300 MW级抽凝背式供热机组技术研究

2015-04-24董丽娟张润盘

综合智慧能源 2015年9期

董丽娟，张润盘

(河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031)

0 引言

近年来，环境保护要求的提高、能源矿产储备的降低以及能源价格上涨等一系列因素，促使社会对一次能源的利用率提出了更高的要求。目前，我国电网容量趋于饱和，而各地热电联产机组的容量却严重不足，努力提高热电联产机组供热效率和供热能力是当务之急。

热电联产的汽轮机组，其能源利用率可超过80%，明显高于超临界凝汽式机组。凝汽式机组的凝汽损失达43% ～53%，能源利用率为30% ～40%;而热电联供机组的凝汽损失为0～30%，能源利用率可达60% ～84%(若为背压式机组，则凝汽损失为0，能源利用率可达80%以上)。供热机组热效率高的主要原因是减少了凝汽损失即冷端损失，因此，如何降低冷端损失，成为进一步提高机组热效率的重点研究方向。利用现有的技术手段，提高供热机组的供热能力对我国北方电厂有着重要意义。

1 国内外研究应用现状［1］

联合循环机组中，经常采用同步自换挡(3S，Synchro－Self－Shifting)离合器对汽轮机进行解列和并列，运用类似的技术，在汽轮机低压缸和发电机之间设置3S离合器，实现低压缸的解列和并列，从而实现汽轮机的背压运行和抽凝运行切换，提高机组的供热能力。

早在20世纪90年代，抽凝背式供热机组在日本的小型火电机组中已有应用。2010年，北京华能高碑店电厂和北京草桥燃气联合循环热电厂热电联合循环机组的汽轮机采用了超高压300 MW级双缸双排汽抽凝背式供热机组。目前，国内外尚未见300 MW级抽凝背机组在火力发电厂中实际应用。

本文依托河北华电石家庄鹿华热电有限公司(以下简称鹿华热电)二期供热机组的装机方案，分析抽凝背机型的可行性，同时对抽凝背机型的经济性进行深入分析。

2 技术方案及实施

2.1 研究原则及抽凝背机组适用的外部条件

随着国家节能降耗产业政策的深化，350MW超临界机组正在逐步取代300 MW级亚临界机组，成为新建300 MW级燃煤发电机组的首选。350 MW超临界机组的年均发电标煤耗率较同容量亚临界机组低7～10 g/(kW·h)，因此不推荐亚临界机组装机方案。

以鹿华热电二期工程的装机方案为例作具体说明。鹿华热电二期工程2×300 MW级抽凝背式供热机组投产后，汽轮机采暖供汽量为750 t/h，压力为0.25～0.40 MPa，采暖供热能力为1 000 MW，可承担区域集中采暖面积约2 000万m2，比抽凝式发电机组能够提供更多的热量，由于背压运行，冷端损失为0。因此，从节能降耗方面考虑，二期工程超临界抽凝背机组应在最大供热能力工况下运行［2－5］。

300MW级抽凝背机组适用的外部条件是:机组供热能力小于区域最小热负荷需求。石家庄西部供热区2015年最小热负荷为1250 MW，因此，鹿华二期工程选用2×350 MW超临界抽凝背式供热机组是与外部热负荷需求相适应的。机组投产后，冬季承担区域基本热负荷，可保持背压状态高效运行。

如果供热区的最小热负荷小于抽凝背机组的最大供热能力，则机组将长期在背压运行状态下进行热负荷调峰，当热负荷需求进一步降低时，将切换至抽凝工况下运行。如果频繁在抽凝状态和背压状态下切换，机组运行的安全性会受到影响，机组运行的经济性优势也会大打折扣。

2.2 本体结构设计方案选择

通过咨询三大主机厂，超临界抽凝背式供热机组本体结构设计方案有4种。

(1)方案1:高中压合缸+单台发电机+3S离合器。

(2)方案2:高中压分缸+单台发电机+3S离合器。

(3)方案3:汽轮机双轴并列布置+双发电机。(4)方案4:汽轮机双轴串列布置+双发电机。方案1，2是以常规350 MW超临界汽轮机为母型，将低压缸轴端通过3S离合器与发电机(或高中压缸)连接，使低压缸可在线解列和并列，如图1所示。

图1 带3S离合器的结构布置方案(方案1，2)

方案3，4是以常规350 MW超临界汽轮机为母型，将高中压缸的轴系与低压缸的轴系完全分开设置，并由高中压缸和低压缸各带1个发电机，通过联通管阀门控制低压缸的运行状态，如图2、图3所示。

图2 汽轮机双轴并列布置方案(方案3)

图3 汽轮机双轴串列布置方案示意图(方案4)

2.3 设计方案对比

从表1可以看出，3S离合器方案(方案1，2)在设备投资成本、运行维护和主厂房布置等方面都较双轴方案有较大优势。因此，本课题不推荐汽轮机双轴布置方案(方案3，4)。

3 3S离合器基本工作原理

3S离合器是300MW等级抽凝背机组的关键部件，其安全、可靠长期运行的特性是凝背机组能够得到推广的关键。

表1 方案优、缺点

3S离合器是一种单向传递扭矩的装置，当离合器的主、从动齿轮转速完全相等时两者相位同步，自动轴向移动而啮合，输入转速低于输出转速时离合器脱开。3S离合器的基本工作原理可比拟为螺母拧在螺栓上，如果螺栓转动时螺母是自由的，则螺母将随螺栓一同转动，如果螺母受限制而螺栓继续转动，则螺母将沿螺栓作直线运动。

3S离合器安装在单轴共用发电机的电厂设备上，以联接或断开汽轮机与发电机中相关的转子，具有锁定功能;利用油动机作为动力来源，将并列状态的3S离合器锁死，此时离合器不能进行解列动作，高中压转子和低压转子可以作为一根转子，增加了3S离合器运行的可靠性。油动机压力油油压约为0.2 MPa，汽轮机辅助系统可以提供压力相符的油。