200MW级机组供热改造分析

张新雷　姜迪　董蕾

摘要：200MW级机组供热改造方案主要包括抽汽供热和低真空供热两个方向，抽汽供热改造方案总体上具有机组冷源损失少、能源利用率高、调控灵活等特点，但改造涉及热网系统、凝结水系统、循环水系统、回热系统等多个热力系统；低真空供热改造方案改造涉及系统少、管道布置简单，但其供热调控不够灵活。文章对200MW级机组供热改造进行了分析。

关键词：200MW级机组；供热改造；低真空供热；抽汽供热；火力发电厂 文献标识码：A

中图分类号：TM611 文章编号：1009-2374（2017）01-0033-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.01.016

1 概述

随着我国大型、清洁、高效的火力发电厂大量建设，以水力发力、风力发电、核能发力为主的清洁能源电站迅速发展，我国电力的供应量已超过社会对电力的需求。2011年以来，全国火电设备利用小时数整体处于加速下降趋势，2015年甚至仅为4329小时，如果单纯用于发电，全国火电设备相当于全年处于60%以下负荷运行，发电能力已属严重过剩。然而与发电能力过剩的境况相反，我国三北地区供热机组实际供热量大部分未能达到额定供热能力。2013年，我国供热量增长率为-1.78%，随着三北地区城镇人口的增加，供热量的缺口有增大的趋势。

200MW及以下中小型火电机组，由于能耗较高，国内近些年已少有再建。然而国家在20世纪八九十年代曾大量建起的该类型机组，有些经过节能环保的改造，仍处于良好运行状态。如果将三北地区该部分机组进行供热改造，将大幅提高其能源利用率，既可以在不增加发电量的基础上提高供热能力，又能解决由于新建供热机组所带来的成本问题。

2 供热改造方案

国内200MW级超高压机组，通常以一次中间再热、单轴、三缸三排汽、凝汽式汽轮机为主，该机组高压缸独立，中压缸与#1低压缸合缸，#2、#3号低压缸对称布置，其系统流程如图1所示：

2.1 抽汽供热方案

常见的汽轮机采暖抽汽供热改造，一般是在汽轮机组中压缸排汽连通管上连通阀前打孔，进行抽汽供热，通过调节连通阀开度控制抽汽量。由于中压缸与低压缸合缸的设计，导致通过中压缸排汽管道的中压缸排汽约为全部排汽量的一半，而且要保证#2、#3低压缸不产生鼓风工况，影响机组发电效率，還需要维持一定排汽至两低压缸内，所以该方案可抽出的最大汽量一般为150t/h左右，甚至更低。如果要进一步增大抽汽量，就需要在打孔抽汽方案基础上，对低压缸进行改造，使排入#2、#3低压缸的汽量最大限度减少，以增加抽汽量进行供热。

2.1.1 背压机方案。背压机方案是指取消机组2个独立的低压缸及机组凝汽器，将中低压合缸排汽全部用于供热，此时供热能力将大幅增加。由于不存在低压缸鼓风工况以及低压缸冷却等问题，机组最大抽汽量可扩大至500t/h，几乎不存在冷源损失。

不过虽然将机组改背压机可以最大限度地增加采暖抽汽量，但在非采暖期由于中压缸排汽无热用户，只能处于停机状态，限制了其发电能力。

2.1.2 低压转子“光轴”改造。“光轴”改造是指为现有的机组低压缸合缸部分另外再设计一根轴承，无需安装叶片，该轴承只用于传递扭矩，不对外作功发电。虽然没有叶片，但高速转动过程中仍会由于与空气摩擦产生热量，所以需要保证低压缸最小冷却用蒸汽流量，通常需要5～10t/h，其余均可作为采暖抽汽供热。最大抽汽量可达330t/h。虽然抽汽量较改成背压机的方案有所减少，存在一定的冷源损失，但由于非采暖期可以更换为原有低压缸转子进行纯凝工况运行，使得机组运行更具灵活性。不过由于每年需要更换二次转子，对设备存在一定损伤。

对于抽汽供热方案，从改造难度方面来看，因抽取中压缸排汽用于供热，凝汽器排汽量大幅减小甚至没有排汽，使得循环冷却水系统、凝结水系统、回热系统都需要重新设计。而且设计过程中还要考虑到凝汽器为防止结垢所需要的最小流速要求、轴封加热器所需要的最小冷却水量等一系列问题。另外，如果是做过打孔抽汽改造的机组，想进一步增加抽汽量改造时，对于现存的热网系统设备，由于供汽量增加近一倍以上，所需增加或更换的设备及管道较多，改造相对复杂。

2.2 低真空供热方案

低真空供热是指机组在非采暖期时以常规纯凝机组运行，但进入采暖期后，改用热网循环水回水作为凝汽器的冷却水源，低压缸排汽用于加热热网水回水的供热改造方案。由于该方案从理论上讲几乎消除了机组的冷源损失，所以机组能源利用率非常高。

凝汽器的背压取决于饱和凝结水温度所对应压力，采用热网循环水回水作为凝汽器的冷源来冷却低压缸排汽，由于冷却水的温度较高，一般为60℃左右（根据地区及供暖时期不同有所区别），考虑到温升及传热端差，由其冷却下来的饱和凝结水水温一般可达68℃或更高。对应饱和压力为28.5kPa左右，显著高于普通湿冷机组HRL工况的11.8kPa，故称为低真空供热或高背压

供热。

由于低压缸排汽背压升高，导致其容积流量减少，低压转子末级叶片容易产生鼓风工况。另外，低压转子由于偏离设计背压，自然垂度会发生变化，在高速转动过程中，容易导致叶片颤振、轴系振动等问题，所以通常需要针对低压转子进行改造。

2.2.1 换转子改造方案。换转子改造方案是指针对高背压工况专门另设计一套低压转子，该转子比正常转子减少l～2级叶片，末级叶片叶高适当缩短，以满足冬季低真空供热要求，重新设计一套末级隔板和导叶与之匹配。而在夏季纯凝工况时则恢复使用原机的转子和隔板。该方案能够保证汽轮发电机组全年都满负荷运行，满足供热与发电的不同需求。与“光轴”改造一样，每年需要开缸两次更换转子，在每次更换时需要铰孔或使用液压螺栓，对设备存在一定损伤。

2.2.2 单转子改造方案。单转子改造方案是指将机组现存低压缸转子去掉末级叶片，并将次末级叶片加固，制成可供低真空供热使用的转子，冬季低真空工况和夏季纯凝工况均采用该转子。这种低压缸转子改造方式简单，花费资金少，转子不需要经常更换。但由于低压转子减少一级，机组的额定出力将受到影响。

2.2.3 不改变转子改造方案。如果确实需要在不改变低压缸转子的情况下进行高背压改造，则需要汽轮机厂家认真核算低压转子安全性，运行中也要严密监查机组运行状态，以防出现安全事故。

从改造难度方面来看，与抽汽供热改造相比，因低真空供热几乎不需要更改各热力系统，所以具有系统简单、造价低、改造后能源利用率高等优点。

不过，低真空供热采用的是热网循环水冷却低压缸排汽，由于热源与冷源传热端差小，所以所需的热网循环水水量较大，热网循环水温升也较低，通过凝汽器仅能将大量热网循环水进行初步加热，所以如果缺少进一步对其进行加热的热源，则会因为无法将热网水加热至供出时所需温度而影响供热量。

另外，如果机组作过打孔抽汽改造，在进行低真空改造后，因低压缸防止鼓风工况所需最小通流量增加的原因，抽汽量也会有所降低，所以高背压改造必须配合其他供热机组才能够发挥其高能效的作用，如果缺少辅助汽源，低真空供热改造不仅无法有效增加供热面积，甚至有可能低于改造前的供熱能力。

3 结语

200MW级纯凝火电机组能源利用效率较低，属于高污染、高能耗机型。通过有效的供热改造后，可以将其能源利用效率由原来的不足50%提升至90%以上，既可以满足国家对燃煤电厂超低排放和节能改造的要求，又能切实满足三北地区对供热的需求。

目前常用的供热改造主要有抽汽供热和低真空供热两个方向，抽汽供热总体上具有效果直接、调控灵活、供热效果不受其他机组制约的特点。但常规的打孔抽汽供热改造抽汽量较少，为了增大抽汽量，还需要进一步对机组进行背压机改造或者对低压转子进行“光轴”改造。因抽汽供热改造涉及多个系统，需要重新设计大量设备与管线，改造难度大，造价较高。低真空供热改造则与抽汽供热相反，改造简单、造价低，但其供热能力受其他热源制约，供热调控不够灵活。

参考文献

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节能研究[J].中国电机工程学报，2012，32（17）.

[2] 孔令先，李继伟，李宏伟.220MW汽轮机组供热改造

研究与应用[J].节能技术，2010，28（4）.

[3] 朱奇，陈鹏帅，侯国栋.低真空循环水供热改造[J].

热力发电，2013，（3）.

作者简介：张新雷（1985-），男，吉林长春人，中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司工程师，硕士，研究方向：热能与动力。

（责任编辑：黄银芳）