大中型火电机组与凝汽发电机组的供热改造初探

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【摘 要】由于大量燃煤造成燃煤运输紧张和环境污染。国家发改委决定将大中型火电机组改造为供热机组是英明决策， 既可节约能源又可代替分散供热的小锅炉以改善环境质量。目前世界各国均将发展热电联产集中供热做为节约能源改善环境的有效措施。

【关键词】凝汽机改供热节能热电联产供热负荷规划运行

中图分类号：TU855 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）35-259-01

要用热电联产集中供热为主的方式替代城市燃煤小锅炉， 提高热电联产在供热中的比例， 扩大供热范围。笔者认为这是对热电联产定位的充分肯定， 也是我国能源工业走向真正节能环保的健康之路。在一般电力工业的技术改造中应体现热电联产优先的政策。

热电联产是解决采暖、用汽的高效环保方式， 但大量建设热电项目受到电力建设总量的制约。为解决这一难题， 将部分城市和工业区周边的现役发电机组改造为供热机组是一项较好的选择， 如能实行， 既不增加电力装机规模， 又可增加供热能力， 按照以热定电方式运行， 提高能源利用率， 减少城市环境污染。

我国城市周边现役纯凝发电机组改为供热机组， 在技术上是可行的， 实施供热改造可取得较好的节能环保效益。具备供热改造条件的现役电厂情况。供热改造技术的可行，如现役电厂12. 5 万kW 及以上的纯凝机组进行供热改造， 在技术上是可行的。可采用中低压缸导汽管抽汽方案进行采暖抽汽（必要时增设背压机）、工业抽汽供热改造， 也可采用在冷段或中压缸抽汽方案进行工业用汽供热改造； 供热改造方案的选择应视机组状况、热负荷需求等具体情况， 因地制宜， 通过全面综合技术经济论证确定。

供热改造后节能环保效果较好，如果电网区域具备供热改造条件的纯凝发电机组， 如果全部改造， 预计可实现采暖能力， 相当于新建100 台30万kW 采暖供热机组。由于增加了供热能力， 替代了小锅炉， 提高了能源利用效率， 与改造前相比， 在发相同电量情况下， 既使不考虑替代小锅炉的节煤量， 每年仍可节约标煤约千万吨，减少上万吨二氧化硫的排放量。那些具备供热改造条件的纯凝发电机组经改造后， 预计每年可节约标煤约二千万吨。可大大减少二氧化硫与粉尘的排放量。

火电机组改供热，由于凝汽火电机组改供热机组是利国利民的大好事， 电厂受益， 社会受益。所以已有一大批火电厂改造为热电厂。然而，在供热改造工作中也存在着许多问题。根据调查资料发现， 虽然纯凝机组供热改造效率显著， 但近年来改造工作进展不大， 主要原因有： 工业区供热规划工作滞后， 特别是地方的工业区缺少供热规划； 例如有一些经济比较发达的省份， 国民经济发展很快， 大的工业区很快形成， 而规划滞后， 只有少数地区编制了城市热电联产规划， 以致工业小锅炉迅猛发展， 既浪费能源又不污染环境， 地方政府又控制不力， 应引起中央的重视。工业区供热管网规模小、分散独立、条块分隔， 热网建设缺乏前瞻性。部分工业区热价不合理、配套热网建设资金不落实， 电力企业得不到合理经济回报， 影响企业和投资方积极性。部分地方政府和企业热衷于新建大型热电项目， 对现役电厂纯凝机组供热改造缺乏积极性。上面种种几条原因中， 除部分地方政府和企业热衷于新建大型热电项目， 对现役电厂纯凝机组供热改造缺乏积极性这条是认识上的问题外， 其他几条都属于供热规划管理和供热体制、机制方面的问题。

热电联产机组与纯凝汽式机组相比， 即提高能源利用率又保护了环境， 是发电企业节能减排的一项重要手段。将纯凝汽式汽轮机组改造为供热机组是实现热电联产最为快捷和有效的方法。

纯凝机组供热改造是当前缓解我国部分城市和工业园区热力需求的一个便捷方法， 对促进当前节能减排工作也有明显的积极作用， 应当大力推进。针对存在的问题提出建议：

将现役机组供热改造工作当作当下热电联产的重点工作， 积极推进， 是可以争取取得成效的。要分析纯凝机组供热改造的可能性， 具备条件的应当考虑安排供热改造。

纯凝汽轮机组供热改造的基本原则是在对经济性影响较小的情况下， 应用新技术尽可能保留现有设备， 即汽轮发电机组的基础不动， 各轴承座及轴承跨距保持不变； 高中压外缸及低压外缸不换， 各管道接口位置不变； 汽轮机与发电机连接方式和位置不变； 机组主、再热门及与外缸保持不变； 现有进排汽参数基本不变。

纯凝汽轮机组供热改造有以下一些方法：

降低排汽真空度法。将纯凝汽机组或抽凝机组改成低真空运行， 使用循环水供热。其基本原理是降低凝汽器的真空， 提高汽轮机的排汽温度， 将凝汽器的循环水直接作为采暖用水为热用户供热， 从而实现汽轮机低真空循环水供暖的目的。

对于降低排汽真空度， 使用循环水供热的方法， 利用凝结热加热循环水， 使循环水代替热网水供热， 可以消除冷源损失， 方法简单易行， 投资小， 但是降低真空度提高背压会对机组的功率、安全性和凝汽器产生一定的影响。在热负荷较大的情况下， 为保证热网的循环水温度， 可以在热网系统设置热网加热器， 利用抽汽来加热热网循环水， 这样既保证低真空安全运行， 又使热网循环水达到供热温度要求。凝汽式机组改为低真空运行时， 通常都在冬季低真空下运行， 而在其它季节恢复纯凝工况运行。该方法是将凝汽器变为供热的循环水加热器， 因此， 需要另行设计改造， 以满足强度和换热的要求。

改造为背压式汽轮机。凝汽式汽轮机改造为背压式汽轮机， 利用排汽供热， 从根本上改变了汽轮机的热力工况， 实际上仅仅利用凝汽式汽轮机的现有结构， 重新进行热力计算、结构改造设计、强度计算以及调节系统设计等。因此这种改造因机型不同、要求不同， 改造方法也不相同。

将原有的凝汽式汽轮机改造为背压式汽轮机， 直接利用排汽供热， 省掉了凝汽器， 而且完全没有冷源损失， 与凝汽式汽轮机相比背压式汽轮机组的能源利用率比抽汽式汽轮机高。但是蒸汽没有完全膨胀发电效率低。同时， 当热负荷变化时调整起来不方便， 因为背压式汽轮机的特点是以热定电， 电负荷随热负荷的变化而变化， 所以该方法只适应于热负荷比较稳定的情况。在热负荷不稳定的情况下， 不宜进行这种改造。该方法一般用在避免暂时关停的小机组上。

汽轮机汽缸上直接开孔法。汽缸上开非调整抽汽口， 利用抽汽供热。由于凝汽式汽轮机结构布置和轴尺寸的限制， 非调整抽汽口一般开在前缸复速级后， 多在前缸下部开孔。抽汽口采取对称布置， 以便使汽流在汽缸内对称流动。为了减少孔口在圆周方向上的长度， 开孔尽可能为椭圆形， 开孔尺寸根据抽汽参数、抽汽量和蒸汽流速计算确定。凝汽式汽轮机开非调整抽汽口是凝汽式机组供热改造的最简单的方式之一， 改造方法简单易行， 改造费用低， 但仅仅适合在热负荷稳定、用汽量不大、抽汽压力较高的场合。由于仅仅使用了抽汽供热， 没有利用凝汽器的排气废热， 所以依然存在冷源损失， 热经济性不高。目前， 我国许多凝汽式小机组大都进行这样的改造， 效果较好。

压力匹配器法。从进汽母管引一管道接到压力匹配器的驱动蒸汽接口。将汽轮机抽汽口和压力匹配器的吸汽口连接， 压力匹配器和汽轮机中间安装止回阀和速关阀， 防止汽轮机甩负荷时压力匹配器中蒸汽倒流入汽轮机。在压力匹配器出口装设压力变送器， 当供汽压力低于设定值时， 仪表箱中的调节器发一信号给压力匹配器上的电动执行器， 电动执行器开大针型阀， 增加压力匹配器中喷嘴喉部面积， 增大驱动蒸汽流量， 吸入的汽轮机抽汽量也随着增加。在汽轮机的电负荷不变时， 汽轮机调节汽门开大， 汽轮机的进汽量也增大， 同时驱动蒸汽的部分压力传递给了抽汽。在外界用汽量减少、压力匹配器出口压力增大时， 上述的动作相反。这样就保证了在汽轮机电负荷不变时， 外界用汽量改变， 而供汽压力不变。

在外界用汽量不变汽轮机电负荷增加时， 汽轮机的调节汽门开大， 汽轮机的抽汽压力增加， 压力匹配器出口压力也增加， 这时压力匹配器的针形调节阀就关小， 减少驱动蒸汽的流量， 从而保证外界用汽压力不变。为了提高凝汽机组的经济性， 很多凝汽式汽轮机组通过打孔抽汽改成供热机组。打孔抽汽是不可调节的， 即在电力负荷变化时抽汽压力也随着变化。为了克服凝汽式汽轮机打孔抽汽压力不可调节的缺点， 通过压力匹配器， 将打孔抽汽改为可调节抽汽， 则可提高打孔抽汽供热的适应性， 提高运行的稳定性。对此， 以起到供汽和发电的作用， 同时适合热负荷和电负荷变化的要求。

用压力匹配器改造大型凝汽机组为供热机组的优点是改造工作量小， 机组本体基本上可以不改变， 供热参数灵敏稳定， 调节范围大， 在机组滑参数运行过程中可以稳定供热， 参数不变。除了利用高压缸、低压缸排汽供热外， 还可以作回热抽汽器的抽汽供热。该方法应用在热电联产系统中经济效益显著， 对于300MW 纯凝机组改为抽凝供热机组， 供电煤耗可降低约23g /kW.h， 投资回收期1 ～5 个月。

联通管抽汽法：联通管抽汽法是修改大型汽轮机中低压缸连通管的布置， 采用打孔抽汽方式从中低压缸连通管向外引出一根抽汽管道， 作为供热汽源， 在连通管加装三通及连通管抽汽调节阀。从抽汽管引出后依次加装安全阀、抽汽逆止阀、快关阀、抽汽压力调节阀。抽汽进入热网换热站加热器进行换热， 汽侧疏水通过疏水泵打到本机高压除氧器， 回到主凝结水系统。

对于目前国内主流的300MW 机组， 其供热改造方案建议如下： 汽轮机连通管打孔抽汽供热， 供热抽汽管道直接从高低压缸的联通管上引出， 进入热网换热站加热器进行换热。汽侧输水通过疏水泵打到本机高压除氧器， 回到主凝结水系统。供热抽汽管道设计为DN1000。在抽汽管道上依次设置两个DN1000 流量连通管抽汽调节蝶阀、安全阀、抽汽止回阀、快关阀、抽汽压力调节阀以及一个电动闸阀， 安全阀选用两个DN350的重锤式安全阀。当抽汽压力提高到0. 294MPa 时， 最大抽汽量可达230t/h； 当抽汽压力下降到0. 196MPa 时， 最大抽汽量下降至165t/h 左右。设置止回阀和快关阀的目的： 当机组甩负荷解列时， 供热管道内的蒸汽会倒入低压缸， 造成机组超速， 因此在供热抽汽管道上加装止回阀和快关阀， 其目的是设置多重冗余安全功能。抽汽压力调节阀主要作用是调节阀后抽汽压力， 从而调节供热量。电动闸阀主要作用是检修时截断汽源或两机之间串汽。抽汽止回阀和抽汽电动闸阀前后加装疏水调节门、自动疏水器、旁路门至本机疏水管。

联通管抽汽法， 汽轮机结构没有变化， 仅仅是在联通管上增加了一套抽汽供热管道系统， 简便易行， 投资不大， 机组灵活性较好， 但可能出现参数与供热需求匹配不尽合理的现象。该方法适用在100MW 以上超高压或亚临界纯凝汽式汽轮机的供热改造中。在抽汽量较大的情况下， 用该方法较好， 一般用在采暖抽汽。

通过以上纯凝机组供热改造方法的分析可以看出， 将纯凝机组改造为供热机组， 利用汽轮机打孔抽汽和压力匹配器联合运行的改造方法， 简便易行、适应性较强、投资小、不改动汽机本体、安全可靠， 一般半年内即可回收投资。该方法是300WM 及以上机组供热改造值得借鉴的方法。这是一种大型凝汽式机组改造成供热机组的新途径。

连通管抽汽供热改造方法改造难度不大， 同时适合抽汽量较大的情况， 该方法也是300WM 及以上机组供热改造值得参考的方法。