某汽轮机排汽供热改造的节能减排效益分析

田海龙

（山西京玉发电有限责任公司， 山西 朔州 037200）

0 引言

伴随着中国城市的迅速扩张，建筑能源消耗占据着整个社会的约25.5%的比例，其中大约有40%是来自北方地区的冬季取暖需求。北方的主要供暖方法主要是热电联合供应的方式[1]。近些年，对供热的需要日益增长，许多大中型城市的供热设备的能力已经接近满载状态，使用小规模煤炭燃烧器会带来严重的环境问题。此外，新的大型热力设施受到财务与施工周期等因素的影响，并且还需要考虑到环保方面的问题。但是对于大规模且高性能的热力设备来说，其低压蒸汽的汽化热量并未被有效地回收并利用，反而以循环冷却水的形式直接排放至空气中，导致冷源浪费。根据数据分析，这种冷源浪费可能超过燃料总热量的39%，若将其中的剩余能量完全用于供热，将会显著提升设备的热循环效能及供热能力[2]。

为了满足北方取暖需求，一种新型的热力设备——高背压循环水供热机组应运而生。这种机器通常是由传统的蒸发冷却器或者全吸气式的发动机改装而来。自20 世纪80 年代开始，如沈阳市发电站、长春市供电公司这样的大型能源供应机构就开始对这一技术展开了实验性的研究工作；其规模覆盖范围包括6～50 MW 不等的大小型号，并且已经成功地运营数年以上且表现出稳定的性能状况。90 年代后期，山东省动力研究所首先于济南市黄河水电工厂的一号电机启动了高背压循环水供热的改造和应用项目[3]。到了2013 年，中国电气集团旗下的青州市火力发电场携手哈工大的涡旋机械制造商共同完成了对于一台三十万千瓦级别的电动机的高背压循环水供热改造，并在实践过程中积累了一些宝贵的实际操作技巧，从而也为进一步深入探讨如何优化更大功率级别引擎中的热量回收利用提供了有力的支持作用。本文主要分析某汽轮机的高背压供热改造及节能减排效益[4]。

1 高背压供热工程汽轮机改造介绍

1.1 机组简介

本文以某电厂的某号机组为研究对象，该机组由上海汽轮机公司生产，型号为C140.13.24/0.25/535/535的超高压、中间再热式、双缸双排汽、单轴、抽汽凝汽式汽轮机。该设备的主高压和次高压缸均为单层结构，主高压部分包含了一个单独的调速级，共有13 个压力等级，并在第十级之后设置了一段抽汽送至1 号高压加热器。从高压排出的大量蒸汽会经过两个排放出口被引导到再热器，并从中提取出一部分作为第二台高压加热的回热蒸汽。然后，这些蒸汽会被引入到两侧分布着两台油驱动的中压联合汽门，接着它们会通过坚硬的进料管流入中压部分。这个中压部分包括13 个压力级别，第七级以后设有三级的抽取蒸汽入口，它可以通向脱氧装置；而在第十级后面则设立了四级的抽取蒸汽接口，这将会把蒸汽输送到第四台低压加热器。

双流双排汽在低压缸内部分布，其中包括第六级（2×DN350）和第七级（2×DN500）的抽汽口。这些抽出的汽体被分别送入了位于凝汽器连接处的2 号低压加热器以及位于凝汽器内的1 号（内置式）低压加热器。

该机组配备了7 个回热加热器，其中包括2 个高加、1 个除氧器和4 个低加。在2 号低压加热器上装有疏水泵，表1 所示为2 号汽轮机的主要技术参数。

表1 2 号汽轮机的主要技术参数

1.2 改造准则

2）在进行改造过程中，低温外筒和低温内筒的结构保持固定，而内筒原有的支承方法也未发生改动。各个管路连接的部位维持稳定，叶轮跨度、轴系、涡轮与发电机之间的连接方法以及其所处的部位，还有现存的涡轮基础等都没有任何变化。改造后对于基础载荷并无显著影响。同时，汽轮机的每一个轴承座也是如此。

3）经过优化升级后，整个系统的设施都能够适应高压负荷和完全冷却的工作状态，并且可以实现高效且经济的使用。在执行高压负荷任务期间，低压缸会产生一些热量的损失，如果蒸汽排放温度高于80 ℃，需要实施有效的、稳定的降低温热的策略，以保证最大的蒸汽排放温度不超过120 ℃，并严密监控蒸汽排放温度是否过高，从而保障机器正常运转。

4）在设计低压转子叶片时，需要考虑到其背压能够达到47 kPa，并且能够保证其安全稳定的运行。同时，它的最大排汽量也是309 t/h。

5）在被移除的末端隔板槽部位添加两个导流环，以保护末端隔板槽。同时，也为次级隔板增设了去湿环。

6）把低压转动前后联轴器的液压拉伸螺钉进行更换，以使安装更简便，加快装配速度。

1.3 改造范围

对低压缸通流部分进行改造，主要范围如下：改造时可采用旧低压转子；为确保改造后的最后两级叶片的强度应符合标准，需对其进行强度测算，再添加去湿环两套；最后两级叶根需要做填充处理；添加两套导流环；改造完成的低压转子需要测试其平衡性；对改造部分做持久性标记，例如，卸掉的叶片及隔板，转子叶根槽，隔板槽等等。再认真记录好转子配重块；采用低压定子前后联轴器对拉伸螺钉进行调换；后缸雾化喷水冷却系统；修改DCS 控制系统中的连锁防护、告警控制系统、相关装置和元器件。

2 改造效果分析

2.1 汽轮机发电机组

2.1.1 发电功率

式中：Pe为汽轮机发电功率，kW；ΔHt为汽轮机理想比焓降，kJ/kg；D0为新蒸汽流量，kg/h；ηri为汽轮机机械效率；ηm为发电机效率；ηg为发电机内效率。

其次，优化科技投入结构，提高对科技人才创新支持的力度和广度。加大对重大项目资助力度，重点资助具有自主知识产权的科技人才及研究项目。加强对中青年科技创新人才发掘和培养，提高对青年人才科技创新创业的资助比例。加大职业教育和在职培训投入力度，定期开展线上线下技术培训活动。建立健全人才投入效果评估机制，不断完善有利于人才结构优化的投入政策。

2.1.2 抽汽供热

式中：Qg为抽汽供热负荷，MW；Dgc为供热抽汽量，kg/h；hgc为供热抽汽比焓，kJ/kg；hs为供热疏水比焓，kJ/kg。

2.1.3 循环水供热

式中：Qc为循环水供热负荷，MW；hc为汽轮机排汽比焓，kg/h；hn为汽轮机凝结水比焓，kg/h；Dc为排汽量示，kg/h。

2.1.4 热电厂的燃料利用率

式中：W 为热电厂的总发电量，kW·h/h；Btp为煤耗量，kg/h；Qh为热电厂的供热量，kJ/h；Qnet为标准煤的低位发热量，kJ/kg。

2.2 改造前后对比

改造后机组运行正常，其参数均达标。在额定负荷工作状况和负荷105 MW 工作状况下，抽凝机组改造成高背压机组前后技术参数对比数据如表2 所示。

表2 改造前后主要技术参数对比

3 改造效益分析

3.1 机组项目节能量计算

当前的机组使用时长已经达到4 073 h，如果按照满载运转（即75%的负荷）来计算的话，总计可达5 431 h。而对于位于山西地区的取暖设施来说，其供热季长达五个月，因则该机组改造后的实际供暖工作时间为4 320 h，而在其他时段的工作时数则是1 111 h。同时，需要考虑到的是，该锅炉效能高达90%，管线效能也达到了99%，并且工厂耗电量仅占12%。

改前纯凝汽工况时，标煤耗为36 g/kW·h。

改后标煤耗：5 630.6 kJ/kW·h/0.90/0.99/（1%～12%）/29 307.6 kJ/kg=245 g/kW·h

改后降低煤耗：115 g/kW·h

全年平均煤耗：360×1 111/5 431+243×4 320/5 431=268.5 g/kW·h。

3.2 电厂发电节煤量计算

经过对汽轮机的改造之后，尽管年度电力产出保持恒定，但根据2016—2020 年的数据计算，每个取暖季节的额外热能供应增加了117.76 万GJ，这使得整个工厂设备的全年电能消耗标准煤比率降低了5.1 g/kW·h。因此，整体上看，全厂机组年发电总节标煤量约为2.4 万t。

3.3 电厂供热收益

在汽轮机进行了改造之后，根据2016—2020 年间每个采暖季度的平均供热量增加了117.76 万GJ，并且趸售价格为30.57 元GJ，可以计算出年度供热收益达到了3 600 万元。

3.4 调峰收益

经过高背压的改造之后，发电机的实际最小电力负载可以被调节到大约8 万，这符合了电厂对于火力发电设备深度调度的相关规定，从而能够显著地减轻企业的负担和评估费用。仅仅在一季度的2017 年中，相比较于2016 年的第四季度，电厂分摊考核下降了大概530 万元；而在增加了运转模式的前提下，对比起2016 年的第一季度，电厂分摊考核大幅度减低，达到了大约135 万元。

3.5 环保效益

通过实施高背压改造，汽轮机的能源得以充分利用，发电设备的热能消耗及无用热量的排出大幅度降低，从而缓解河流的环境压力，避免对该区域内的动植物造成生存危机，同时展现出积极的环境保护态度。此外，此项举措也带来了明显的环保效果。经过改造后，电力生产所需燃料煤炭的使用率有所降低，导致对外部空气中的灰尘、SO2、NOx和CO2等有害物质的排放量急剧缩减，这有助于有效控制全球变暖现象的发生，并根据年节省标准煤2.4 万吨的估计值计算，预计可以削减粉尘排污量达259.44 万t，减少SO2排污量至115.72 t，NOx排污量到119.43 t，CO2排污量达到7.88 万t。

4 结论

通过本文研究可以看出，该电厂的机组改造较为成功。此项创新在于充分利用了汽轮机排放的热能来提供热量，使得冷却资源消耗减少至零，从而有效地降低了设备的使用燃料成本，扩大了集中的供暖区域，提升了联合供热的能量来源，并缩减小型加热器数目，遵循“温控匹配，多层次使用能源”的原则。鉴于当前部分北方地区的电力供应超过了实际需求的情况，如果热电厂调度条件许可的话，可以满足迅速上升的需求，解决近年来城市的供暖不足的问题。所以，采用高背压循环水供热方法是一种节能环保的方式，也是深入推进热电联产集中供暖的重要手段，同时还能确保设备的安全和高效运营，具有显著的社会及经济价值。