论文部分内容阅读
[摘 要]火力发电是煤炭资源最高效的利用形式之一。然而，受环境条件和热力学基本规律的约束，燃煤火力发电的能源转换和利用效率仅能达到40%左右。直接空冷汽轮机的乏汽余热回收可有效降低电厂散热损失，提高电厂整体热效率。回收汽轮机乏汽余热后将极大提高电厂的供热能力。文章介绍300MW直接空冷汽轮机高背压供热的改造方案。
[关键词]直接空冷;余热回收;高背压
[中图分类号]TM621 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）05–00–02
Brief Analysis on High Back Pressure Heating Reform
of 300 MW Direct Air-cooled Steam Turbine
Sun Hong-liang，Han Quan-wen，Chang Jia-ming
[Abstract]Thermal power generation is one of the most efficient forms of utilization of coal resources. However， subject to environmental conditions and the basic laws of thermodynamics， the energy conversion and utilization efficiency of coal-fired thermal power generation can only reach about 40%. The exhaust heat recovery of the direct air-cooled steam turbine can effectively reduce the heat dissipation loss of the power plant and improve the overall thermal efficiency of the power plant. After recovering the exhaust heat of the steam turbine， the heating capacity of the power plant will be greatly improved.
[Keywords]direct air cooling; waste heat recovery; high back pressure
熱电联产机组将高品质热量用于发电，低品质热量用于供热，可有效减少冷源损失，显著提高能源转换利用率，具有显著的节能减排经济社会效益。大型空冷机组汽轮机长期运行的安全背压可达到35 kPa，对应的排汽温度可达72 ℃左右。丰富的余热能源，为构建低位能供热系统奠定了基础[1]。辽宁调兵山煤矸石发电有限责任公司（以下简称“调兵山电厂”）于2014年将2台300 MW凝汽机组改造为抽凝机组，单台机组额定抽汽量250 t/h，供热能力180 MW，总供热能力360 MW。同时，调兵山电厂还拥有两台6 MW背压式汽轮发电机和4台电蓄热调峰锅炉。该电厂承担着沈阳市法库县全部、辽宁省调兵山市部分供暖负荷。随着社会发展，城市城区不断扩建、改造，电厂的供暖负荷在逐年增大。
1 总体改造方案
1.1 高背压凝汽器改造
根据机组及热负荷需求实际情况，调兵山电厂对2号机组进行了高背压供热改造，改造后，热网回水首先经过2号机组高背压凝汽器，利用2号机组乏汽潜热加热至70.5 ℃（35kPa）后，再供至热电蓄热与小机热网站，最后再送至热网站，加热至所需温度后，供至热用户。改造后供热原理如图1所示。
对于汽轮机空冷管道，在2号机组原有竖直的排汽管道上接出一根DN3200管道，接至热网凝汽器蒸汽入口，新增乏汽管道上加装电动真空蝶阀，汽轮机额定背压11 kPa，最高运行背压35 kPa。原空冷岛两根无阀门的支管，各增设一个电动真空蝶阀。冬季采暖季时，将乏汽管道上的电动蒸汽隔离阀打开，部分乏汽通过管道进入热网凝汽器进行冷凝供热;夏季非采暖季时，关闭乏汽管道上的隔离阀，使热网凝汽器隔绝，汽轮机所有排汽由空冷系统冷却。
1.2 热网循环水系统改造
电厂热网循环水回水管经过高背压凝汽器，加热热网循环水后分成3路，第一路进入电蓄热，加热后送至热网站，第二路通过一根DN700的管道送至小机热网站，第三路为旁路管道，与第一路汇至一根DN800的管道至热网站。在第一路和第三路设有调节阀，保证至电蓄热和小机热网站的热网循环水流量为3000 t/h左右。
为保证凝结温度不超标，热网回水引出一DN350的支路，用于冷却2号机组凝结水，凝结水冷却器冷却水进出水管道上均设点动可调电动门，可根据凝结水出口温度进行水量调节。
2 改造难点和解决办法
2.1 小容积流量工况对排汽缸的影响
汽轮机末级排汽是影响排汽缸运行的关键因素，汽轮机在高背压工况下运行，汽轮机末级处于小容积流量工况下，末级动叶后根部出现涡流，脱流高度增加，出口流量分布发生改变，对排汽缸内流场以及气动性能的影响不容忽视[2]。根据权威计算，当汽轮机背压升高到15 kPa（相对容积流量k=0.36）时，负攻角首先导致末级动叶50%叶高截面前缘区域发生流动分离，随着流量的进一步减小，流动分离产生的涡逐渐增大;90%叶高处由于扭转角度较大，负攻角的作用一直不大，但是压力升高到25 kPa（相对容积流量k=0.23）时，开始受到静叶扩压和动叶离心力产生的叶顶涡的影响，流场比较混乱[3]。
过小的容积流量可导致降低末级效率、叶片发生振颤甚至断裂、低压缸末级动叶水侵蚀等一系列不利影响。为保证汽轮机末级的安全运行，应对高背压供热带来的影响，对汽轮机的整体参数进行了详细计算。计算后得出汽轮机高背压运行工况图如图2所示。该曲线的绘制，将为汽轮机高背压运行提供指导性的依据，从而保证低压缸的安全。 2.2 高背压供暖对空冷岛防冻的影响
东北地区的冬季环境温度较低，对直接空冷机组带来不小的安全隐患。汽轮机高背压供热改造后，大部分蒸汽进入高背压凝汽器，只有少量蒸汽进入空冷岛散热，虽然空冷岛各蒸汽列有阀门隔离，但大型蒸汽蝶阀的密封率只能做到97%左右，尽管阀门关闭，空冷岛还是有少量蒸汽流通，极易发生空冷岛冬季的恶劣事件，严重影响汽轮机安全运行。解决高背压供热后的空冷岛防冻问题一般有两种：①空冷岛部分蒸汽列采取关闭进汽蝶阀、关闭抽真空阀、保持开启凝结水阀的方式备用。此种方法降低了空冷岛发生冻结的风险，但不适用于东北这样的极寒天气。②空冷岛部分蒸汽列采取关闭进汽蝶阀、关闭抽真空阀、关闭凝结水阀、破坏部分蒸汽列真空的方式。此种方法可以完全阻止蒸汽进入空冷岛，对于空冷岛有着较高的防冻能力。调兵山电厂高背压供热改造后将六列空冷岛其中的三列采取这种方式进行防冻，另外三列利用风筒防冻装置、散热片表面感温电缆等手段进行防冻。
2.3 改造后机组灵活性问题
汽轮机高背压供热改造后，原则上回收汽轮机乏汽余热越多、空冷岛散热量越小，对经济性越有力。但是，随着时代的进步与发展，新能源发电已日趋常态化，我国已拥有全球最大风电、光伏装机容量。为了煤电和新能源之间可形成协作关系，目前国家电网对火电机组的灵活性要求在逐步增大。同时，供热负荷也是根据环境温度而设定的。汽轮机的排汽量多少与汽轮机负荷成正比，这样，就会有汽轮机乏汽与供热负荷不对应的状况出现。
为了调配电网灵活性和供热负荷相适应，仔细计算了汽轮机排汽和余热回收的相关数据，得出汽轮机排汽压力在20 kPa、35 kPa时各项运行参数对比，见表1。
通过参数对比，汽轮机在180～250 MW时的运行方式最经济。如果机组进行深度调峰，可适当降低汽轮机背压运行，以满足低压缸安全性。同时，不足的供热负荷可由另一台汽轮机供热抽汽和电蓄热锅炉补充。机组负荷调整时，由原来的单机调度方式调整为全厂调度方式。即优先由临机的抽凝机组调整。当另一台机组达到最大出力后，再由高背压供热机组增加负荷，负荷增加后根据热负荷的多少调整汽轮机上岛蒸汽量。
3 改造后的经济性
直接空冷机组高背压供热改造充分利用了机组余热损失，提高了机组循环热效率，通过采取保障措施，可以增加高背压供热改造的安全性[4]。通过高背压供热改造，调兵山电厂的供热能力可由360 MW提高至538.5 MW，可替代供热蒸汽247 t/h，供热能力得到的极大的改善。高背压供热改造后回收了大部分汽轮机乏汽余热，与常规抽汽供热相比年节约标煤4.8×104 t，增加的了电厂的能源转化率，采暖季可实现降低发电标煤80～100 g/kW·h。
4 结语
在全世界倡导低碳环保的大环境下，如何实现低能耗居民供暖或使用清洁能源供暖是当代所研究的课题。如今火力发电厂的能源利用率仅为40%，剩余的60%能源以低品位热源的方式散入外界环境中。不仅会产生能源浪费，还会增加环境污染。汽轮机高背压供热的改造就是利用電厂的低品位热源，改变汽轮机运行方式，达到清洁、经济供热的目的。通过详细的数据分析，找出直接空冷汽轮机高背压供热改造的难点，逐一解决，为同类型机组的提效改造做出参考。
参考文献
[1] 卫永杰.热电联产远距离低能耗集中供热技术研讨会论文集[C].2018.
[2] 王智，刘艺苗.小容积流量工况对排汽缸的影响分析[J].汽轮机技术，2018，60（5）：332-334.
[3] 张炳文，李天巍，李勇.小容积流量下汽轮机末级叶片流场特性分析[J].汽轮机技术，2016（2）：114-118.
[4] 刘冬升，王文营.直接空冷机组高背压供热改造分析[J].河北电力技术，2016（1）：48-50.
[关键词]直接空冷;余热回收;高背压
[中图分类号]TM621 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）05–00–02
Brief Analysis on High Back Pressure Heating Reform
of 300 MW Direct Air-cooled Steam Turbine
Sun Hong-liang，Han Quan-wen，Chang Jia-ming
[Abstract]Thermal power generation is one of the most efficient forms of utilization of coal resources. However， subject to environmental conditions and the basic laws of thermodynamics， the energy conversion and utilization efficiency of coal-fired thermal power generation can only reach about 40%. The exhaust heat recovery of the direct air-cooled steam turbine can effectively reduce the heat dissipation loss of the power plant and improve the overall thermal efficiency of the power plant. After recovering the exhaust heat of the steam turbine， the heating capacity of the power plant will be greatly improved.
[Keywords]direct air cooling; waste heat recovery; high back pressure
熱电联产机组将高品质热量用于发电，低品质热量用于供热，可有效减少冷源损失，显著提高能源转换利用率，具有显著的节能减排经济社会效益。大型空冷机组汽轮机长期运行的安全背压可达到35 kPa，对应的排汽温度可达72 ℃左右。丰富的余热能源，为构建低位能供热系统奠定了基础[1]。辽宁调兵山煤矸石发电有限责任公司（以下简称“调兵山电厂”）于2014年将2台300 MW凝汽机组改造为抽凝机组，单台机组额定抽汽量250 t/h，供热能力180 MW，总供热能力360 MW。同时，调兵山电厂还拥有两台6 MW背压式汽轮发电机和4台电蓄热调峰锅炉。该电厂承担着沈阳市法库县全部、辽宁省调兵山市部分供暖负荷。随着社会发展，城市城区不断扩建、改造，电厂的供暖负荷在逐年增大。
1 总体改造方案
1.1 高背压凝汽器改造
根据机组及热负荷需求实际情况，调兵山电厂对2号机组进行了高背压供热改造，改造后，热网回水首先经过2号机组高背压凝汽器，利用2号机组乏汽潜热加热至70.5 ℃（35kPa）后，再供至热电蓄热与小机热网站，最后再送至热网站，加热至所需温度后，供至热用户。改造后供热原理如图1所示。
对于汽轮机空冷管道，在2号机组原有竖直的排汽管道上接出一根DN3200管道，接至热网凝汽器蒸汽入口，新增乏汽管道上加装电动真空蝶阀，汽轮机额定背压11 kPa，最高运行背压35 kPa。原空冷岛两根无阀门的支管，各增设一个电动真空蝶阀。冬季采暖季时，将乏汽管道上的电动蒸汽隔离阀打开，部分乏汽通过管道进入热网凝汽器进行冷凝供热;夏季非采暖季时，关闭乏汽管道上的隔离阀，使热网凝汽器隔绝，汽轮机所有排汽由空冷系统冷却。
1.2 热网循环水系统改造
电厂热网循环水回水管经过高背压凝汽器，加热热网循环水后分成3路，第一路进入电蓄热，加热后送至热网站，第二路通过一根DN700的管道送至小机热网站，第三路为旁路管道，与第一路汇至一根DN800的管道至热网站。在第一路和第三路设有调节阀，保证至电蓄热和小机热网站的热网循环水流量为3000 t/h左右。
为保证凝结温度不超标，热网回水引出一DN350的支路，用于冷却2号机组凝结水，凝结水冷却器冷却水进出水管道上均设点动可调电动门，可根据凝结水出口温度进行水量调节。
2 改造难点和解决办法
2.1 小容积流量工况对排汽缸的影响
汽轮机末级排汽是影响排汽缸运行的关键因素，汽轮机在高背压工况下运行，汽轮机末级处于小容积流量工况下，末级动叶后根部出现涡流，脱流高度增加，出口流量分布发生改变，对排汽缸内流场以及气动性能的影响不容忽视[2]。根据权威计算，当汽轮机背压升高到15 kPa（相对容积流量k=0.36）时，负攻角首先导致末级动叶50%叶高截面前缘区域发生流动分离，随着流量的进一步减小，流动分离产生的涡逐渐增大;90%叶高处由于扭转角度较大，负攻角的作用一直不大，但是压力升高到25 kPa（相对容积流量k=0.23）时，开始受到静叶扩压和动叶离心力产生的叶顶涡的影响，流场比较混乱[3]。
过小的容积流量可导致降低末级效率、叶片发生振颤甚至断裂、低压缸末级动叶水侵蚀等一系列不利影响。为保证汽轮机末级的安全运行，应对高背压供热带来的影响，对汽轮机的整体参数进行了详细计算。计算后得出汽轮机高背压运行工况图如图2所示。该曲线的绘制，将为汽轮机高背压运行提供指导性的依据，从而保证低压缸的安全。 2.2 高背压供暖对空冷岛防冻的影响
东北地区的冬季环境温度较低，对直接空冷机组带来不小的安全隐患。汽轮机高背压供热改造后，大部分蒸汽进入高背压凝汽器，只有少量蒸汽进入空冷岛散热，虽然空冷岛各蒸汽列有阀门隔离，但大型蒸汽蝶阀的密封率只能做到97%左右，尽管阀门关闭，空冷岛还是有少量蒸汽流通，极易发生空冷岛冬季的恶劣事件，严重影响汽轮机安全运行。解决高背压供热后的空冷岛防冻问题一般有两种：①空冷岛部分蒸汽列采取关闭进汽蝶阀、关闭抽真空阀、保持开启凝结水阀的方式备用。此种方法降低了空冷岛发生冻结的风险，但不适用于东北这样的极寒天气。②空冷岛部分蒸汽列采取关闭进汽蝶阀、关闭抽真空阀、关闭凝结水阀、破坏部分蒸汽列真空的方式。此种方法可以完全阻止蒸汽进入空冷岛，对于空冷岛有着较高的防冻能力。调兵山电厂高背压供热改造后将六列空冷岛其中的三列采取这种方式进行防冻，另外三列利用风筒防冻装置、散热片表面感温电缆等手段进行防冻。
2.3 改造后机组灵活性问题
汽轮机高背压供热改造后，原则上回收汽轮机乏汽余热越多、空冷岛散热量越小，对经济性越有力。但是，随着时代的进步与发展，新能源发电已日趋常态化，我国已拥有全球最大风电、光伏装机容量。为了煤电和新能源之间可形成协作关系，目前国家电网对火电机组的灵活性要求在逐步增大。同时，供热负荷也是根据环境温度而设定的。汽轮机的排汽量多少与汽轮机负荷成正比，这样，就会有汽轮机乏汽与供热负荷不对应的状况出现。
为了调配电网灵活性和供热负荷相适应，仔细计算了汽轮机排汽和余热回收的相关数据，得出汽轮机排汽压力在20 kPa、35 kPa时各项运行参数对比，见表1。
通过参数对比，汽轮机在180～250 MW时的运行方式最经济。如果机组进行深度调峰，可适当降低汽轮机背压运行，以满足低压缸安全性。同时，不足的供热负荷可由另一台汽轮机供热抽汽和电蓄热锅炉补充。机组负荷调整时，由原来的单机调度方式调整为全厂调度方式。即优先由临机的抽凝机组调整。当另一台机组达到最大出力后，再由高背压供热机组增加负荷，负荷增加后根据热负荷的多少调整汽轮机上岛蒸汽量。
3 改造后的经济性
直接空冷机组高背压供热改造充分利用了机组余热损失，提高了机组循环热效率，通过采取保障措施，可以增加高背压供热改造的安全性[4]。通过高背压供热改造，调兵山电厂的供热能力可由360 MW提高至538.5 MW，可替代供热蒸汽247 t/h，供热能力得到的极大的改善。高背压供热改造后回收了大部分汽轮机乏汽余热，与常规抽汽供热相比年节约标煤4.8×104 t，增加的了电厂的能源转化率，采暖季可实现降低发电标煤80～100 g/kW·h。
4 结语
在全世界倡导低碳环保的大环境下，如何实现低能耗居民供暖或使用清洁能源供暖是当代所研究的课题。如今火力发电厂的能源利用率仅为40%，剩余的60%能源以低品位热源的方式散入外界环境中。不仅会产生能源浪费，还会增加环境污染。汽轮机高背压供热的改造就是利用電厂的低品位热源，改变汽轮机运行方式，达到清洁、经济供热的目的。通过详细的数据分析，找出直接空冷汽轮机高背压供热改造的难点，逐一解决，为同类型机组的提效改造做出参考。
参考文献
[1] 卫永杰.热电联产远距离低能耗集中供热技术研讨会论文集[C].2018.
[2] 王智，刘艺苗.小容积流量工况对排汽缸的影响分析[J].汽轮机技术，2018，60（5）：332-334.
[3] 张炳文，李天巍，李勇.小容积流量下汽轮机末级叶片流场特性分析[J].汽轮机技术，2016（2）：114-118.
[4] 刘冬升，王文营.直接空冷机组高背压供热改造分析[J].河北电力技术，2016（1）：48-50.