基于能级匹配的高参数供热方案研究

2022-09-01李秋白黄启龙涂朝阳张志业陈国宝林宝森

电力科技与环保 2022年4期

李秋白，殷戈，黄启龙，谭锐，涂朝阳，张志业，陈国宝，林宝森

(1.国家能源集团科学技术研究院有限公司，江苏南京 210046；2.国能南京电力试验研究有限公司，江苏南京 210046；3.国电福建电力有限公司，福建福州 350009；4.国能(泉州)热电有限公司，福建泉州 362804)

1 引言

全球气候变化是当前人类社会可持续发展面临的重大威胁，保护地球生态安全、合作应对气候变化，已成为当今国际社会广泛共识。我国作为全球工业大国，一直致力于推动低碳发展，尤其是双碳目标的提出，加快了我国能源结构的重构，作为当前二次能源的主力，煤电需进行节能、供热以及灵活性改造，以适应新的电力形势[1]。

供热按照热负荷性质可分为采暖供热和工业供热。采暖供热集中在北方寒冷地区，需求较普遍，技术也相对成熟，在火电灵活性背景下，又发展出了诸如高背压供热[2-3]、低压缸零出力[4]、多级抽汽供热[5-6]等技术，成功案例也比较多。工业供热与民用热最大的区别在于用户对供热参数要求较严格，技术难度相对较大[7-9]。

工业供热热负荷伴随我国工业持续发展，需求也不断增加。要满足工业供热需求，既可采用企业自建供热锅炉方案，也可采用热电联产的集中供热方案。自建供热锅炉方案存在效率较低、环保指标差、安全隐患大、管理不集中等问题，不符合国家节能环保的宏观产业政策，因此国家正在逐步取消企业自建锅炉的分散供热系统，取而代之的是热电联产的集中供热方案，热电联产集中供热方案具有节约能源、减少排放、提高供热蒸汽品质等多种优势[10-12]。在目前电力装机产能相对过剩的大背景下，大量新建热电联产项目受到了电力建设总容量的制约。鉴于此，国家积极引导和鼓励将部分现役纯凝发电机组改造为供热机组，既不增加电力装机规模，又可增加供热能力[13-18]。

纯凝机组供热改造过程中，根据供热需求温度和压力等级不同，结合相关文献研究结果[19-20]，可以将供热概况的分为如下几类：1)低参数供热指压力在1.0MPa以内，且温度在300℃以内；2)中参数供热指压力在1.0～4.0MPa，且温度在300～400℃；3)高参数供热指压力在4.0MPa及以上，且温度在400℃及以上。在亚临界机组上，低参数供热改造一般从机组中、低压连通管开孔，增加供热抽汽调节阀，对外抽汽供热；中参数供热改造一般从机组一抽、冷再或热再段抽汽。上述两类供热共同的特点是：供热所需的蒸汽参数和汽轮机系统某些位置的蒸汽参数接近，可以直接从系统中找到抽汽点，采用打孔抽汽的方式供热。而高参数供热则无法在汽轮机系统内直接打孔抽汽，主要是无法从系统中找到参数匹配的抽汽点。为了满足高参数供热需求，常采用参数等级更高的蒸汽减温减压后供热，高品位蒸汽的减温减压供热，违反了“温度对口，梯级利用”的用能原则[21]，热经济性较差。

因此，研究高参数供热参数匹配问题，对提高供热经济性，实现煤电机组低发展具有重要意义。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

本文以亚临界300MW抽凝机组为研究对象，机组的主蒸汽参数压力为16.67MPa，温度为538℃，其主要参数见表1。

表1 某亚临界300MW机组主要参数Tab.1 Main parameters of a subcritical 300MW Unit

2.2 高参数供热问题热力学特性分析

热电联产循环中，主蒸汽进入汽轮机后，膨胀做功，按照供热参数需求，在系统合适位置设抽汽口，抽出蒸汽对外供热。抽汽点设置的原则是：压力或温度中先达到用户参数约束条件的位置，即为最佳抽汽口位置。按照此设计原则，以亚临界300MW机组参数为例，以主蒸汽作为循环起点蒸汽参数：压力16.67MPa，温度538℃，终点为用户蒸汽参数：压力4.0MPa，温度400℃，通流效率分析参数见表2。

表2中数据说明，亚临界机组如果能直接抽取4.0MPa,400℃的供热蒸汽，从汽轮机进汽到抽汽之间，机组通流效率应设计为44.73%，这显然将会大幅降低热电联产的经济性。

表2 高参数供热通流效率分析Tab.2 Analysis of high parameter heating flow efficiency

目前，汽轮机缸体设计和运行的效率一般在70%～90%的范围内，为了分析在上述范围内亚临界机组内蒸汽参数变化特征，以主蒸汽作为循环起点蒸汽参数：压力16.67MPa，温度538℃，终点为用户蒸汽参数：压力4.0MPa，膨胀效率按照70%和90%来分析，结果见表3和表4。

由表3和表4中数据可以看出，如果按照膨胀终点为4.0MPa，终点参加均低于热用户所需的400℃，且通流效率越高，终点温度差越大，无法满足供热需求。

表3 高参数供热参数分析(70%通流效率，终点压力4.0MPa)Tab.3 Analysis of high parameter heating parameters (70% flow efficiency,end pressure 4.0Mpa)

表4 高参数供热参数分析(90%通流效率,终点压力4MPa)Tab.4 Analysis of high parameter heating parameters (90% flow efficiency,end pressure 4.0Mpa)

因此，从热力学分析可知，在常规的缸效范围内，无法采用直接抽汽的方式实现高参数供热。

2.3 高参数供热变工况特性分析

为了进一步探明高参数供热参数匹配问题的原因，对汽轮机变工况分析，分析汽轮机内压力和温度变化特征，找出参数变化规律。

由弗留格尔公式可知，在不考虑温度变化的情况下，各级抽汽的压力和流量有如下关系[22]：

(1)

式中：G1为级组变工况流量，t/h；G为级组设计工况流量，t/h；p01为级组变工况级前压力，MPa；p0为级组设计工况级前压力，MPa；a为变工况下与设计工况下的通流面积之比。

由式(1)可以看出，级组前压力与流量成正比关系。与通流面积比成反比关系；在回热机组中，由于回热抽汽和通流压损存在，自主蒸汽以下，各抽汽点的压力依次降低，如需提升压力，可控的措施是改变通流面积，如采用座缸阀、旋转隔板或者抽汽蝶阀，这些方法和减温减压一样，都会降低通流效率，最经济的方法是选择接近供热压力的抽汽点，尽量减少节流的损失。

汽轮机变工况运行时，初参数一定的情况下[23]，级组抽汽温度和通流效率有关，级组的效率计算公式为：

(2)

式中：ηri为级组相对内效率；h0为级组入口蒸汽焓值，kJ/kg；hc为级组出口蒸汽焓值，kJ/kg；hct为级组出口等熵蒸汽焓值，kJ/kg；

由上式可以推导出：

hc=h0-ηri(h0-hct)

(3)

由上式可以看出，级组入口参数和排汽压力确定的情况下，级组出口排汽焓hc和级组相对内效率ηri负相关，而排汽焓和排汽温度正相关，因此，如果仅从通流角度分析，提高排汽温度，需要降低相对内效率，这显然和热电联产的目的相左。因此，可以考虑间接加热的方式，即先膨胀做功，降低蒸汽温度，再通过外部加热，提升蒸汽温度，进而避免牺牲内效率，实现节能。

由上述分析可知，高参数供热主要问题是供热压力和温度匹配问题，常规的打孔抽汽方案无法满足要求，需要从压力和温度分别调节，实现二者的匹配，制定相应的技术方案。

基于上述分析，本文提出了“分级匹配，梯级利用”的高参数供热技术方法，即将供热的压力和温度分级匹配，增加匹配的灵活性，实现供热参数的精准控制，从而达到了梯级利用目的。

2.4 高参数供热技术方案

由前述分析可知，高参数供热方案制定时，需要从压力匹配和温度匹配两个角度单独分析。压力匹配方面：额定负荷下，亚临界机组主蒸汽和一段抽汽、超临界及以上等级机组主蒸汽、一段抽汽、冷再热蒸汽和热再热蒸汽压力，可以满足供热热压力需求，但温度偏低；温度匹配方面：采用蒸汽加热的方式，如高温蒸汽和低温蒸汽混合、供热蒸汽再热、烟气在再热等方法，可以提升蒸汽温度，满足供热的需求，组合上述压力和温度的技术，即可得到对应的技术方案。

根据前述分析，把压力和温度匹配技术组合后，制定了三种技术方案：方案1蒸汽混温技术方案；方案2烟气源再热技术方案和方案3蒸汽源再热技术方案，各方案详细介绍如下：

方案1蒸汽混温技术方案：如图1所示，按照压力匹配原则，该方案采用主蒸汽和一抽抽汽作为抽汽源；主蒸汽温度高于供热温度，一抽温度低于供热温度，两者按照混合后蒸汽温度满足供热蒸汽温度为原则，进行流量匹配，并在联箱内混合，实现温度和压力均衡。

图1 方案1示意图Fig.1 Schema 1 schematic diagram

方案2烟气源再热技术方案[24]：此方案从机侧抽取供热蒸汽，进入炉侧再热。在炉内布置供热专用加热受热面，用于加热机侧缸体新增供热抽汽，蒸汽经过炉侧加热到供热温度后，满足对外中压供热的需求，其供热系统简单示意图见图2。

图2 方案2示意图(炉内加热方式)Fig.2 Schema 2 schematic diagram (Heating in Boiler)

方案3蒸汽源再热技术方案[25-26]：此方案适合机组同时供热高压供热和中压供热的系统。该方案设计一个汽汽换热器，换热器高温蒸汽来自于机组热再蒸汽，低温蒸汽来自于缸体新增供热抽汽，经过汽汽换热器换热后，低温蒸汽温度提升至供热所需温度，满足高压供热需求；高温蒸汽冷却后，减温减压后用于中压供热。该方案巧妙的利用中压供热抽汽加热高压供热抽汽，在提高高压供热的同时，降低了中压供热温度，减少中压供热喷水量，实现能量的合理利用。方案示意图如图3。

图3 方案3示意图Fig.3 Schema 3 schematic diagram

3 结果与讨论

3.1 技术方案适用性分析

方案1系统布置较为简单，改造范围小，供热灵活，但由于直接对主蒸汽进行减温减压，其经济性较差，不符合国家节能减排大战略要求。

方案2烟气源再热技术方案，该方案的优点是：高参数供热再热能力强。烟气流量大，再热能力强，能够满足不同流量的高参数供热加热需求；蒸汽温度调节方便。采用喷水减温可以方便实现对高参数供热蒸汽温度的控制。缺点是：一是低供热流量下，炉侧受热面需设置防超温系统。为了保证炉侧供热蒸汽再热受热面不超温，需设置最小冷却蒸汽流量，根据设计加热流量的不同，最小冷却蒸汽流量在50～100t/h之间，即高参数供热所需蒸汽流量低于最小冷却蒸汽流量时，机侧抽汽量需按照最小冷却蒸汽流量抽取，在炉侧加热后，一部分对外供热，一部分回到系统内(如再热器入口)，继续做功，这样就造成了做功损失，降低了节能的效果。二是改造范围大。由于炉侧需要同步改造，系统由机侧抽汽至炉侧加热，改造范围大，改造费用高。

方案3蒸汽源再热技术方案再热系统放置在机侧，该方案的优点是：再热系统独立性高，该方案再热系统布置在汽机侧，再热系统为外置式，对主循环系统影响较小；高参数供热流量调节适应性好，在机组负荷满足的条件下，采用外置的换热器，可以根据供热需求灵活调节供热蒸汽流量。缺点是：一是存在高参数供热和中参数供热耦合的现象。在但该方法对供热的匹配要求较高，即高参数和中参数供热流量应满足一定的比例，才能满足高参数供热的加热要求，这种方案适合有较稳定的高参数供热机组，有足够中参数热负荷的能力消纳再热蒸汽加热后的蒸汽，这就限制了机组供热的灵活性。二是关键设备目前没有投运业绩。机侧再热中的核心设备汽汽交换器，目前在国内外火电领域，暂无投运案例。

此外，方案3在能够保证充分的中参数热用户时和方案2的节能效果基本相当；从技术成熟度上讲，方案2技术更成熟；从系统压损角度分析，方案3系统压力较小；从供热再热能力角度分析，方案2供热能力强。

综上所述，方案2和方案3各有优劣，可以根据具体边界条件，合理选用；方案1不符合国家政策，不推荐使用。

3.2 技术方案节能分析

以某亚临界300MW机组为例，在额定抽汽量下各方案分析数据见下表5。

表5 各方案技术经济性参数对比(主进汽量1094t/h，高压供热165t/h)Tab.5 Comparison of technical and economic parameters of various schemes (main steam :1094t/h, high-pressure heating: 165t/h)

采用不同的供热蒸汽再热方式，机侧供电煤耗是不变的，主要原因是：再热方式影响冷再和热再抽汽的流量分配，而再热系统抽汽是属于汽轮机系统之外的抽汽，只有总抽汽量(冷再和热再抽汽量之和)相同，对于机侧来讲，对热耗影响是相同的。在供热量为100t/h时，各方案的分析数据见表6。

表6 各方案技术经济性参数对比(主进汽量1094t/h，高压供热100t/h)Tab.6 Comparison of technical and economic parameters of various schemes (main steam : 1094t/h, high-pressure heating :100t/h)

由上述两个工况对比分析来看，高压供热量越大，则采用方案2和方案3相比较方案1的节能量越大，这是因为在供热量大时，方案1需要抽汽的主蒸汽流量越大，经济性越差。