某生物质电厂30 MW汽轮机低真空改造利用排汽余热供暖项目案例分析

刘惠宁

(黑龙江省节能监测中心，哈尔滨 150001)

0 引 言

某北方地区生物质发电厂坐落于城区边缘，现有一台130 t/h高温高压生物质蒸汽锅炉，配30 MW汽轮机为纯凝机组，基本满发。目前冷源损失全部上塔散失到大气中去。该机组采用低真空改造技术用于热电联供是成熟技术，全国有数百个成功运行的案例，按照技术先进、低能耗、低污染、控制投资的要求，确保项目实现节能降碳、提高经济效益的目标。

1 项目内容

该发电厂机组运行工况如下：生物质锅炉蒸发量为130 t/h，汽轮机满负荷功率为30 MW，运行状况良好。本项目主工程分为两个部分：厂内部分主要为汽轮机的低真空改造工程；厂外管网工程。

(1)厂内的汽轮机低真空改造：对凝汽器的两个通道做供暖水/循环水切换改造；增加列管式换热器，用厂区内20 t/h，5 ℃深井水取走空冷器、油冷器的热量；原有循环水系统做上塔/不上塔的自动切换。

电气及控制部分：电动蝶阀、PLC控制柜、仪表等电气设备及控制系统功率为20 kW；由总配电室380 V开关柜引出；新增PLC控制柜安装在原有配电室或控制室内。

(2)厂外管网工程：

敷设生物质电厂与原供热系统之间的主管线总长度5 200米(双程)，管线为DN900聚氨酯保温管。

2 改造风险分析

低真空技术是成熟的技术，技术风险相对可控。

(1)生物质电厂地势较低，现有供热系统一次网回水压力波动带来的凝汽器断水的风险较低；

(2)生物质电厂和供热系统现有管网之间的距离较长，供暖水管径较粗，即使现有高温水网出现泄露等故障，导致凝汽器断水和真空度迅速恶化的风险也比较低；

(3)低真空系统在运行过程中要投用可靠的连锁保护，确保当供暖水流量和凝汽器真空度低于某个保护值时迅速切换回原有的循环水系统，确保汽轮机不跳机。

(4)当电厂机组停运时，无法为市政供暖需求提供热源，这部分热量缺口由城区116 MW热水炉进行补充。

3 低真空改造方案

经核实供暖季任何时候，现有高温水网均可全部消耗掉生物质电厂30 MW汽轮机排汽的全部余热。此外，高温水网供暖季初末期水量为4 000 t/h，极寒季水量为4 500 t/h，也具备完全取走30 MW汽轮机排汽全部余热的条件。

通过将高温水网所有换热站板换的散热片更换为高性能的散热片后，可以将一次网回水温度和二次网回水温度的差值控制在2 ℃以内。这样，供暖季初末期一次网回水温度不超过33℃，按4 000 t/h的供暖水量计算，则供暖水出水温度不超过45 ℃，凝汽器端差按7 ℃考虑，则排汽温度为52 ℃，凝汽器对应的真空度为86 kPa；极冷季节，一次网回水温度不超过43 ℃，按4 500 t/h的供暖水量计算，则供暖水出水温度不超过53 ℃，凝汽器端差按7 ℃考虑，则排汽温度为60 ℃，凝汽器对应的真空度为80 kPa。即低真空改造后，凝汽器的真空度在80～86 kPa之间。

30 MW汽轮机改造的系统流程图如图所示。

低真空投运前，应对凝汽器进行彻底的人工疏通清洗，确保将凝汽器端差控制在正常的7 ℃以内。

4 低真空改造的安全性

低真空改造过程中，主要的安全性涉及：真空度上升，对汽轮机轴向应力的影响，气缸膨胀对通流间歇的影响；汽轮机本体与凝汽器连接管道的热膨胀对汽轮机运行的影响；凝汽器管侧承压的变化的影响。本项目凝汽器真空度的设计值为80～86 kPa，低真空运行的安全性没有问题。

5 低真空改造后发电量的降低

改造后，由于真空度的降低，汽轮机的汽耗将上升。

本次低真空改完后凝汽器的真空度在80～86 kPa之间，因此对发电的影响较低。按平均真空度83 kPa考虑，预计凝汽器每凝结1 t蒸汽损失发电30 kWh。按凝结1吨蒸汽回收热量2.3吉焦估算，即每回收1吉焦余热损失发电13.04 kWh。

6 两种运行方式的切换

循环水系统与供暖水系统的隔离采用双阀，可以达到多次开启关闭后零泄露的标准。

凝汽器为双通道，每个通道均可独立选择通供暖水还是循环水。其中一路为自动阀，一路为手动阀。

进入供暖季，待市政供暖系统一次网稳定运行后，即可进行切换。

一路的自动阀处于连锁的状态，一旦发现凝汽器真空度低于保护值或者供暖水量低于保护值，四个气动蝶阀可以在10秒内自动将一个通道切换回循环水状态，确保不会出现跳机。一旦切换回循环水状态后，原循环水泵出口压力降低，原循环水泵的连锁应立即将循环水泵频率升至50 Hz，并启动另外的一台循环水泵，以保证足够的循环水量。同时，自动保护程序关闭晾水塔旁路蝶阀，使循环水上塔。

冬季一旦出现切回循环水的自动保护，待供暖水系统故障消除后，还需将循环水切换回供暖水。循环水不再上塔后，应立即用热空气将晾水塔喷头内的存水吹出，以防止晾水塔切换一次后发生冻堵现象。此外，对局部冻住的喷头，可采用蒸汽化冻。

7 晾水塔冬季备用

由于空冷、油冷等除了凝汽器的其他冷却设备对冷却水温都有很高的要求，因此仅对凝汽器进行取热。循环水与供暖水的切换阀门做在凝汽器四根进出口管道上。除凝汽器以外的其他管线依然按原来的循环水方式运行。

由于凝汽器余热被取走，循环水中仅有空冷器和油冷器的少部分热量(约相当于1～2 t/h蒸汽的热量)，循环水必须保持不冻，24小时备用。可采取如下措施：

(1)循环水量降低，可停止运行一台循环水泵，另一台循环水泵降频运行，以节省供暖水运行状态下原循环水泵的电耗；

(2)考虑到循环水不上塔后空冷器，冷油器的产热量不断积累，可增加一列管式换热器，将循环水分出一旁路，用厂区生水进行冷却。

8 节能效果分析

本项目利用30 MW汽轮机排汽的余热，补入高温水网，降低了燃煤消耗，按每小时回收余热200 GJ核算，供暖季180天可回收余热约86.4万GJ，相当于节约标煤3.456万吨/年，减排二氧化碳8.64万吨/年。

9 结束语

通过对30 MW汽轮机的低真空改造及配套供热系统(管线及换热站)的建设，可充分回收纯凝机组的冷源损失用于采暖供热，有效替代城区热源点的燃煤消耗，降低了区域的二氧化碳的排放份额排放，符合目前的节能环保政策，响应了国家“碳达峰”“碳中和”的政策要求。该项目技术方案成熟可靠、工艺路线和设备配置合理，经济效益和社会效益显著。