大型热电联产机组高背压供热改造全工况热经济分析

万燕，孙诗梦，戈志华，何坚忍

(电站设备状态监测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，北京市 102206)

大型热电联产机组高背压供热改造全工况热经济分析

万燕，孙诗梦，戈志华，何坚忍

(电站设备状态监测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，北京市 102206)

抽凝供热机组抽汽参数往往高于热网所需，热损失大。高背压供热机组利用排汽余热供热，增加供热能力，减少供热抽汽量。单转子运行和双转子互换是大型汽轮机高背压供热改造的2种主流方式,为研究不同方式的经济性和适用性，以某350 MW机组为例，采用Ebsilon仿真软件建立高背压供热汽轮机变工况计算模型。结合单耗理论进行不同改造方式下供热季与非供热季经济性及能耗对比。结果表明：和单转子方式相比，双转子互换方式在供热季发电量多200万 kW·h，平均发电煤耗低0.24 g/( kW·h)，最大供热量少6.48 MW，非供热季其效率高于单转子方式。但考虑到双转子互换方式供热季优势并不明显，且每年需要2次更换转子，因此对于大型热电联产机组高背压供热改造首选单转子方式，以降低成本。

热电联产；供热改造；高背压；单转子；双转子互换； 全工况

0 引 言

近年来，随着用热需求的持续增加，我国的热电联产机组规模不断扩大，截止到2014年底，我国热电联产装机容量达283 GW，约占火电装机容量30%。现有的热电联产机组中，大多数为300 MW及以上容量的大型机组，供热方式主要是在汽轮机中压缸后抽汽加热热网水[1,2]。该供热方式抽汽参数过高，与用户侧热负荷需求参数不匹配，造成高品位能的损失[3,4]，并且汽轮机排汽余热通过循环水系统排放到环境中，造成能量的极大浪费，使热电厂效率提升有限[5,6]。为此国内学者对现有的联产供热方式进行探索和改进，提出汽轮机高背压运行供热方式[7]、NCB热电机组供热方式[8]、电厂耦合吸收式热泵供热方式[9]，以进一步挖掘热电联产节能降耗的潜力。其中，汽轮机高背压运行供热是指在采暖期通过提高凝汽器的背压，从而提高排汽温度，利用排汽余热直接加热热网循环水的一种供热方式。对机组进行高背压供热改造，可充分利用排汽余热能，减少高品位抽汽量，达到能量的梯级利用，既提高了机组的循环热效率，又可大幅提升机组的供热能力，降低供电煤耗[10,11]。同时，近年来随着气候变暖和建筑节能的推广，供热指标以及供水温度有所下降，也使高背压供热方式有很广阔的应用前景。

将机组进行高背压供热改造，如果是空冷汽轮机，设计背压较高，可以在冬季适当提高背压加热循环水实现对外供热。若是湿冷机组，由于其设计背压较空冷机组低，考虑到设备的安全性，必须要更换汽轮机的低压转子[12,13]。目前有2种改造方法，一种是将湿冷汽轮机低压转子更换为空冷转子，供热季与非供热季都采用空冷低压缸的运行方式，冬夏低压缸采用同一根转子；另一种是供热期采用专门设计的高背压低压转子，供热结束后更换回原来的凝汽式转子。已有许多学者从高背压供热改造的可行性、安全性等方面进行了大量的论证。常立宏在文献[7]中研究了亚临界300 MW湿冷机组空冷化改造范围并验证了空冷化改造后机组轴系的安全性。闫森等在文献[13]中介绍了上海汽轮机厂对300 MW汽轮机进行双转子互换高背压改造的方案，低压部分采用先进的通流技术，结构部件进行了较大优化以确保机组的安全性。邵建明等[14]和石德静等[15]结合华电青岛电厂的工程实例，详细叙述了双转子互换高背压改造需考虑的主要问题及改造内容。王学栋等在文献[16]中分析了2种改造方式的技术特征和改造后由热力试验得到的经济指标，但由于这2种改造方式分别用在2台不同机组中，缺少可比性，且研究的是小容量机组，和大型热电联产机组存在较大差距。现有文献中缺少不同改造方式适用性研究，以及改造方式对非供热期经济性影响尚无涉及，造成高背压供热改造存在一定的盲目性。

在上述背景下，本文以某地区350 MW抽汽供热机组为例，对该机组进行高背压供热改造，分别对2种不同的换转子改造方案进行研究。分析不同改造方式在供热季与非供热季全工况条件下的经济性及能耗对比，并综合分析2种改造方式各自的安全性和适应性，以期为大型热电联产机组高背压供热改造方式的选择提供理论依据。

1 理论分析

1.1 机组不同供热方式理论分析

对于湿冷机组，其运行背压一般为5 kPa左右，对应的饱和温度为32.5 ℃，不能直接用于对外供热。一次网回水温度通常高于45 ℃，若要满足供热要求，机组必须改造成为高背压机组，需将背压提高。但汽轮机背压提高过多，会影响汽轮机安全运行，故机组高背压改造时必须更换低压缸转子。将汽轮机低压缸凝汽转子换成适应高背压运行的转子后，汽轮机排汽升高，对应凝结温度升高，则可以利用汽轮机排汽余热直接加热热网水。严寒期从中压缸后抽汽尖峰加热，达到供水温度。改造前该机组全部采用抽汽供热如图1，高背压改造后系统如图2。

图1 机组抽汽供热示意图Fig.1 Schematic diagram of heat supply unit with extraction steam

图2 机组高背压供热示意图Fig.2 Schematic diagram of heat supply unit with high back pressure

机组高背压供热改造过程中，影响最大的即为汽轮机本体[14]。低压缸级数、通流面积、隔板等均需重新设计或调整，由于更换低压缸转子，所带来的轴系稳定性与标高也需顾及。除此之外，还需要考虑供热管线、回热系统、辅助系统、控制系统等变化。供热季时，机组的供热凝汽器接入热网水，对热网回水进行加热，供热凝汽器实现热网换热器功能；在非供热季，凝汽器热网侧阀门关闭，供热凝汽器切回普通凝汽器使用。

更换低压转子有2种方式，一种是将湿冷汽轮机低压缸转子更换为空冷转子，使其夏季额定工作背压维持在15 kPa，冬季额定供热工况背压可达到34 kPa安全运行。由于其供热季与非供热季采用同一根转子，以下称该改造方式为单转子方式。另一种方案是供热期采用专门设计的供热低压转子，汽轮机高背压运行，供热结束后更换回原来的凝汽式转子，夏季背压较改造前不变；冬季供热时，汽轮机运行背压可达到54 kPa，由于其供热季与非供热季采用不同的低压缸转子，以下称该改造方式为双转子互换方式。

1.2 单耗理论分析

为对单转子方式和双转子互换方式经济性对比研究，引入单耗分析理论。对任何产品，其单耗都由2部分构成[17]：理论最低单耗和附加单耗。其中，理论最低单耗表示生产该单位产品无任何损失时燃料单耗；附加单耗表示生产产品各环节设备损耗引起的燃料单耗之和。单耗b可表示为

(1)

式中：ep、ef分别表示产品和燃料的比；Bi、P表示各环节投入的和产出的；bmin为理论最低单耗；bi为附加单耗。由此得到热力学第二定律效率，即效率

(2)

由式(2)可看出，只要知道实际燃料单耗，就可以计算出该产品的效率，而不必对整个生产过程及系统设备进行详细分析。

对于汽轮机组[18]，若发电量为Pe，则其第二定律效率为

(3)

(4)

2 基于Ebsilon软件的供热机组计算模型

2.1 机组供热边界条件的确定

本文以某地区350 MW机组为案例，研究不同更换转子方式机组的经济效益。改造前机组采用传统的抽汽供热方式，基本参数如表1所示。

表1 350 MW供热机组基本参数
Table 1 Basic parameters of 350 MW heating unit

根据该地区温度情况及热网特性，供热边界条件如图3所示。

图3 供热季参数分布Fig.3 Parameter distribution in heating season

供热季共为120天，分严寒期和非严寒期。其中严寒期为43天，非严寒期为77天。严寒期供、回水温度维持在100/45 ℃，非严寒期供热温度线性变化，即供、回水温度在65/38 ℃至100/45 ℃之间均匀变化，经验证，发电功率及总热耗基本呈线性变化；严寒期设计供热负荷为350 MW；供热初期温度为65 ℃，回水温度为38 ℃，机组主汽流量根据供热负荷变工况计算得到；热网调节采用质调节，热网水流量按设计流量计算；供热期机组运行小时数为2 880 h。为便于比较，单转子方式和双转子互换改造方式机组承担的热负荷相同。

2.2 基于Ebsilon软件供热汽轮机热力模型

本文采用Ebsilon软件建立汽轮机及热力系统模型，进行供热机组全工况经济性分析。该软件对锅炉、汽轮机、凝汽器等设备元件，具备高建模能力及自定义校正功能，对于功率、级组效率等物理参数，计算准确性较高[19,20]。搭建的350 MW机组模型如图4所示。

图4 Ebsilon软件模拟电厂系统Fig.4 Power plant system simulated by Ebsilon software

为提高汽轮机组件变工况的准确性，采用迭代计算高背压下变工况参数，实现汽轮机的变工况计算。本文采用改进的弗流格尔公式[21]对汽轮机组件进行编程，使机组性能及各项参数与实际的高背压机组吻合。式(5)为改进的弗留格尔公式。

(5)

式中：G表示级组蒸汽流量；v0表示级组前蒸汽比容；p0表示级组前蒸汽压力；下标A、B分别表示两个不同工况；π表示级组压力比，表达式为

(6)

式中p2、p0分别表示该级组出口和入口蒸汽压力。通过式(1)说明在不同工况下，同级叶片满足上述关系式。因此可根据式(1)，对汽轮机组的性能参数进行修正，使其与实际机组参数更加吻合。

对于回热器等换热部件，蒸汽所释放的热量全部被热网水所吸收，热平衡方程为

(7)

为保证模型正确，必须对模型进行额定工况和变工况正确验证。本文以该机组热平衡图中THA工况、75%工况、50%工况及40%工况为参照，对模型进行变工况模拟，并对其中小汽水流量、调节级滑压曲线及末级效率进行修正后，模拟计算得到的发电功率和热平衡图上对应工况实际功率值进行比较，如图5所示。

图5 模拟功率与设计功率比较图Fig.5 Comparison between simulated power and designed power

经计算，最大相对误差不超过0.8%，满足工程上的精度要求。因此基于Ebsilon软件建立的高背压供热汽轮机模型经过修正能正确反映出机组的运行状况，模拟结果可信并可用于实际供热机组变工况计算。

3 不同改造方式全工况经济性分析

3.1 供热季2种换转子方式经济性对比

汽轮机采用单转子方式供热时，供热季和非供热季采用同一根转子，供热季汽轮机运行背压可至 34 kPa，对应的饱和温度为72 ℃，假定凝汽器换热端差为 2 ℃，凝汽器出口可将热网水加热至70 ℃，对于供热初期有可能满足供热要求，当供水温度高于70 ℃时，采用抽汽作为尖峰加热。

双转子互换方式供热，即在供热季时，将原湿冷机组汽轮机低压缸转子更换为高背压转子，使其背压提高至54 kPa，同样假定凝汽器2 ℃的换热器端差，则排汽余热可将热网水加热至81 ℃。当需要的供热温度超过81 ℃时，再继续从汽轮机中压缸末端抽汽补充加热，使热网水能够满足对外供热需求。

采用基于Ebsilon软件的供热系统模型，计算2种不同换转子方式进行供热改造机组的热经济性指标，结果汇总于表2。

表2 不同改造方式供热期热经济性对比
Table 2 Comparison of economy in heating season between two modes

由表2看出，相同供热负荷下，单转子运行方式与双转子互换方式的煤耗均远远低于传统抽汽供热方式，节煤效果显著。双转子互换方式和单转子方式相比供热季发电量多200万 kW·h，平均发电煤耗率低0.24 g/( kW·h)，有微弱优势。若该地区供热季发电需求大，双转子互换方式供热略有优势；从最大供热能力方面分析，单转子方式最大供热负荷为490.24 MW，比双转子互换方式供热多6.48 MW，供热能力稍高，但供热能力差别不大。

3.2 非供热季2种换转子方式经济性比较

由于不同改造方式夏季运行情况不同，本文进行2种不同改造方式非供热期经济性分析，以期达到全工况经济性比较。单转子方式供热季结束后，机组背压维持在15 kPa，高于原机组的设计背压4.9 kPa，纯凝运行时，机组的发电功率相比原机组功率低，其额定功率326 MW，可计算出不同工况对应功率值。双转子方式供热期结束后换回原来的纯凝低压转子，背压及额定功率恢复至改造前参数，发电功率比较如图6所示。

图6 两种换转子方式非供热季功率对比Fig.6 Comparison of generation power in non-heating season between two modes

从图6看出，单转子方式非供热期由于运行背压提高，发电功率降低。但仅从功率角度无法判断哪种方式具有更高的能源利用效率，本文将以单耗理论为基础，对2种不同换转子方式非供热季采用单耗理论分析机组能耗。

图7 2种换转子方式非供热季效率对比Fig.7 Comparison of exergy efficiency in non-heating season between two modes

图8 2种换转子方式非供热季损失对比Fig.8 Comparison of exergy loss in non-heating season between two modes

3.3 机组运行成本比较

机组进行高背压供热改造，除更换低压转子外，凝汽器需要更换加固，供热季充当低温换热器，利用排汽余热加热热网水；非供热季，凝汽器作为普通凝汽器使用。

就单转子运行方式而言，仅需要更换1次转子即可，但对于双转子，则在供热季与非供热季交替时都需要更换低压缸转子，1年当中需要换2次转子。假设2种换转子方式下新设计转子成本一致，则双转子互换方式需要更大的更换成本。就350 MW湿冷机组而言，每更换1次转子大约需要停机20天，人工费、材料费等大约需要50万元。而且每更换1次转子，需要对低压缸中轴线进行调试，完成对中，操作相对复杂。

4 结 论

通过高背压供热不同改造方式供热季与非供季全工况条件下的经济性及能耗对比，可以得出结论：

(1)机组采用高背压供热方式，由于排汽余热被有效利用，供热期机组发电煤耗降至140 g/( kW·h)左右，远低于传统供热方式机组煤耗，节煤效果显著；

(2)供热期采用双转子互换和单转子方式对比，机组平均煤耗率稍低，但差别很小，单转子运行方式的最大供热能力稍高于双转子互换方式；

(4)双转子互换方式需要频繁更换转子，运行成本高，综合考虑供热期运行情况，高背压供热改造时应尽量选择单转子运行方式，以降低成本。

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(编辑 刘文莹)

Thermo-Economic Analysis of High Back Pressure Heating Retrofit for Large-Scale Cogeneration Unit under Full Condition

WAN Yan，SUN Shimeng，GE Zhihua，HE Jianren

(Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Education, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Extraction steam parameters of extraction condensate heating unit are often higher than the heating network required, which resulted in a great loss of heat. High back pressure unit makes use of exhaust heat for heating, thus increasing heating capacity and reducing heating steam extraction. There are two main methods of high back pressure heating retrofit for large steam turbine, which are single-rotor mode and double-rotor interchange mode. For the study of different forms of economy and applicability, taking a 350 MW unit as an example,this paper constructs an off-design calculation model of high back pressure heating turbine using Ebsilon simulation software. We comparatively analyze the economic efficiency and energy consumption in heating season and non-heating season under two modes based on the theory of unit fuel consumption. The results show that in heating season,the electricity output of double-rotor interchange mode is 2 000 MW·h higher, the average coal consumption rate is 0.24 g/kW·h lower and the maximum heating capacity is 6.48 MW lower compared with that of single rotor mode. In non-heating season, the exergy efficiency of double-rotor interchange mode is better than that of single-rotor mode. However,the advantage of double-rotor interchange mode in heating season is not obvious and double-rotor interchange mode requires replacing rotor twice a year. Therefore, in order to reduce cost, single-rotor mode is the first choice for high back pressure heating retrofit of large-scale cogeneration unit.

cogeneration; heating retrofit; high back pressure; single rotor; double-rotor interchange; full condition

国家科技支撑计划项目(2014BAA06B01)

TM 611.3

A

1000-7229(2016)04-0131-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.04.020

2016-02-22

万燕(1990)，女，硕士生，主要研究方向为热电联产系统节能；

孙诗梦(1992)，女，硕士研究生，主要研究方向为热电联产系统节能；

戈志华(1969)，女，博士，教授，主要研究方向为电站机组运行优化和大型热电联产系统节能；

何坚忍(1940)，男，学士，高级工程师，主要研究方向为汽轮机及供热技术。

Project supported by Key Technologies Research and Development Program of China(2014BAA06B01)