关于300MW机组梯级能源利用供热改造技术探讨

关于300MW机组梯级能源利用供热改造技术探讨

吴宗祥

（国投晋城热电有限公司山西晋城048000）

摘要：为响应国家节能减排政策，落实节能降耗及提升企业的市场竞争力，通过热能转换梯级利用最先进的手段提高能源的利用效率。在供热期利用空冷机组高背压运行的技术特点、实现直接供热，排汽直接加热热网循环水，实现了蒸汽热量的大部和全部利用，变蒸汽低位废热为供热热量，汽轮机的冷源损失大幅减少。改造后大幅降低供热期的发电煤耗，另一方面增加机组供热能力，为同类改造提供参考。

关键词：热能；梯级利用；供热改造

1引言

某公司两台机组系上汽制造300MW供热机组，形式为亚临界、一次中间再热、双缸双排汽、单轴、直接空冷、抽汽供热、凝汽式汽轮机，型号为CZK300-16.7/0.4/538/538，配套上海电机厂QFSN-300-2型发电机。

本次改造采用高背压＋超高背压供热方案，即1#机组汽轮机本体不改造，采用高背压运行；2#机组通过对低压缸及转子改造，采用超高背压运行。改造后，热网循环水分别由1#机组乏汽、2#机组乏汽、两个热网首站进行三级加热后外供。

通过对空冷供热机组进行相应的改造，改变供热方式，实现蒸汽热能更加高效和全面的利用，可以在现有供热基础上获得更多的收益。在供热期利用空冷机组高背压运行的技术特点、实现直接供热，排汽直接加热热网循环水，实现了蒸汽热量的大部和全部利用，变蒸汽废热为供热热量，汽轮机的冷源损失大幅减少。改造后大幅降低供热期的发电煤耗，另一方面增加机组供热能力。

本文针对热能转换梯级利用的可行性、安全性、经济性以及低碳环保性展开讨论，以供同类改造工程参考。

2供热能力计算和分析

汽轮机对外供热主要由中压缸供热抽汽和低压缸排汽两部分组成。根据汽机运行工况和热网循环水运行参数，以下将对汽轮机和管网的最大供热能力分别进行计算和分析。

2.1改造机组概况

某公司两台机组系上汽制造300MW供热机组，形式为亚临界、一次中间再热、双缸双排汽、单轴、直接空冷、抽汽供热、凝汽式汽轮机，型号为CZK300-16.7/0.4/538/538，配套上海电机厂QFSN-300-2型发电机。

进汽压力：16.7MPa(a)进汽温度：538℃再热温度：538℃

额定背压：15kPa（a）TRL工况背压：32kPa（a）

供热工况：

汽轮机出力：额定供热工况246.784MW最大供热工况231.238MW

进汽流量：额定供热工况1024.885t/h最大供热工况1024.885t/h

抽汽流量：额定供热工况500t/h最大供热工况600t/h

2.2汽轮机最大供热工况供热能力

热网循环回水首先通过高背压机组低压缸排汽加热，排汽压力在13到28kPa之间进行调整，热网凝汽器可将热网循环水加热至48.9～65.8℃；再由超高背压机组低压缸排汽加热，排汽压力在41到54kPa之间进行调整，热网凝汽器可将热网循环水加热至75～82℃，最后由中压缸排汽加热至设计温度，满足对外供热。

根据汽轮机厂提供的数据，排汽压力35kPa时，最大供热抽汽量约390t/h,低压缸乏汽约299t/h；排汽压力54KPa时，最大供热抽汽量约350t/h,低压缸乏汽约353t/h。

在供热初期和末期，热网循环水温度供回水温度较低（47/75℃）时1#机组主要采用低压缸排汽加热，减少中压排汽供汽量，增加发电量，运行中根据回水温度对三级加热进行调节。

供热热量平衡表

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按居民采暖规范规定，本地区单位面积热耗功率为45-60W/㎡。经过近五年供热能耗统计，在本地区极寒天气单位面积热耗功率为43.5W/㎡，其它阶段单位面积平均热耗功率约为37W/㎡。考虑到新建建筑采用高效节能型建筑、原有的老建筑正在进行外墙保温改造，节能建筑比例不断增加，为此本次供热改造后单位面积热耗功率取45W/㎡，从而计算总供热面积为921.37*100/45=2047.5万㎡

2.3热网循环水管网供热能力

1）改造前已有5台热网循环水泵同时运行时管网流量最大，达到9270t/h；热网循环水供回水设计温度取100/57℃，焓值为420.19/239.87kJ/kg。

则已有管网设计供热能力约为：

9270*（420.19-239.87）/3600=464MW

2）按照管网能力分析，原热网循环水管网管径为DN1200，流速取3m/s上限值时，产生最大流量12200t/h。则现有热网循环水管网最大供热能力为：

12200*（420.19-239.87）/3600=611MW

现有管网实际最大供热面积为：611*100/43.51=1404万㎡。

根据计算，现有管网的供热能力无法满足汽轮机改造后的最大供热面积2047万㎡，因此需新增一条供热管线。

本工程建设的同时，为提高集中供热覆盖率，增大热网输送能力，新增一条循环水管网，共热管线，管径与已有管网相同，故新建管网后的总供热能力至少达到464×2=928MW

新建管网后热网总供热面积为：928*100/43.51=2133万㎡。

新建管网后，热负荷较低时，为保证供回水温度的稳定，可采用减小流速，降低流量的方式进行供热。

3供热系统改造方案

本次改造实行能源梯级利用技术，采用一台机组高背压+一台机组超高背压供热运行方案。

改造热力原理图

实际运行时两台机组的排汽压力应根据热量分配需要进行调整，尽量提高超高背压机组的排汽压力，以提高供热量和热效率；在满足总供热量的前提下，尽量降低高背压机组的排汽压力，提高发电量。

热网循环回水首先通过高背压机组低压缸排汽加热，排汽压力在13到28kPa之间进行调整，热网凝汽器可将热网循环水加热至48.9～65.8℃；再由超高背压机组低压缸排汽加热，排汽压力在41到54kPa之间进行调整，热网凝汽器可将热网循环水加热至75～82℃，最后由中压缸排汽加热至设计温度100℃，满足对外供热。

根据汽轮机厂提供的数据，排汽压力35kPa时，最大供热抽汽量约390t/h,低压缸乏汽约299t/h；排汽压力54KPa时，最大供热抽汽量约350t/h,低压缸乏汽约353t/h。

在供热初期和末期，热网循环水温度供回水温度较低（75/47℃）时超高背压机组主要采用低压缸排汽加热，减少中压排汽供汽量，增加发电量，运行中根据回水温度对三级加热进行调节。

改造后提高了汽轮机的排汽背压，导致汽轮机中压排汽压力和温度均上升，分别由改造前进0.6MPa、280℃上升至0.8MPa、321℃。为保证#5低加、热网加热器及系统的安全，需对汽轮机中压排汽至#5低加、热网加热器的蒸汽进行减温减压。

改造后超高背压机组时最高背压可达54KPa，此时凝结水对应的饱和温度达82℃，超过凝结水精处理树脂运行的温度要求，为此本机组凝结水系统在进入精处理前新增减温换热器、将凝结水温度降至62℃。

该公司供热改造后供热能力达2100万平方米，占全市集中供热量的80%。为保证供热安全及可靠性，预防事故状态下供热负荷的大幅度降低，增设一套减压减温器系统，当其中一台汽轮机发生故障时，在该汽轮机检修期间，使用单元锅炉热再蒸汽经减压减温后进入原有或新建的热网加热器，配合另一台正常工作的机组进行临时性供热。

机组事故时，锅炉主蒸汽经过高压旁路系统减压减温后进入锅炉再热器；为避免再热器干烧，保护再热器，新增机组事故减压减温系统汽源取自热再蒸汽管道，减温水取自凝结水。

根据实际运行情况，锅炉最低稳燃负荷是额定负荷的40%左右，共设置3台减温加压器，两用一备运行，单台减压减温器流量210t/h，供热能力为280MW；同时另一台机组供热能力为460MW。故单台机组事故时，热电厂最大供热量为740MW，占最大采暖热负荷945MW的78.3%，满足规范中70%以上的要求。

4改造成果

4.1节能成果

本次供热改造后可增加晋城市供热面积约1000万㎡，新增供热负荷约347MW，合供热量约每年360万GJ；按照热电厂供热标煤耗平均12kg/GJ来计算，消耗标准煤约4.32万t/年。

而区域锅炉房和分散小锅炉供热煤耗在40-50kg/GJ左右，按照全年增加360万GJ计算，合计消耗标准煤16.2万t/年。因而本次汽机高背压供热改造后，晋城市供热每年约能节约标煤11.88万t。

4.2减排成果

根据《锅炉房大气污染物排放标准》（GB13271-2014），小型燃煤锅炉烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放标准为30-80mg/m³、200-400mg/m³、200-400mg/m³；而该公司执行的超净排放标准排放指标分别为5、35、50mg/m³。则采用热电厂集中供热，相对于区域和分散锅炉供热，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放平均分别降低约90%、88.3%、83.3%。

按照1kg标煤燃烧产生2.5kg二氧化碳、0.7kg粉尘、0.08kg二氧化硫、0.04kg氮氧化物来计算，每年节约标煤11.88万t，能够减排29.7万t二氧化碳、8.316万t粉尘、0.95万t二氧化硫、0.48万t氮氧化物。

5结语

本文针对某公司汽轮机高背压供热改造进行研究分析，并完成相应的改造，改造后保证了机组及供热系统运行的可靠性、一台机组事故时的供供热量的保证，同时供热每年节约标煤11.88万t、减排二氧化碳29.7万t、粉尘8.316万t、二氧化硫0.95万t、氮氧化物0.48万，具良好的社会效益、环保效益和经济效益，以供同类改造工程参考。

参考文献

[1]杨继伟300MW高背压供热机组供热方式探讨.

[2]史太平背压机组热电平衡改造的一个途径.

[3]万燕孙诗梦大型热电联产机组高背压供热改造全工况热经济分析.

[4]肖慧杰张雪松汽轮机高背压供热改造方案探讨.

作者简介

吴宗祥（男，1974年03月-）工程师，工作于国投晋城热电有限公司，主要从事汽轮机运行和检修维护工作。