郝云燕

(華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展和環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，集中供熱需求一直在持續(xù)增長(zhǎng)，而電力產(chǎn)能近年來(lái)嚴(yán)重過(guò)剩，這種熱電矛盾制約了熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的發(fā)展，因此最大化提升汽輪機(jī)供熱能力，同時(shí)減少對(duì)電網(wǎng)的壓力，成為新形勢(shì)下供熱機(jī)組發(fā)展的新方向，350 MW超臨界抽凝背式供熱汽輪機(jī)就是在這種思路下，由國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的一種新型節(jié)能高效的供熱機(jī)組，該機(jī)型結(jié)合了常規(guī)抽凝式供熱機(jī)組(簡(jiǎn)稱CN型)和背壓供熱機(jī)組(簡(jiǎn)稱B型)的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)凝汽、抽凝、背壓三種運(yùn)行模式(簡(jiǎn)稱NCB型)。該機(jī)型供熱能力更大，熱效率更高，且調(diào)峰能力強(qiáng)，是新一代技術(shù)升級(jí)型供熱機(jī)組。

1 超臨界NCB機(jī)組的主要技術(shù)特點(diǎn)

1.1 NCB機(jī)組技術(shù)特點(diǎn)及工作原理

超臨界NCB汽輪機(jī)是以常規(guī)350 MW超臨界抽凝式就汽輪機(jī)為母型機(jī)，在汽輪機(jī)的高中壓缸與低壓缸之間加裝3S同步離合器，通過(guò)3S離合器脫開(kāi)和嚙合使機(jī)組實(shí)現(xiàn)低壓缸在線解列和并列。3S離合器是NCB機(jī)組的關(guān)鍵裝置。它是一種單向傳遞扭矩的裝置，通過(guò)棘爪定位、齒輪傳遞功率，屬于超越式純機(jī)械離合機(jī)構(gòu)。3S離合器依靠輸入端和輸出端的齒輪轉(zhuǎn)速的變化自動(dòng)進(jìn)行切換，當(dāng)離合器的輸入端、輸出端轉(zhuǎn)速完全相等時(shí)兩者相位同步、自動(dòng)軸向移動(dòng)而嚙合。而一旦輸入轉(zhuǎn)速低于輸出轉(zhuǎn)速時(shí)離合器脫開(kāi)。

在NCB機(jī)組中，將3S離合器安裝在抽凝式汽輪機(jī)的高中壓缸與低壓缸轉(zhuǎn)子之間，3S離合器的功率輸入端連接低壓缸轉(zhuǎn)子，輸出端連接高壓缸轉(zhuǎn)子，每當(dāng)?shù)蛪焊邹D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速開(kāi)始低于輸出端轉(zhuǎn)速時(shí)時(shí)，3S離合器逐漸自動(dòng)脫開(kāi)，使高、低壓轉(zhuǎn)子自動(dòng)分離，從而使低壓缸解列，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)為背壓運(yùn)行，每當(dāng)?shù)蛪焊邹D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升至試圖超過(guò)輸出端轉(zhuǎn)速時(shí)，離合器便可自動(dòng)嚙合，將高、低壓轉(zhuǎn)子自動(dòng)連接，達(dá)到輸入端與輸出端的轉(zhuǎn)速同步，完成低壓缸的并列過(guò)程，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)為抽凝或純凝運(yùn)行。通過(guò)采用3S離合器裝置，可實(shí)現(xiàn)低壓缸的在線解列及并列，使汽輪機(jī)具備了凝汽、抽汽、背壓三種運(yùn)行功能。

1.2 NCB供熱機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)簡(jiǎn)介

NCB汽輪機(jī)是以常規(guī)的350 MW超臨界抽凝機(jī)(CN型)為母型機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，所不同的是在高中壓轉(zhuǎn)子與低壓缸轉(zhuǎn)子之間加裝了3S離合器，將發(fā)電機(jī)位置由常規(guī)的低壓缸末端改在高壓缸機(jī)頭前端，高壓轉(zhuǎn)子直接與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相接。NCB汽輪機(jī)在機(jī)組外型以及高、中壓缸、低壓缸尺寸、通流設(shè)計(jì)等均可采用成熟的350 MW抽凝機(jī)組的設(shè)計(jì)模塊，供熱抽汽口位置仍可保留的中壓缸排汽口處，主汽閥、再熱主汽閥也可通用。

與常規(guī)350 MW超臨界抽凝式供熱汽輪機(jī)相比， NCB機(jī)組在結(jié)構(gòu)型式及技術(shù)特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

(1) 在高中壓轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子之間設(shè)置自動(dòng)同步離合器，實(shí)現(xiàn)低壓缸的在線脫開(kāi)和并列。

(2) 發(fā)電機(jī)位置由常規(guī)的低壓缸末端改在高壓缸前端，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接與高壓轉(zhuǎn)子相接。

(3) 因發(fā)電機(jī)前置，汽輪機(jī)前軸承箱的長(zhǎng)度略有縮短，原常規(guī)安裝在前軸承向內(nèi)的主油泵取消，改為采用電動(dòng)主油泵。

(4) 增加離合器和發(fā)電機(jī)前置，NCB機(jī)組的軸系長(zhǎng)度增加約4～5m左右，軸系穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與常規(guī)供熱機(jī)組有所不同，在離合器與中壓轉(zhuǎn)子之間增加一個(gè)軸承，確保離合器在運(yùn)行中有良好的對(duì)中性；防止高中壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)對(duì)自同步離合器產(chǎn)生的耦合效應(yīng)。NCB機(jī)組的布置方式及軸系特點(diǎn)見(jiàn)圖1。

圖1 NCB機(jī)組布置方式及軸系示意圖

(5) 為保證低壓缸解列及嚙合過(guò)程中的安全穩(wěn)定性，在中低壓連通管上增加關(guān)閉蝶閥和調(diào)節(jié)蝶閥，還設(shè)有低壓旁通管，旁通管上也設(shè)有調(diào)節(jié)閥和關(guān)斷閥，以到達(dá)準(zhǔn)確控制低壓缸流量的目的。低壓缸連通管進(jìn)汽閥門(mén)控制系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

(6) 采用雙頂軸油系統(tǒng)設(shè)計(jì)，低壓模塊在解列模式下低壓轉(zhuǎn)子仍以大約200 rpm左右的被拖曳轉(zhuǎn)動(dòng)，因此須在低壓模塊解列期間為低壓模塊支持軸承提供頂軸油壓。為此特別設(shè)有高壓轉(zhuǎn)子—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子二套頂軸油系統(tǒng)。

(7) 純電超速保護(hù)設(shè)計(jì)：NCB機(jī)組由高壓端輸出功率，前軸承箱無(wú)法設(shè)置機(jī)械超速保護(hù)裝置(危急遮斷器)，因此采用純電超速保護(hù)設(shè)計(jì)。

2 NCB機(jī)組的技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

與常規(guī)350 MW超臨界抽凝機(jī)組相比，NCB機(jī)組技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

2.3 運(yùn)行方式更加靈活

NCB機(jī)組具有凝汽、抽凝、背壓三種運(yùn)行模式，可根據(jù)熱負(fù)荷、電負(fù)荷不同的需求狀況調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行方式，對(duì)熱、電負(fù)荷間的不同需求特性的適應(yīng)性更強(qiáng)，協(xié)調(diào)性能更好。

圖2 低壓缸進(jìn)汽控制閥系統(tǒng)圖

2.4 機(jī)組供熱能力更大

在不增加燃煤量和排放量的條件下，與常規(guī)常規(guī)350 MW抽凝機(jī)組相比，NCB機(jī)組的供熱能力可提高20%～30%。常規(guī)350 MW抽凝機(jī)組的最大采暖抽汽量一般在550 t/h左右，在最大抽汽工況下，為防止低壓缸出現(xiàn)鼓風(fēng)效應(yīng)威脅低壓缸末級(jí)葉片的安全，低壓缸仍需保證一定的冷卻蒸汽通流，該部分蒸汽約在150 t/h左右，這部分蒸汽幾乎沒(méi)有作功能力，低壓轉(zhuǎn)子基本處于“陪轉(zhuǎn)”狀態(tài)。 NCB機(jī)組在背壓運(yùn)行時(shí)，低壓缸解列，不需要再消耗冷卻蒸汽，該部分蒸汽可用來(lái)對(duì)外供熱，同時(shí)與低壓缸相關(guān)的低壓加熱器也停運(yùn)，低加抽汽也可以節(jié)省用于供熱，其最大供熱抽汽量可達(dá)到700 t/h左右，增加供熱量約105 MW與同容量抽凝機(jī)組相比供熱能力可增加20%～30%。

以單抽采暖供熱機(jī)組為例，根據(jù)汽機(jī)廠提供的二種機(jī)型熱平衡圖數(shù)據(jù)，在汽輪機(jī)進(jìn)汽量相同，供熱抽汽參數(shù)相同的條件下，二種機(jī)型的最大抽汽能力對(duì)比見(jiàn)表1。

從表1中的對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，在新蒸汽進(jìn)汽量相同，供熱抽汽參數(shù)一致的條件下，NCB機(jī)組的供熱能力提高了28.3%，可多供采暖面積約210萬(wàn)m2。

表1 二種機(jī)型的抽汽能力及供熱量對(duì)比(單臺(tái)機(jī)組)

2.3 具有較強(qiáng)的調(diào)峰能力

常規(guī)供熱機(jī)組受保證低壓缸冷卻蒸汽量限制，機(jī)組在供熱期間的輸出功率比背壓運(yùn)行要高，因此機(jī)組的調(diào)峰能力相對(duì)也較小。NCB機(jī)組可在高負(fù)荷或低負(fù)荷的條件下轉(zhuǎn)入背壓運(yùn)行模式，在背壓運(yùn)行期間，機(jī)組的發(fā)電出力顯著減少。表2是以采暖抽汽量分別在400 t/h及500 t/h的工況為例，對(duì)二種機(jī)型的發(fā)電輸出功率的進(jìn)行對(duì)比的結(jié)果 。

表2 二種機(jī)型供熱量與發(fā)電量比較

通過(guò)表中數(shù)據(jù)可以看出，在供熱量相同的條件下，NCB機(jī)組的發(fā)電輸出功率遠(yuǎn)低于同容量的常規(guī)抽凝機(jī)組，對(duì)于我國(guó)目前電力市場(chǎng)飽和，而集中供熱缺口不斷增大的矛盾現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，NCB機(jī)組在緩解電網(wǎng)壓力，增加機(jī)組深度調(diào)峰能力方面的優(yōu)勢(shì)明顯。

2.4 具有更好的經(jīng)濟(jì)性

常規(guī)超臨界抽凝汽輪機(jī)在最大抽汽能力工況下，由于存在低壓缸最小冷卻流量，仍存在一定的冷源損失，機(jī)組發(fā)電熱效率在65%～69%左右，NCB機(jī)組背壓運(yùn)行沒(méi)有冷源損失，在背壓工況下，汽輪機(jī)發(fā)電熱效率都在80%以上，機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性提高顯著。

二種機(jī)型在最大供熱能力下的熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的比較見(jiàn)表3。

表3 最大供熱能力工況二種機(jī)型熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

由表3中的幾個(gè)關(guān)鍵性經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可看出：與常規(guī)抽凝機(jī)相比，NCB機(jī)組在供熱期間發(fā)電熱效率顯著提高，因此使機(jī)組全年平均發(fā)電標(biāo)煤耗降低12.5 g/kw.h，全廠總熱效率提高5.3%。全年可節(jié)約標(biāo)煤2.1萬(wàn)t，節(jié)能效果十分明顯。

3 NCB機(jī)組的社會(huì)效益分析

與常規(guī)抽凝機(jī)組供熱相比，NCB機(jī)組的應(yīng)用可作為提高熱源點(diǎn)尖峰時(shí)段供熱能力的一種手段，實(shí)現(xiàn)減少或取消尖峰鍋爐的目的。

NCB機(jī)組是在不增機(jī)組燃煤量的基礎(chǔ)上，通過(guò)節(jié)省常規(guī)抽凝機(jī)組低壓缸的冷卻蒸汽量來(lái)增加供熱能力的，這部分增加的供熱量可彌補(bǔ)常規(guī)抽凝機(jī)組在熱負(fù)荷尖峰時(shí)段供熱量不足的缺欠，從而減少機(jī)組供熱覆蓋范圍內(nèi)尖峰鍋爐數(shù)量。NCB機(jī)型在采暖供熱期的發(fā)揮的作用見(jiàn)圖3。

圖3 采暖熱負(fù)荷曲線

圖3中：(Q1+Q2+Q3)為電站供熱機(jī)組的供熱范圍內(nèi)全年采暖熱負(fù)荷總量，Q1為常規(guī)抽凝式供熱機(jī)組的采暖期供熱量，Q2+Q3則為區(qū)域尖峰鍋爐的補(bǔ)充供熱量。采用NCB機(jī)組可多供熱量Q2，相應(yīng)區(qū)域尖峰鍋爐的供熱量Q3減小或?yàn)榱?。

與電站先進(jìn)的大型鍋爐相比，小型供熱鍋爐效率低，煙氣凈化設(shè)施也相對(duì)落后，屬于典型的高能耗高污染設(shè)備。以某熱電廠安裝2×350 M的NCB供熱機(jī)組為例，與常規(guī)2×35 MW抽凝式供熱機(jī)組相比，從節(jié)能、環(huán)保二方面分析NCB機(jī)組帶來(lái)的社會(huì)效益。

(1)節(jié)能效益

如前所述，與常規(guī)350 MW抽凝式機(jī)組相比， 2臺(tái)350 MW NCB機(jī)組是在不增加燃煤量的條件下，通過(guò)解列低壓缸，機(jī)組轉(zhuǎn)入背壓運(yùn)行可增加供熱能力約105 MW，2臺(tái)機(jī)組可增加供熱量210 MW，相當(dāng)于3臺(tái)70 MW的大中型區(qū)域供熱鍋爐的供熱能力，目前集中供熱鍋爐的效率一般在70%～80%，以區(qū)域供熱鍋爐效率80%考慮，其供熱標(biāo)準(zhǔn)煤耗率約45.19 kg/GJ，若210 MW供熱量全部由區(qū)域供熱鍋爐承擔(dān)，按冬季采暖期尖峰鍋爐投入時(shí)間為1個(gè)月(720 h)計(jì)算，則多消耗標(biāo)準(zhǔn)煤量約為2.46×104t。

(2)環(huán)保效益

以采暖期供熱小鍋爐多消耗燃煤2.46×104t計(jì)算，多產(chǎn)生的煙氣量約2.02×107Nm3(按普通煙煤計(jì)算)。我國(guó)2014年版的頒布的《鍋爐大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13271－2014)中，對(duì)于燃煤鍋爐的煙氣中粉塵、SO2、氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)分別為低于50、300、300(mg/m3)，重點(diǎn)地區(qū)為低于30、200、200(mg/m3)，目前新建的工業(yè)鍋爐及供熱鍋爐都能保證或低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。電站鍋爐的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)則要嚴(yán)格得多，目前實(shí)際大型電站煙塵、SO2、氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)一般都控制在低于5、20、30 (mg/m3)。

供熱小鍋爐的排放指標(biāo)按照國(guó)標(biāo)《鍋爐大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定值計(jì)算，在尖峰鍋爐投入時(shí)間720 h內(nèi)統(tǒng)計(jì)的污染物排放結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 720 h 供熱小鍋爐污染物排放量

由上述分析可看出，小鍋爐供熱即造成能源浪費(fèi)，也是造成采暖期環(huán)境質(zhì)量變差的主要根源之一，熱電聯(lián)產(chǎn)的目標(biāo)就是取代小供熱鍋爐，用優(yōu)質(zhì)高效的熱源實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的，而NCB機(jī)組則是實(shí)現(xiàn)這一目的的最佳選擇。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) NCB型汽輪機(jī)是新一代技術(shù)升級(jí)型供熱機(jī)組，該機(jī)型在不增加能源消耗的基礎(chǔ)上，可顯著提升供熱能力，具有運(yùn)行方式靈活、熱效率高，調(diào)峰能力強(qiáng)等顯著的優(yōu)勢(shì)。

(2) NCB機(jī)組增加的供熱能力可進(jìn)一步減少和替代技術(shù)相對(duì)落后的供熱小熱鍋爐，節(jié)能環(huán)保的社會(huì)效益顯著，在熱電聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域中的有著非常好的應(yīng)用前景。

(3) NCB型汽輪機(jī)目前在燃?xì)饴?lián)合循環(huán)供熱機(jī)組上已有運(yùn)行實(shí)踐，但在燃煤機(jī)組上尚無(wú)實(shí)際應(yīng)用業(yè)績(jī)，汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)型式及控制系統(tǒng)與常規(guī)機(jī)組也有所不同，在NCB機(jī)汽輪機(jī)進(jìn)入到具體的的工程實(shí)踐應(yīng)用中時(shí)，還需要對(duì)相關(guān)的熱力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、以及汽輪機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，管道布置方案設(shè)計(jì)等進(jìn)行多方位的研究和優(yōu)化。