调整抽汽式机组高背压供热技术经济性分析

毛 楠

（长春工程学院能源动力工程学院，长春130012）

调整抽汽式机组高背压供热技术经济性分析

毛 楠

（长春工程学院能源动力工程学院，长春130012）

近些年来，热电联产在城市集中供热的方式中所占比例逐渐增长，为了进一步提高热电联产机组在冬季供暖期间的经济性，提高供热机组的供热能力，加强节能减排效果，在现有热电联产机组装机容量基础上，对汽轮机进行供热节能改造是供热机组的发展趋势，而高背压循环水供热则是利用汽轮机低压缸供热改造而发展的一项节能环保技术，可使燃料利用率达90%以上。通过已经改造机组的运行情况看，高背压供热工况下机组具有较好的热效率、发电煤耗等。通过理论计算分析，在不受供热面积、供热管径等条件的限制下，对某厂两台300MW调整抽汽机组进行高背压改造，改造后全厂的供热能力可达到800MW，机组供热能力和经济性有较大的提升，为北方同类型机组提供借鉴意义。

集中供热；高背压改造；供热能力；经济效益

0 引言

随着我国城镇化的快速发展，建筑能耗已经占到社会总能耗的25．5%左右，而北方冬季采暖能耗又占了其中的40%左右，北方地区供热主要采用热电联产集中供热方式［1］。近年来，供热负荷的需求量不断加快，一些大中型城市供热机组的供热能力已达到饱和，发展小型燃煤锅炉房会导致环境的严重污染，而新建大型热源受资金、建设周期的限制，同时还要考虑环境污染等问题［2］。然而大容量、高参数的供热机组低压缸排汽的汽化潜热目前没有得到合理的回收利用，而是通过循环冷却水系统直接排放到大气中，产生冷源损失。据统计，这部分冷源损失可占燃料总发热量的39%以上，如果把这部分余热全部利用到供热中去，将大大提高机组的循环热效率和供热能力。

高背压循环水供热机组是近年适应北方釆暖供热而出现的改造型机组，大都是由凝汽式机组或调整抽汽式机组改造而成。从20世纪80年代起，沈阳发电厂、长春发电厂等供热企业就开始了高背压循环水供热技术的尝试，机组容量等级涵盖6～50 MW，经过高背压供热改造后已运行多年，迄今为止机组运行情况稳定。20世纪90年代山东电力研究院在黄台电厂1号机组率先开展高背压循环水供热的改造和应用。2013年华电青岛电厂与哈尔滨汽轮机厂合作，首次在容量为300MW的机组上进行了高背压循环水供热改造，并取得了一些成功的经验，为超高压等级机组的高背压循环水供热改造进行了有益的探索。本文将介绍几种集中供热的方式，并对高背压机组改造后的经济效益进行分析。

1 集中供热方式

热电联产机组是我国集中供热的主要供热方式，也是目前我国能源利用的有效方式，热电联产比热电分产的燃料能耗节约1／3左右［3］。热电联产集中供热有抽汽供热、低真空供热和循环水热泵供热，还有近几年在中大型城市推广与应用的高背压循环水供热等方式。

1．1 抽汽供热

抽汽供热是热电联产供热中应用较为广泛的供热方式，抽汽供热是指将做过功的一部分蒸汽从汽轮机中间抽出供给热用户，其余蒸汽继续膨胀做功，最后排至凝汽器，相当于将背压式汽轮机和凝汽式汽轮机并列运行，可同时满足热电两种负荷的要求，抽汽供热机组一般把调整抽汽作为加热热网回水的汽源。汽轮机抽汽供热系统流程如图1所示。

1．2 低真空供热

低真空循环水供热系统是在保持不超过设计的排汽压力下，破坏真空度，将汽轮机的排汽温度升高，将较高的循环水作为热网的供热媒质，直接供给热用户，从而节省了大量的供暖抽汽，但由于提高了排汽压力也会使电功率减少。目前，对于中间再热的供热机组，从安全运行的角度看，不宜采用恶化真空供热，低真空供热只适合小型凝气机组［4］。汽轮机低真空供热系统流程如图2所示。

图1 抽汽供热系统

图2 低真空供热系统

1．3 热泵供热

循环水热泵技术是利用吸收式热泵回收汽轮机排汽余热，是以蒸汽和溴化锂溶液作为工质，采用汽轮机低压抽汽作为热泵的低温热源，将低温余热提高品位进行供热。当机组供热能力达到饱和时，采用吸收式热泵回收循环水余热可有效增加机组对外供热量，扩大供热面积。循环水热泵技术不但回收低品位的排汽余热，减少电厂的冷源损失，提高机组循环热效率，而且减少汽轮机的供热抽汽量，增加机组的发电量，但更换溴化锂溶液的成本较高。循环水热泵供热系统流程如图3所示。

1．4 高背压循环水供热

高背压循环水供热改造是近年来适合北方地区的供热机组，一般是由凝汽式机组和调整抽汽式机组改造而成。高背压循环水供热改造是将汽轮机低压缸的排汽压力升高，进而提高循环水出口温度，热网循环水经过凝汽器进行加热，吸收汽轮机低压缸排汽的汽化潜热，使凝汽器成为供热系统的基本加热器，加热后的循环水注入热网，满足采暖热用户的供热需求。在供热高峰期，可以利用本机或邻机的热网加热器作为尖峰加热器对热网循环水进行二次加热，将循环水温加热到供热系统设计的供热温度值，向二次网供热。该供热技术是在不改变供热机组的规模下，大大提高现有热电联产机组的供热能力，节约汽轮机高位能蒸汽，符合能源的“温度对口、梯级利用”原则。高背压循环水供热的能耗降低，节能效果较明显。因此，高背压循环水供热技术是回收热电厂汽轮机排汽余热的先进供热方式［5］。

图3 热泵循供热系统

高背压循环水供热改造方案：冬季采暖供热期间机组高背压运行时，末级加热器停止运行，并将原来的冷却水塔和循环水泵等形成的循环水系统切换至新的“汽—水”交换系统，进入凝汽器的循环水量降至9 000～12 600t／h，凝汽器背压由5．6kPa升至54kPa，低压缸排汽温度由35℃升至80℃左右，经凝汽器的首次加热，热网循环水温度由50℃升至80℃，然后经过热网循环泵升压送入首站加热器进一步加热，供二次热网。高背压循环水供热系统流程如图4所示。

图4 高背压循环水供热系统

由于汽轮机高背压运行，导致汽轮机机组的焓降减少。通过理论计算汽轮机末两级叶片将失去做功能力，产生严重的鼓风损失，使低压缸的排汽温度急剧增加，危及汽轮机的安全运行，故在冬季供热期间需去掉末两级叶片。为了满足供暖期高背压运行和非供暖期凝汽工况下运行的安全性和经济性，改造后应重新设计加工一套新的转子进行替换，即在冬季供暖期采用动静叶片级数较少的低压缸转子（2× 4）运行（如图5），非供暖期恢复原纯凝工况运行（如图6），实施“双背压双转子互换”循环水供热方案。

图5 低压缸改造后纯凝工况转子示意图

图6 低压缸改造后高背压工况转子示意图

2 实例计算与分析

2．1 汽轮机发电机组

2．1．1 发电功率

式中：Pe为汽轮机发电功率，kW；D0为新蒸汽流量，kg／h；ΔHt为汽轮机理想比焓降，kJ／kg；ηm、ηg、ηri为汽轮机机械效率、发电机效率和内效率，%。

2．1．2 抽汽供热

式中：Qg为抽汽供热负荷，MW；Dgc为供热抽汽量，kg／h；hgc、hs为供热抽汽比焓和疏水比焓，kJ／kg。

2．1．3 循环水供热

式中：Qc为循环水供热负荷，MW；Dc为排汽量，kg／h； hc、hn为汽轮机排汽比焓、凝结水比焓，kJ／kg。

2．1．4 热电厂的燃料利用率

式中：W为热电厂的总发电量，（kW·h）／h；Qh为热电厂的供热量，kJ／h；Btp为热电厂的煤耗量，kg／h；Qnet为标准煤的低位发热量，kJ／kg。

2．2 改造前后供热能力

某热电厂汽轮机为上海汽轮机厂生产的C300—16．7／0．43／537／537型抽凝式汽轮机，回热系统有八段抽汽，五段为调整抽汽，高中压合缸，双缸双排汽，低压缸的级数为2×6级，供热期抽汽工况运行，非供热期纯凝工况运行，机组改造前后技术规范见表1。

表1 机组改造前后主要技术规范

对300MW供热机组进行热力计算可知，改造前的供热能力为352MW左右，改造后无抽汽供热可达约431MW，增加供热负荷为131MW，机组改造后全厂的供热能力可达到800MW左右，机组的燃料利用率达到90%以上。按50W／m2供热综合热指标计算，供热面积约为1 600万m2。由当地热力公司提供的供热数据推测未来几年该地区的供热面积见表2，某热电厂对300MW机组进行高背压循环水供热改造可以大大提高机组供热能力，由表2可知，该机组实行高背压改造后，弥补近几年热电厂供热热负荷空缺，解决热力管网输送能力不足等问题。

2．2．1 天气对负荷的影响

在城市集中供热系统中，供热负荷是系统主要的热负荷，甚至是唯一的热负荷，供热期间天气变化对供热负荷有一定影响，因此，通常按照供热热负荷随室外温度变化规律，作为供热调节的依据［6］。在供热初末期和供热高峰期时，对外的供热量是变化的，一般供热初末期所需热负荷仅仅是供热高峰期热负荷的30%。按供热面积为1 200万m2，热网循环水回水温度为50℃，热网出口温度为80．2℃计算，如图7所示。

表2 某热电厂供热有关数据

图7 天气变化对供热负荷的影响

供热初末期时，综合热指标按26W／m2计算，需要热负荷为312MW，此时，高背压改造机组需要降负荷运行，带电负荷为186MW，不需要邻机抽汽供热，即补充抽汽量为0。供热高峰期时，综合指标按50W／m2计算，尖峰负荷最大供热量为600MW，该机组满负荷运行时达到262MW，在没有抽汽供热时最大供热可达431MW，需要邻机再补充供热量169MW，增加的抽汽量为238t／h。

如图7所示：供热期开始至供热期结束，热电厂以基本负荷运行，当室外温度降低后，负荷增加到t1～t2区间内，在此区间内机组是变负荷运行，当运行到供热高峰期时，邻机要补充169MW的供热量来满足热用户的供热需求。

2．2．2 机组改造后额定工况下效益分析

高背压循环水供热改造的基本条件：对于300MW机组的高背压循环水供热改造应具有1 200万m2以上的供热面积，否则机组出力将受到限制，运行经济性无法达到预计效果。根据改造前后热平衡图可知，相同的主蒸汽流量980t／h时，本机抽汽量为0，低压缸排汽供热量为431MW，供电负荷为262MW。如机组供热能力完全发挥，且不受当地供热面积和供热管网输送能力的限制，保持高背压改造前后汽轮机进汽流量不变，计算改造后供热和发电的毛利润，以机组改造前额定抽汽工况为基准计算，粗略计算改造后可增加的毛利润约为5 694万元，经济效益计算见表3所示。

表3 机组高背压改造前后热经济效益

3 结语

综上所述，对某电厂300MW机组进行高背压循环水供热改造是可行的，该技术是在现有机组装机容量基础上，利用汽轮机排汽余热供热，使冷源损失降为0，进一步降低机组的煤耗量，增加集中供热面积，提高热电联产机组热源侧供热能力，削减小锅炉的数量，实现“温度对口，能源梯级利用”原则，就目前北方一些地区电力行业供大于需的情况下，在热电厂调度允许的范围内，满足供热需求急剧增长的要求，弥补近几年来城市供热缺口问题。因此，高背压循环水供热技术是节约能源、改善环境以及深化热电联产集中供热的有利措施。

［1］清华大学建筑节能研究中心．中国建筑节能年度发展报告［M］．北京：中国建筑工业出版社，2008：3－46．

［2］闫维平，周月桂．洁净煤发电技术［M］．北京：中国电力出版社，2008．

［3］康艳兵，张建国，张扬．我国热电联产集中供热的发展现状、问题及建议［J］．中国能源，2008，30（23）：8－13

［4］林振娴．热电联产系统冷源领域节能及耦合机理研究［D］．北京：华北电力大学，2011．

［5］赵云凯，刘汉涛，张培华．高背压供热与吸收式供热能耗分析对比［J］．煤炭技术，2015（2）：321－323．

［6］叶涛．热力发电厂［M］．北京：中国电力出版社，2012．

［7］江浩，黄嘉驷，王浩．200MW高背压循环水供热机组热力特性研究［J］．热力发电，2015，4（44）：17－21．

The Economic Analysis to High Back Pressure Heating Technology Related to Adjust Steam Extraction Unit

MAO Nan
（School of Energy ＆Power Engineering，Changchun Institute of Technology，Changchun130012，China）

In recent years，proportion of combined heat and power generation in urban centralized heating has been increased year by year．In order to improve the economic benefit of cogeneration units during winter heating，increase the heating capacity of the units，and improve energy saving effect，the heating energysaving transformation to steam turbine on the basis of existing cogeneration units is trend of heating unit development．While the high back pressure circulating water heating is an energy－saving and environment protection technology that is to use heating transformation to low－pressure cylinder in steam turbine．It can make the fuel efficiency more than 90%．Through the operation of the transformed units，we got the conclusion that the units under high back pressure condition has better thermal efficiency，coal consumption，etc．．Through theoretical calculation and analysis，high back pressure transformation has been made on two 300MW adjust steam extraction unit without the limitation toheating area，heating pipe diameter and other conditions．The whole plant heating capacity has been up to 800MW after the transformation，the units heating capacity and economy have greatly improved，which will provide reference for the same type of unit in north part of China．

centralized heating；high back pressure transformation；heating capacity；economic benefits

TM621

A

1009－8984（2016）02－0051－05

10．3969／j．issn．1009－8984．2016．02．012

2016－04－06

毛楠（1988－），女（汉），黑龙江，在读硕士主要研究热能与动力工程。