汽轮机供热能力提升改造方案对比分析

陈飞飞 俞 聪 雷炳成 唐树芳

（华电电力科学研究院有限公司，浙江杭州310030）

0 引言

随着国民生活水平的提高和人民群众环保意识的增强，区域锅炉房和分散式小锅炉已经不符合时代发展的要求，必须用其他热源对其进行有效替代。诸如工业余热、各类可再生能源、热泵等虽能实现绿色供热，但是受应用条件限制，无法大范围推广，因此大力发展热电联产事业，有效挖掘现有机组的供热潜力是现实的迫切需求。

1 供热能力提升改造方案

1.1 高背压供热技术

高背压供热技术是通过提高汽轮机低压缸排汽压力，将乏汽直接用来加热热网循环水的一种供热方式，由于充分利用了汽轮机排汽的汽化潜热，可以实现汽轮机冷源损失接近为零。高背压供热技术受热网回水温度影响较大，有一定的调峰能力，外部热负荷越接近设计值，机组效益越好[1]。

1.2 光轴供热技术

光轴供热技术是在采暖期用光轴转子替换原低压缸转子实现背压供热的方案，可以实现低压缸不发电，中压缸排汽全部用于加热热网循环水。此种方式也可以实现汽轮机冷端近乎为零的热量损失，但是每年都需要停机更换转子，工程量巨大。

1.3 热泵供热技术

热泵分为吸收式热泵和压缩式热泵，前者利用工质溶液非共沸特性实现热量交换，后者则利用工质在不同压力下相变温度不同的特性实现热量交换。

1.4 新型凝抽背技术

新型凝抽背技术则通过采用增加冷却蒸汽旁路、低压缸喷水系统、末级叶片温度监测、汽轮机叶片防水蚀等技术，来实现低压缸在极低流量下安全运行[2]。该技术具有投资少、建设周期短、供热能力强、调峰能力强、调节灵活等优点。

1.5 增汽机技术

增汽机技术是采用高品质蒸汽作为驱动力抽取低品质蒸汽，混合后向外提供中等品质蒸汽的技术。该技术能效系数在1.75～2.2，能够在不对主机进行大改的情况下有效利用乏汽，具有设备操作简单等优点，但是机器运行时噪声较大，变工况性能较差。

2 案例基本情况介绍

2.1 机组和供热首站参数

某电厂有两台热电联产机组，汽轮机均为上海汽轮机厂制造，型号为CZK350-24.2/0.4/566/566，型式为超临界、一次中间再热、单轴、双缸双排汽、直接空冷、一级调整抽汽、抽汽凝汽式汽轮机。汽轮机额定纯凝功率350 MW，单台额定采暖抽汽量500 t/h，最大采暖抽汽量550 t/h，折算供热能力约为385 MW。

2.2 热负荷状况

当地位于华北黄土高原地区，属大陆性干旱气候带，采暖期为5个月，自本年的11月1日至来年的3月31日。当地采暖综合热负荷指标为51 W/m2，2019—2020年采暖季电厂已接待供暖面积1 300万m2，逼近电厂供热能力上限。根据当地热电联产规划，未来三年内还将新增300万m2左右的集中供热面积，机组急需进行供热扩容改造，以保障当地民生采暖需求。

2.3 其他因素

电厂运行人员反映，由于机组所属运行设备较多，操作工序繁多，加之运行人员倒班运行，不能持续保持饱满的精神状态，因此不希望机组在供热改造后增加太多的操作程序，供热调节应尽量简单易操作，以提高运行人员工作效率，降低操作失误的概率。

当地电网接入了较多的光伏发电机组和风力发电机组，在供暖季节经常会出现弃风弃光的现象，因此电网要求供热机组也要参与调峰。

3 供热能力提升改造方案分析

本节选择压缩式热泵技术、新型凝抽背技术、增汽机技术，从改造方式、供热能力和调峰能力三个方面进行对比分析。

3.1 改造方式

（1）压缩式热泵改造：汽轮机机组乏汽主管上增加旁路并安装凝汽器和压缩式热泵，乏汽经过凝汽器凝结，热网循环水在通过热泵蒸发器吸热降温后进入凝汽器回收乏汽凝结热。热网回水首先进入压缩式热泵降温，然后进入汽轮机乏汽冷凝器，再通过母管分别经过压缩式热泵和热网加热器升温，最后送至厂外热网回水管中。

（2）新型凝抽背改造：将原中低压缸连通管蝶阀更换为可以关到零位、全密封且零泄漏的新液压蝶阀；增设低压缸冷却蒸汽旁路系统；改造低压缸冷却喷水系统；末两级叶片加装温度测点并进行防水蚀处理；原有的供热首站增加一台热网加热器。

（3）增汽机改造：不改动原有汽轮机，加装一台高背压凝汽器，加装一台增汽机及其附属冷凝器，加装中压缸排汽管路至增汽机，加装低压缸排汽管路至高背压凝汽器和增汽机，加装增汽机至增汽机冷凝器之间的管路，改造热网循环水管道，使其依次流过高背压凝汽器、增汽机冷凝器、原热网加热器。

3.2 改造后供热能力分析

以供暖季151天，平均热负荷系数0.69，总体换热效率0.97作为计算边界，计算改造后全厂供热能力的增加值（表1）。

表1 三种改造方式全厂供热能力变化对比表

从表1可以看出，三种改造方式均能增加机组供热能力，供热能力增量从大到小的顺序依次为新型凝抽背94.56 MW＞增汽机59.89 MW＞压缩式热泵44.36 MW。

3.3 改造后调峰能力分析

在外部热负荷为385MW时，改造前汽轮机电负荷为285MW。在提供同样的热负荷时，压缩式热泵改造方式对应的电负荷为294 MW，新型凝抽背改造方式对应的电负荷为211 MW，增汽机改造方式对应的电负荷为323 MW。由此可见，新型凝抽背技术可以调峰，其余两种技术则是使机组多发电。

4 效益分析

按照热价28元/GJ，煤价600元/t，以最大供热能力计算收益，结果如表2所示。

从表2可以看出，新型凝抽背技术投资最少，收益最高，而其余两种改造方案则缺乏竞争力。

表2 三种改造方式投资收益对比表

5 结语

本文介绍了汽轮机供热能力提升改造的各类技术方案，结合案例的实际需求选择了其中三种方式进行了计算和分析，结果表明，新型凝抽背技术操作灵活、调峰能力强、改造工程量小、投资低、收益高，对于需要提升供热能力并参与电网调峰的机组是个很好的改造方案。