1030MW超超临界二次再热火电机组供热改造方案分析

杨伟山 张兰庆 王涛 马道锋 丁斌斌

摘要：华能莱芜电厂1 030 MW超超临界二次中间再热火电机组是国内首台进行供热改造的二次再热百万机组。现以华能莱芜电厂6号机组为研究对象，比较纯凝机组供热改造的典型方案，介绍最终选取的中排抽汽双阀调节供热方案的改造细节，分析供热改造后机组的运行情况和相关注意事项，并就供热改造对机组经济性的影响进行初步计算，可为国内同类型机组供热改造提供一定的借鉴。

关键词：1 030 MW超超临界机组;二次再热;供热改造

0    引言

随着中国城市化进程的发展以及对城市清洁取暖要求的提高，城市集中供热面积逐年大幅上升。得益于远距离供热技术的发展，供热新用户开发成为可能。此外，节能减排和企业自身提质增效的需求都推动了火电机组供热改造的进程。华能莱芜电厂目前总装机276万kW，拥有两台33万kW热电联产机组、两台百万千瓦超超临界二次中间再热机组和两个装机2万kW的光伏电站。一期供热首站设计供热能力600万m2，2018年供热季实际承担了700万m2的供热任务，寒冷天气下处于欠供状态，给供热带来巨大压力。

结合供热现状以及政府规划，可预估莱芜电厂承担的供热任务将逐年上涨，供热区域热负荷预计增长数据如表1所示。可见，未来3～5年供热需求将远远超出现有供热能力，对两台二次再热百万机组进行供热改造势在必行。

1    设备概况

华能莱芜电厂6号机组为1 030 MW超超临界二次中间再热机组，锅炉为哈尔滨锅炉厂设计制造的HG-2752/32.87/11.01/3.45-YM1型百万等级二次再热超超临界参数变压运行直流锅炉。汽轮机采用德国西门子公司技术，由上海汽轮机有限公司设计制造。汽轮机的型号为N1050-31（THA）/600/620/620，汽轮机型式为超超临界、二次中间再热、单轴、五缸四排汽、双背压、十级回热抽汽、反动凝汽式，其主要性能参数如表2所示。

2    典型供热改造方案

2.1    汽轮机旁路供热方案

汽轮机旁路供热方案即经高旁将部分主蒸汽旁路至高压缸排汽，之后从低压旁路后抽汽作为供热抽汽的补充汽源[1]，如图1所示。对于高、低旁路联合供汽方案，高旁蒸汽流量与低旁蒸汽流量的匹配方式是影响汽轮机轴向推力平衡和汽轮机安全运行的关键因素。因此，高、低旁路供热改造方案对控制系统调节品质及可靠性要求较高。

汽轮机旁路供热的优势在于改造方案成熟，改造投资小。汽轮机旁路供热的不足之处在于直接将高品质蒸汽减温减压用于供热，热经济性较差;且由于蒸汽参数等级较高，抽汽流量变化可能引起汽轮机轴向推力和叶片强度超限等危及机组运行安全性的问题，因此对相关减温减压设备的可靠性以及控制系统的调节品质要求较高。此方案在常规一次再热机组应用较多。

2.2    中低压连通管抽汽供热方案

中低压连通管抽汽供热方案实施起来简单易行，通过改造汽轮机中低压连通管，在连通管上加装中压缸排汽压力调整蝶阀，阀前增设三通引出抽汽管道。在供热抽汽管道上需要安装逆止阀、快关阀、调节阀和安全阀，如图2所示。

中低压连通管抽汽供热方式是目前在役机组采用最多的供热方式，具有简单易行，机组运行灵活性强，全统计周期内经济性好等优点。此方案大多选择将中排蝶阀安装在中压缸排汽管路的垂直段，会将中低压连通管整体抬升一定高度，所以在改造时汽机房行车起吊高度必须满足要求。另外，此方案抽汽量必须经过汽轮机厂重新校核，且汽轮机仍存在冷源损失。

2.3    双转子高背压供热方案

供热季更换专用转子，提高汽轮机的排汽背压，将凝汽器循环冷却水出、入口直接接入供热系统，由热网循环水充当凝汽器循环冷却水。该方案采用串联加热系统，热网循环水首先经过凝汽器进行第一次加热，吸收低压缸排汽潜热，再经过供热首站蒸汽加热器完成第二次加热，生成高温水送至热水管网[2]，高温水冷却后再回到机组凝汽器，构成一个完整的循环水路[2]，如图3所示，供热首站蒸汽来源可选择本机或临机供热抽汽。到非供热期更换纯凝转子，凝汽器循环水切换到原循环冷却水，汽轮机排汽参数恢复正常，即恢复原纯凝工况运行。

此方案可以实现冷源零损失，具有经济效益高的特点。但供热季、非供热季需要反复揭缸更换转子，并需要对汽轮机本体、凝汽器、给水泵汽轮机、轴加等进行改造，投资及维护成本高。

2.4    其他供热改造方案

其他供热改造典型方案还有低压光轴供热、低压缸零出力、吸收式热泵等。光轴供热方案供热季机组按背压机工况运行，低压缸解列以光轴形式（该低压光轴转子纯粹用于传递力矩）运行。非供热期低压光轴拆除，回装原低压转子及原中低压连通管，机组按正常纯凝工况运行。低压缸零出力采用可完全密封的液压蝶阀切除低压缸原进汽管道进汽，通过新增旁路管道通入少量的冷却蒸汽，用于带走低压缸零出力改造后低压转子转动产生的鼓风热量[3]。吸收式热泵供热是以蒸汽为驱动热源，溴化锂浓溶液为吸收剂，水为蒸发剂，利用水在低压真空状态下低沸点沸腾的特性，提取低位余热源的热量，通过吸收剂回收热量并转换制取采暖用的热水[4]。

3    萊芜电厂6号机供热改造方案

莱芜电厂6号机组为超超临界二次再热百万机组，机组效率、能耗指标十分优秀，节能减排压力较小。因此，经过对供热需求的分析并综合考虑改造施工难度，莱芜电厂6号机组选择了中低压连通管抽汽供热方案。

3.1    施工方案

为满足利用中排抽汽作为供热汽源的需求，汽机本体方面对中低压连通管结构进行了改造。在汽轮机中低压连通管的立管上增设了一根供热小母管，在中低压连通管上加装中排蝶阀，通过该阀来调整中压缸排汽压力，该阀即使在全关的状态下也能保证低压缸的最小安全流量。供热小母管至管道接口处设置了固定死点来吸收热网管道的推力和热位移，以保证机组连通管不承受来自热网管道的推力和位移，其结构如图4所示。

另外，考虑到机组的安全性以及尽量减小增加的设备对中压外缸和低压外缸的影响，在抽汽小母管上设置了专门的支架。为了满足改造的连通管及小母管热胀的要求，分别加装了压力自平衡式波形膨胀节、大拉杆及相关附件。此外，为方便电厂现场检修，在连通管及抽汽小母管上增设了连接法兰。机组改造后，通过双阀的协同调节来实现对供热抽汽压力和流量的调整。

3.2    供热改造对机组流通部分强度的影响

供热改造后不会影响机组通流部分的强度。为保证机组的安全连续运行，在供热工况下中排压力通过中排蝶阀进行调整。变负荷时，中压排汽温度会随着蒸汽流量的减少而升高，金属材料的屈服强度会相应降低，但该温度范围内屈服强度变化幅度不大;同时由于二再蒸汽流量减少也降低了叶片应力，级功率和蒸汽弯应力大幅降低，因此在低负荷抽汽工况下可允许中排温度略有升高，在此工况下，短期运行的温度不得高于370 ℃。汽机本体方面对中低压连通管结构进行了改造，改造后单台机组具备了额定流量350 t/h、抽汽壓力0.4 MPa的抽汽能力。

3.3    控制系统方案

该改造方案采用典型的双阀控制方式，即中排蝶阀控制中压缸排汽压力，抽汽调阀控制供汽母管压力。中排蝶阀投自动后，根据推荐的运行曲线自动调整中排蝶阀开度，从而调整中压缸排汽压力与进汽压力相匹配，以保证在供热工况下机组负荷发生变化或供热抽汽量发生变化时机组中压缸末几级叶片的安全。二次再热压力与中排压力对应关系曲线如图5所示。

如果汽轮机的中排压力达到PIex-alarm对应的数值，压力低报警，此时闭锁抽汽调阀开大并通过关小中排蝶阀来提高中排压力，此蝶阀关至下限中排压力仍降低至PIex-min时，延迟30 s后抽汽自动解列。表3列出了机组在典型的高低负荷工况下二次再热压力对应的中排压力值。

4    供热改造后运行注意事项

首先，应确保变工况下中压缸压比在规定的范围内，确保中压缸末几级叶片安全。

其次，应该加强对汽轮机中压缸排汽温度的监视，确保此温度低于350 ℃，当中压缸排汽温度高于350 ℃时，应该增加负荷来增大中压缸的进汽量，也可以降低二次再热蒸汽的温度或降低中排压力。如果中排温度高不能及时处理致使其达到370 ℃，供热系统会自动解列保证安全。

最后，应重点监视汽轮机低压缸的运行情况。因为供热抽汽的增加会导致进入低压缸的蒸汽流量减少，低压缸末级叶片容易因鼓风效应产生过热。为保护汽轮机低压缸，应该保证低压缸的最小进汽压力不低于0.02 MPa，如果该压力值达到0.01 MPa，中排蝶阀将会自动全开并切除供热。机组背压越高，低压缸所需的冷却流量也就越大，因此要保证低压缸的排汽温度不能超过规定值。低压排汽温度以及低压末级静叶持环前报警、动作温度仍保持原设置，如低压缸排汽温度达到定值，需提高真空，增大进汽量或降低再热温度。

5    供热改造后对汽轮机经济性的影响

为分析6号机组不同供热运行方式下的供热特性，应用先进的电站系统模拟分析软件EBSILON对机组进行了建模和变工况计算。表4给出了6号机组纯凝及供热抽汽工况的部分技术指标。

从上述计算结果可以看出，通过热电联产可显著降低机组热耗、发电煤耗，大幅提升机组循环热效率及运行经济性。

6    结语

华能莱芜电厂6号机组于2019年成功实现供热改造并保持了供热期间机组的安全稳定运行，机组热耗大幅降低，循环热效率提升，验证了二次再热百万机组热电联产的可行性，并为广大二次再热百万机组的供热改造提供了可借鉴的经验。

[参考文献]

[1] 薛朝囡，杨荣祖，王汀，等.汽轮机高低旁路联合供热在超临界350 MW机组上的应用[J].热力发电，2018，47（5）：101-105.

[2] 王旭东，姜水.浅谈优化供热系统以实现供热节能[J].民营科技，2015（4）：6.

[3] 天罡，刘立华，黄智，等.350 MW机组低压缸切除供热改造方案及调峰性能分析[J].汽轮机技术，2019，61（6）：457-460.

[4] 王晋锋.热泵技术在集中供热中的应用[J].科学之友，2012（8）：37-38.

收稿日期：2020-03-10

作者简介：杨伟山（1987—），男，山东济南人，工程师，从事汽机运行工作。