600MW亚临界供热机组灵活性供热改造分析

600MW亚临界供热机组灵活性供热改造分析

周新乐，王鹏

（华电内蒙古能源有限公司包头发电分公司，包头 014013）

摘要：为满足当前的国家双碳目标和响应国家清洁能源消纳政策,华电包头公司两台燃煤供热机组整体进行了灵活性改造（调峰至30%THA负荷）。文章主要分析了汽轮机在完成凝抽背供热技术改造后，机组发电调峰能力和供热能力的提升情况。凝抽背供热供热改造技术在600 MW亚临界湿冷机组应用后，在现有的热网抽汽管道条件下，机组供热能力增加了约90MW，深度调峰能力最大增加了约110MW，而且各项运行参数稳定，系统安全，该项技术应用可以大幅提升汽轮机排汽热能回收，有着非常可观的经济效益，在内蒙区域能源保供、新能源消纳、节能减排等方面具有显著的社会效益和环保效益。

关键词：深度调峰; 凝抽背供热; 节能减碳;灵活性改造

Analysis on flexible heating transformation of 600 MW subcritical heating unit

ZHOU Xinle, LIANG Laiwang

(Inner Mongolia Huadian Energy Co.,Ltd. Baotou Generation Branch, Baotou  014013, China)

Abstract : In order to meet the current national dual-carbon target and respond to the national clean energy consumption policy, two coal-fired heating units of Huadian Baotou Company have been flexibly transformed ( peak shaving to 30 % THA load ). This paper mainly analyzes the improvement of the power generation peaking capacity and heating capacity of the unit after the steam turbine has completed the technical transformation of the condensate pumping back heating. After the application of the condensing extraction back heating and heating transformation technology in the 600 MW subcritical wet cooling unit, the heating capacity of the unit has increased by about 90 MW under the existing heating network extraction pipeline conditions, and the deep peak shaving capacity has increased by about 110 MW, and the operating parameters are stable and the system is safe. The application of this technology can greatly improve the recovery of steam turbine exhaust heat energy, and has very considerable economic benefits. It has significant social and environmental benefits in energy supply, new energy consumption, energy conservation and emission reduction in Inner Mongolia.

Key words：Deep peak regulation ; condensation pumping back heating ; energy saving and carbon reduction ; flexibility transformation

0引言

在碳达峰、碳中和目标指引下，煤电由主力电源逐步向“支撑型”、“调节型”电源转变，构建以新能源为主体的新型电力系统，推动煤电整体定位优化与绿色健康可持续发展。在此背景下，电网平衡安全运行将面临不小挑战。内蒙古风电出力主要集中在春冬两季，光伏出力主要集中在夏秋两季，随着“风光”总装机占比的大幅提升，电网实时平衡的难度越来越大，大幅提升电力系统调节能力已迫在眉睫。在此形势下，作为全国煤电大省的内蒙古，采暖季“电热矛盾”尤为突出，在发展新能源、解决新能源消纳问题上，还要为缓解能源保供压力和热电矛盾方面做出更多努力。随着新能源消纳压力快速增大，传统热电联产机组如何在不影响供热能力的前提下提高调峰能力，是热电机组灵活性改造时需要特别考虑的问题。新型凝抽背供热改造技术是一个很好的选择，可以实现机组在凝汽、抽汽及背压工况下运行，具备凝汽、抽汽、背压式机型的多方优点，机组供热量大且机组调峰能力强。

1电厂的现状简介

该电厂2005年建设2×600MW燃煤纯凝发电机组，汽轮机为亚临界、中间一次再热、单轴、三缸四排汽、冷凝式湿冷机组。#1、#2机组分别于2006年10、12月投产。2009年末，公司2×600MW纯凝汽式机组进行了低压缸连通管打孔抽汽改造，改造成了供热机组。改造后单机额定抽汽量400t/h，最大电负荷553.4MW，最大抽汽量450t/h，供热面积800万平方米。2015年为了提高现有机组的供热能力和经济性，配套安装6台单机容量为60MW蒸汽驱动型溴化锂吸收式热泵，回收#2机组循环水回水的部分余热148MW，增加了300万㎡供热负荷。该2020-2021 采暖季极寒期实供折合供热面积1165.04万m2，供热综合热指标按 50W/㎡，折合供热负582.52MW。

为了实现电网深度调峰需求，以供热期两台机组同时参与 30%深调条件下，满足现状热负荷，2022年7月至10月分别对2台600 MW机组进行了灵活性改造。将原有的低压缸进汽快开调整阀（非全关闭阀）更换为全关闭阀，在阀后各增加了一路低压缸冷却蒸汽，通入低压缸冷却低压缸叶片。原热网抽汽快关阀及阀后系统维持不变。在机组负荷较低时，可以通过切除单个或两个低压缸来提高热网抽汽量（由于目前热网抽汽管道管径条件限制，只能采取切单缸的运方式）。30%电负荷时，切单缸抽汽200t/h，切双缸抽汽661t/h，可以采取切单缸（零出力模式）配合开关另一个缸的进汽快开调节阀（抽汽模式）来调节抽汽量200t/h～450t/h（由于目前热网抽汽管道管径条件限制，无法实现双切缸）。

表 1   汽轮机主要设计参数表

2新型凝抽背供热改造技术原理[2]

新型凝抽背供热技术，是对国内汽轮机行业原有设计理念的重大突破，是一种区别于加装有3S离合器的凝抽背供热技术，此种技术可以在低压转子不脱离，整体轴系始终同频运转的情况下，通过中低压缸连通管新加装的全密封、零泄漏的液压蝶阀启闭动作实现低压缸进汽与不进汽的灵活切换。是在原抽凝/纯凝运行机组的基础上，新增（或更换）中低压连通管处阀门为可关到零位并全密封的调节蝶阀，实现了低压缸可不进汽的要求，使低压转子在高真空条件下“空转”运行，将全部中压排汽引出供热的新型供热改造技术。同时为缩短微量漏气在低压缸内的滞留时间，防止鼓风超温的危险发生，需将极小流量的冷却蒸汽引入低压缸，并开启低压缸喷水减温系统，其流程图如图1所示。主要优点是投资少，机组灵活性较好，可根据需要随时进行抽汽、背压工况（切缸）切换，机组调峰能力强。缺点是背压工况（切缸工况）下排汽压力高，对机组出力影响大。

供热机组供热期一般是以“以热定电”的方式运行，由于需要兼顾低压缸最小冷却流量，电负荷可以调节的空间较小或完全没有调节空间，而新型凝抽背供热技术既可以在一定程度上实现热电解耦、提高机组深度调峰能力，又可以增大机组的极限供热负荷。

此项技术经调查研究无论是在机组灵活性运行及深度调峰方面还是在降低供电能耗方面，新型凝抽背供热灵活性改造技术都有显著的效果和作用。

2.1机组改造方案说明

图 1新型凝抽背改造方案系统流程图

2．1  连通管调整阀改造

对机组中低压缸连通管进行改造，并分别对A、B 低压缸抽汽调整蝶阀进行改造，由原半关蝶阀改造为全密封蝶阀。供热调节蝶阀可以关到零位全密封零泄漏，低压缸进汽口垂直段阀门尺寸 DN1200，新更换的阀门为液压控制，蝶阀均设有独立油站。

2．2  冷却蒸汽改造

增设低压缸冷却蒸汽系统，采用机组中压缸的排汽作为冷却汽源。具体方案：供热抽汽管道逆止阀前开孔引出DN250旁路管，旁路管上串联设置减压阀，减温减压后母管管径扩大为 DN400，而后再分为两路DN350，分别接至A、B低压缸处液动调节阀后的低压缸进汽口上方位置。设计最大冷却蒸汽流量60t / h，根据机组实际运行工况进行调节。

2.3 低压缸喷水减温系统改造

对低压缸喷水系统进行优化改造，A、B 低压缸分别设置一路单独的缸后喷水管路，全部采用304不锈钢材质，保证系统运行可靠稳定。采用先进的雾化喷头，优化喷水角度，保证雾化减温效果，双路喷水，分阶段投入，在保证满足机组切缸运行的同时，尽可能降低水雾倒流对叶片的水蚀损伤。

低压缸的材料与高中压缸的材料的耐热强度是不同的，如果低压缸鼓风温度太高，会对机组造成不可恢复的热变形损伤等，因此对末几级长叶片附近的蒸汽温度进行监测，以确保机组安全长期的背压运行，原机组仅在低压缸排汽处加装了温度测点，因此本次改造在每个低压缸末级、次末级动叶处装设四个温度测点，共计16个温度测点。

2.4 增设叶片振动在线监测系统

叶片振动在线监测系统是进行叶片振动数据的采集、存储、分析的系统，基于非接触测量原理，将磁感式传感器安装在低压缸内，依据叶片对传感器磁场的相互作用测量叶片振动位移和振动频率，该系统是一种用于汽轮机叶片振动状态监测的系统，机组运行期间，系统会记录机组在不同工况下， 叶片正常的振动曲线，并作为标准样本，如机组在运行过程中，叶片出现振动异常，并随着时间推移，振动趋势变大，此时系统会给出报警，最终达到叶片振动状态监测功能。该系统的技术目标和功能效益完全满足当前深度调峰和切缸机组的安全性需求，避免非设计工况运行的盲目性，该系统是电厂机组深度调峰、供热切缸改造安全运行的必要保障。

2.5 汽轮机叶片改造

凝抽背供热改造后，为提高低压转子后两级动叶片的安全可靠性，将次末级、末级叶片更换为新型叶片，并对叶片出汽边进行喷涂处理，增强叶片抗水蚀能力，提高机组低负荷运行的能力。

3供热及调峰能力

3．1  供热能力提升

凝抽背供热改造后，抽凝供热工况与低压缸零出力工况可以平稳切换。切双缸供热模式下，机组最大抽汽流量达1177.3 t / h。在机组负荷较低时，可以通过切除单个或两个低压缸来提高热网抽汽量（由于目前热网抽汽管道管径条件限制，只能采取切单缸的运方式）。30%电负荷时，切单缸抽汽200t/h，切双缸抽汽661t/h，可以采取切单缸配合调整另一个缸的进汽调节阀来调节抽汽量200t/h～450t/h。本项目仅针对汽轮机本体进行了改造，原热网抽汽管道未增容，为了避免热网抽汽管道介质流速超速（80 mm / s），抽汽量最大为580t/h，无法实现切双缸。

表 2  汽轮机改造前后采暖抽汽量及供热能力对比表

热网抽汽流量由450t / h增加到580 t / h，供热能力增加90.3MW，（见表2）。改造后，经过冬季实际供热系统运行，因该汽轮机为双低压缸，所以可以采用一侧低压缸切缸配合另一侧低压缸限流的方式运行，调整较为灵活。相较于改造前，机组供热能力增加约90MW。

3.2  调峰能力提升

改造前，该机组在供热季不参与深度调峰，调峰能力很有限，供热初末期最低可以调峰至290MW。供热期内该厂按蒙西电网火电机组最小运行方式核定汇总表控制负荷下限，供热负荷不低于300MW（50%）。改造后，锅炉最低稳燃负荷为180MW纯凝工况，供热期锅炉负荷必然高于180MW，该汽轮发电机组在供热季完全有能力参与深度调峰，在确保供热量不受影响的情况下，机组电功率能够降低至180MW。理论调峰能力较改造前增加110 MW（见表3）

表 3  汽轮机改造后最低稳燃负荷工况发电能力

4煤耗分析

4．1 由于该厂未进行深度调峰运行，只进行了深度调峰试验，故只进行理论性经济性对比分析。（见表4）

表4 特殊工况参数对比

从4表可以看出，在切缸工况下，同等负荷下，抽汽量越大，发电煤耗越低，同等抽汽量的情况下，负荷越低，发电煤耗越低。单纯从能源利用角度考虑，同等负荷下抽汽量越大，冷端汽化潜热回收越多，能源利用越合理，相应降低了供热机组的发电煤耗。同等抽汽量下发电负荷越低，供热抽汽占中排蒸汽比例越大，冷端汽化潜热损失越少，相应降低了供热机组的发电煤耗。如图1

图 1

5结束语

通过以上分析，凝抽背改造技术是适合该机组供热提升的技术，改造后效果较好。

5.1供热能力方面：在保证供热蒸参数基本不变的条件下 ，通过凝抽背改造，单机供热抽汽能力提升了130t/h（90MW），最大供热能力提升至459 MW ，单机供热量提升了321.4GJ/h，最大供热量提升至1639.3GJ/h，单台机组理论可接待供热面积提升至918万㎡。

5.2调峰能力方面：以改造前最低负荷抽汽工况对比，在对外供热负荷保持不变 ，凝抽背改造后可使机组发电功率下调约110MW，机组供热期调峰能力显示提升。

5.3节能方面：凝抽背改造后，参与深度调峰后，预计供热季 ，全厂年热电比增加至少5%，机组全年平均发电煤耗下降3 g/kWh。

5.4环保效益方面：相比于改造前，该机组深度调峰能力和供热能力显著提升。深度调峰课提高新能源利用率，降低煤电机组碳排放量；供热能力提升可增加热网抽汽130t/h以上，至少增加约90MW的供热能力，理论上可以满足约180万㎡的居民采暖需求量，可以取代污染严重的燃煤小锅炉运行，减少了碳排放排放。

5.5社会效益方面：该600MW亚临界热电机组的深度调峰能力得到大幅提升，在不影响供热的情况下，可以增加约110MW的调峰能力，可以缓解内蒙古区域“电热矛盾”，为推动构建以新能源为主体的新型电力系统，推动煤电整体定位优化与绿色健康可持续发展作出了努力。

汽轮机凝抽背供热改造技术在600 MW亚临界热电联产机组的应用是成功的，能够大幅提升机组低负荷供热能力，提高机组供热灵活性，使机组具备供热期深度调峰能力。技术改造完善，改造效果显著，具有可观的经济效益与社会效益。

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[作者简介] 周新乐(1983)，男，内蒙古包头市，工程师，从事汽轮机、供热系统运行技术管理。