理

改造后的機組乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)示意圖如圖1所示。通過提高汽輪機背壓，在凝汽器喉部開孔外引回收汽輪機排汽，利用乏汽余熱提高機組供熱能力和經濟性。乏汽采用兩級加熱系統(tǒng)加熱熱網循環(huán)水，第一級為乏汽直接在前置凝汽器內加熱熱網循環(huán)水；第二級采用增汽機技術，利用增汽機引射乏汽后在增汽機凝汽器內繼續(xù)加熱熱網循環(huán)水。

圖1 機組乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)示意圖

供暖期間，機組優(yōu)先使用乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)，汽輪機提高排汽參數運行，設計最高背壓為36.5 kPa。額定供熱工況下，溫度為55℃的熱網循環(huán)水回水經前置凝汽器利用乏汽直接加熱至70.7℃后，再經增汽機凝汽器利用增汽機引射乏汽繼續(xù)加熱至85.2℃，最后在熱網加熱器內加熱后供至城市熱力供熱網。

2.2 改造方法

（2）在機組供熱抽汽管道上引接一路蒸汽至增汽機入口，作為增汽機動力蒸汽引射部分外引乏汽。新增增汽機凝汽器和前置凝汽器凝結水管道及閥門，實現凝結水由增汽機凝汽器至前置凝汽器再至汽輪機凝汽器逐級自流。

（3）新增增汽機凝汽器和前置凝汽器抽真空管道及閥門，并與汽輪機凝汽器抽真空管道連接。

（4）新增乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)熱網循環(huán)水管道及相關水泵、閥門、濾水器，將熱網循環(huán)水回水引入系統(tǒng)加熱，然后將熱網循環(huán)水供至熱網加熱器加熱。

（5）升級改造機組凝結水精處理等輔助系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)運行調整

3.1 主要設備運行調整

前置凝汽器外引汽輪機乏汽主要通過前置凝汽器和汽輪機凝汽器的壓差來實現。正常情況下，進入前置凝汽器的熱網循環(huán)水溫度和流量在短時間內相對穩(wěn)定，通過調節(jié)進入汽輪機凝汽器的循環(huán)水溫度和流量來提高汽輪機背壓[6-8]，使乏汽在壓差作用下進入冷卻效果更好的前置凝汽器。

增汽機凝汽器外引汽輪機乏汽主要通過增汽機引射作用來實現，通過調節(jié)增汽機開度來增大增汽機引射作用，使乏汽在引射作用下進入增汽機凝汽器來加熱熱網循環(huán)水。

式(5)說明，損失規(guī)避性購電商的期望效用是(風險中性時的)期望利潤和損失規(guī)避特性帶來的期望效用損失的和。購電商的目標是給定批發(fā)價格下，確定最優(yōu)購電量使其期望效用最大。

增汽機是基于拉法爾噴嘴原理，采用供熱抽汽作為動力蒸汽抽取乏汽并壓縮升壓，乏汽品位（飽和溫度）提高后進入增汽機凝汽器加熱熱網循環(huán)水。增汽機為可調式增汽機，即增汽機的喉部噴嘴是可調節(jié)的，執(zhí)行機構帶動噴嘴閥頭前進與后退，從而達到調節(jié)噴嘴閥通流面積的效果，以調節(jié)動力蒸汽量來引射乏汽。

3.2 系統(tǒng)運行方式及調整方法

供熱初期對熱網循環(huán)水供水溫度要求較低，系統(tǒng)可采用增汽機未投運方式運行。供熱后期熱網循環(huán)水對供水溫度的要求較高，系統(tǒng)可采用增汽機投運方式運行。極寒供熱期可進一步投運抽汽供熱系統(tǒng)，以滿足熱網循環(huán)水供水溫度要求[9-10]。

3.2.1 增汽機未投運方式

該方式下，前置凝汽器壓力主要取決于前置凝汽器入口熱網循環(huán)水溫度和流量，增汽機凝汽器壓力主要取決于增汽機凝汽器入口熱網循環(huán)水溫度和流量。系統(tǒng)運行過程中通過調節(jié)汽輪機背壓，使其與前置凝汽器、增汽機凝汽器壓力存在一定壓差，從而達到外引乏汽、加熱熱網循環(huán)水的目的。

由于熱網循環(huán)水先在前置凝汽器被加熱，后在增汽機凝汽器被加熱，因此系統(tǒng)穩(wěn)定投運后增汽機凝汽器壓力要高于前置凝汽器壓力。

系統(tǒng)熱網循環(huán)水出水溫度主要取決于乏汽溫度和壓力，即出水溫度的極限值為乏汽溫度或壓力對應的飽和溫度[11-13]。因此要提高系統(tǒng)熱網循環(huán)水出水溫度，需通過提高汽輪機背壓來實現；當汽輪機背壓無法進一步提高時，若想進一步提高系統(tǒng)熱網循環(huán)水出水溫度，則需投運增汽機。

3.2.2 增汽機投運方式

該方式下，由于增汽機的投運，部分乏汽會隨增汽機動力蒸汽引射進入增汽機凝汽器進行凝結換熱，部分乏汽在壓差作用下會進入前置凝汽器進行凝結換熱，隨著增汽機動力蒸汽量的增加，增汽機引射乏汽量也會增加。

在前置凝汽器最大出力投運基礎上，該方式下系統(tǒng)熱網循環(huán)水出水溫度主要取決于增汽機出口蒸汽溫度和壓力，即出水溫度的極限值為增汽機出口蒸汽溫度或壓力對應的飽和溫度。而系統(tǒng)運行過程中，需通過調節(jié)增汽機開度增大增汽機動力蒸汽量和引射乏汽量，提高增汽機出口蒸汽壓力和溫度。因此如果要提高系統(tǒng)熱網循環(huán)水出水溫度，需通過增大增汽機執(zhí)行器開度來實現。

3.2.3 間接空冷及循環(huán)水系統(tǒng)運行調整

機組間接空冷及循環(huán)水系統(tǒng)配置了3臺定速循環(huán)水泵和6個冷卻扇區(qū)，綜合考慮節(jié)能和系統(tǒng)運行安全性、靈活性，采用至少1臺循環(huán)水泵運行和至少3個扇區(qū)運行方式。運行期間主要依靠調節(jié)冷卻扇區(qū)百葉窗開度來控制汽輪機背壓，但應保證特殊情況下機組背壓能夠安全、及時和靈活調整，否則需增加運行冷卻扇區(qū)數量或運行循環(huán)水泵數量[14-17]。

3.3 系統(tǒng)運行調整中出現的問題及解決措施

3.3.1 主要問題及解決措施

不同電負荷工況下，系統(tǒng)運行過程中出現了提高機組背壓引起運行參數超限問題，主要有給水泵汽輪機排汽溫度高超限（制造廠規(guī)定高限值為100℃）及給水泵汽輪機出力不足、綜合閥位高超限（制造廠規(guī)定綜合閥位高限值為62%）等，如圖2所示。由于系統(tǒng)運行調整過程中參數變化具有緩變、延遲等特點，圖中數據僅作為定性分析參考。由圖2可見，現有條件下，機組電負荷工況在250~300 MW基本可以保證汽輪機背壓在33 kPa及以上運行。

圖2 機組不同電負荷下汽輪機最高背壓及出現的相應問題

針對上述問題，制訂了以下解決措施：

（1）乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)投運期間，機組負荷盡量維持250~300 MW穩(wěn)定運行。同時，重點監(jiān)視給水泵汽輪機排汽溫度、綜合閥位參數，必要時可通過開啟給水泵汽輪機末級減溫水來輔助控制排汽溫度；通過調整汽輪機四段抽汽壓力來輔助控制給水泵汽輪機綜合閥位。

（2）咨詢給水泵汽輪機制造廠家，利用檢修機會對給水泵汽輪機進行優(yōu)化改造。

3.3.2 其他問題及解決措施

（1）前置凝汽器、增汽機凝汽器凝結水管道閥門未使用可自動調節(jié)的閥門，致使系統(tǒng)運行過程中凝汽器水位控制波動較大、人工參與調節(jié)工作量大，自動化程度偏低。后期可考慮對閥門進行改造或增加可調節(jié)旁路管道。

（2）機組間接空冷及循環(huán)水系統(tǒng)配置了3臺定速循環(huán)水泵，從系統(tǒng)運行安全角度考慮至少1臺循環(huán)水泵定速運行。但該調節(jié)方式較單一，如果循環(huán)水泵至少有1臺能夠變速運行，則可提高調節(jié)的靈活性、進一步實現節(jié)能目的。

4 改造效果分析

極寒期機組采用“乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)優(yōu)先出力+抽汽供熱系統(tǒng)輔助出力”供熱方式時，對機組進行了不同電負荷工況下最大供熱能力試驗，試驗結果如圖3所示。機組乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)改造前、后兩種供熱方式的最大供熱能力及熱電比對比曲線如圖4、圖5所示。由于系統(tǒng)運行調整過程參數變化具有緩變、延遲等特點，圖中數據僅作為定性分析參考。

從圖3可以看出，機組電負荷工況為250~280 MW時，機組供熱能力在438 MW以上，熱電比在1.49以上。從圖4、圖5可以看出，乏汽外引高背壓供熱改造后機組的供熱能力大幅提高。

圖3 機組不同電負荷工況下最大供熱能力及熱電比

圖4 機組乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)改造前后兩種供熱方式最大供熱能力對比

圖5 機組乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)改造前后兩種供熱方式熱電比對比

5 結語

該超臨界間接空冷機組乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)改造后，機組的供熱能力大幅提高，電負荷工況為250~280 MW時機組供熱能力較強，改造經驗可供類似機組供熱改造借鑒。需要指出的是，乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)改造主要適用于抽汽供熱機組，而且改造前應對汽輪機在不同電負荷工況時高背壓下的安全性進行充分評估。