尚小軍，程 波，王占全

(中國電力工程顧問集團新能源有限公司西安分公司，陜西 西安 710032)

0 引言

陜西省某電廠有四臺純凝300 MW機組。之前，已將四臺機組改為采暖抽汽機組，主要為城市采暖提供熱水。根據外部熱力市場的增長，通過傳統(tǒng)增加抽汽量的方法來增加供熱量已不可行了，擬采用高背壓循環(huán)水供熱技術。

在正常情況下進出凝汽器的循環(huán)水的溫度為20～30℃，不能進行直接供熱，因此必須設法適當提高其溫度。目前成熟的技術方法有兩個：一個是適當降低凝汽器的真空度，提高乏汽溫度，從而使循環(huán)水可直接通過熱網供熱，這就是通常所說的高背壓循環(huán)水供熱技術；另一種方法是采用熱泵技術從循環(huán)水中提取低位熱量用于供熱。本文主要討論適當降低凝汽器的真空度，提高乏汽溫度，使循環(huán)水可直接通過熱網供熱的供熱技術。

在供熱期間，汽輪機采用專門制造的高背壓供熱低壓轉子，提高汽輪機的排汽背壓，熱網回水作為凝汽器的循環(huán)水，在凝汽器中被高參數的汽輪機排汽加熱后回到熱網，完成循環(huán)水供熱的目的。非供熱期，采用汽輪機原有的純凝低壓轉子，凝汽器循環(huán)水切換到原循環(huán)水供水狀態(tài)，汽輪機排汽參數恢復到正常水平，形成低背壓，即汽輪機恢復原純凝工況運行。

1 系統(tǒng)方案

1.1 蒸汽系統(tǒng)

現有供熱蒸汽系統(tǒng)可滿足本期高背壓供熱增容改造后熱網所需蒸汽的要求，因此本期工程供熱蒸汽系統(tǒng)保持不變，仍為單元制系統(tǒng)，3、4號機組抽汽供四臺基本加熱器，5、6號機組抽汽供兩臺尖峰加熱器。

1.2 循環(huán)水系統(tǒng)

本期工程在現有1號供熱站(原有熱網首站)基礎上增容改造，新增一個與現有熱網相同水流量的獨立熱網循環(huán)閉合回路，本期改造需新建2號熱網循環(huán)水泵房，泵房內設置四臺熱網循環(huán)水泵、兩臺濾水器及相應的補水系統(tǒng)。

來自兩個熱網的循環(huán)水回水(55℃)分別通過5、6號汽機凝汽器升溫至80℃，原有四臺基本加熱器和兩臺尖峰加熱器分別供兩個熱網使用，作為二級加熱器單元運行，加熱器進水分別來自現有四臺熱網循環(huán)水泵和新增四臺熱網循環(huán)水泵，將熱網循環(huán)水最終升溫至110℃供出。

熱網循環(huán)水量較之前增加了一倍達到22 000 t/h，新增一個單獨的熱網循環(huán)閉合回路(命名為“2號熱網”)，與現有熱網(命名為“1號熱網”)構成兩個獨立熱網，每個熱網流量為11 000 t/h。新增四臺循環(huán)水泵，其中兩臺采用變頻調速裝置，其余兩臺為定速泵，四臺泵并列運行，不設備用，布置在新建2號熱網循環(huán)水泵房中。

1號熱網循環(huán)回水沿現有熱網回水管路回至1號供熱站(原有熱網首站)后，依次經過現有濾水器—6號機凝汽器—現有四臺熱網循環(huán)水泵—1號供熱站(原有熱網首站)四臺基本加熱器后，由現有熱網供水管供至#1熱網。上述設備構成一個整體單元，與下述的#2熱網系統(tǒng)保持相互獨立。凝汽器進、出水設置了旁路管道，以便凝汽器事故時解列或者采用原有供熱方式的供熱工況。

2號熱網循環(huán)回水沿新建熱網回水管路回至新建2號熱網循環(huán)水泵房后，依次經過新增濾水器—5號機凝汽器—新增四臺熱網循環(huán)水泵—1號供熱站(原有熱網首站)兩臺尖峰加熱器后，由新建熱網供水管供至#2熱網。上述設備構成一個整體單元，與1號熱網系統(tǒng)保持相互獨立。相同于1號熱網，凝汽器進、出水設置了旁路管道。并給循環(huán)水泵設置了旁路管道，以減小2號熱網事故時對循環(huán)水泵的沖擊。2號循環(huán)水回水母管上設置有安全閥泄壓管道，防止管道超壓。

5、6號機凝汽器循環(huán)冷卻水進、出水管路設置可拆卸堵板，安裝在熱網循環(huán)水接入點前和引出點后，以保證采暖季和非采暖季兩種運行方式的凝汽器循環(huán)冷卻水管路的嚴密性。

本次改造不影響現有循環(huán)水系統(tǒng)的各種運行方式，仍可保留現有運行方式下基本加熱器和尖峰加熱器的之間的串、并聯切換，增加了循環(huán)水系統(tǒng)運行的靈活性。循環(huán)水供、回水設計溫度分別為110℃、55℃，凝汽器循環(huán)水出口設計溫度為80℃，見圖1。

本期供熱增容改造工程設計熱負荷按四臺汽輪機改造后供熱能力進行設計，5、6號機組高背壓供熱635 MW，3、4、5、6號機組抽汽供熱760 MW，改造后總供熱能力1 395 MW，全年供熱量1 070×104GJ，各臺機組供熱情況見表1。

2 主機改造技術方案

2.1 汽輪機主機改造方案

由于供熱期和非供熱期背壓不同，需要單獨為供熱期設計一套低壓通流部件，主要改造以下幾方面。

表1 各臺機組供熱能力表

1)設計一根新的低壓轉子用于高背壓供熱運行工況，并應保證純凝期與供熱期低壓轉子互換時的通用性。

2)針對雙轉子互換后的高背壓供熱要求，還需額外設計低壓級隔板(含靜葉)、動葉、隔板汽封、葉頂汽封、排汽導流環(huán)(帶有隔板槽保護功能)及噴水減溫裝置，用于高背壓供熱運行工況。由于實際運行中變工況等因素，排汽背壓可能有所波動，因此隔板及葉片需加強設計，確保其運行中的安全可靠性。因高背壓循環(huán)水供熱要求而增設的噴水減溫裝置布置在末級葉片下游，位置相對于純凝期噴水減溫裝置更靠前，合理配置減溫水水源，還應注意優(yōu)化噴射角度，盡量減小因噴水造成葉片水蝕。

3)更換一套低壓軸端汽封體及汽封，滿足純凝及高背壓供熱工況下通用的要求。

2.2 凝汽器改造方案

實施供熱改造后，現有凝汽器的循環(huán)水工作壓力將大幅升高，目前凝汽器水室及管板的設計強度不能滿足改造后的運行要求，按照純凝工況設計的凝汽器在循環(huán)水供熱狀態(tài)下運行風險很高，因此需要對凝汽器進行強化設計。

凝汽器的改造是本項目的關鍵點。為實現低壓缸雙背壓雙轉子互換循環(huán)水供熱方案，供熱期要求汽輪機在高背壓狀態(tài)下運行，即汽輪機運行背壓最高將達到54 kPa，汽輪機排汽溫度最高為83.3℃。凝汽器循環(huán)水來自熱網回水，進入凝汽器的熱網設計回水溫度在55℃左右，經過凝汽器要求將熱網循環(huán)水回水溫度由55℃提升至80℃。

從設備安全可靠性角度考慮，建議將凝汽器水室及管板進行更換，原有換熱管束也一并更換。改造后的凝汽器水室和管板將增加厚度，采用更高強度鋼板進行加工制造，并根據強度要求進行結構加強，滿足改造后循環(huán)水增壓的安全運行要求。改造后凝汽器高背壓運行時凝汽器垂直方向的熱膨脹量也將發(fā)生變化，因此需更換凝汽器喉部與汽輪機低壓缸連接處的膨脹節(jié)。

2.3 給水泵汽輪機改造方案

由于給水泵汽輪機原設計排汽進入機組凝汽器，機組實施循環(huán)水供熱改造后，供熱期凝汽器壓力將大幅提高，對小汽機的出力及運行可靠性造成較大影響，為此，需一并對小汽輪機整個通流部件進行全面適配性改造，保證機組在純凝和高背壓工況時的安全運行。

3 改造風險分析及措施

本項目實施前，國內改造的工程有幾十個項目，改造后機組運行狀態(tài)良好。通過對這些機組改造成功經驗及改造過程風險分析，本工程機組的安全性風險主要有以下幾方面。

1)低壓缸排汽溫度提高，帶來較多的運行風險，主要是低壓缸兩側的軸承高度抬高較多，易造成運行中動靜摩擦，引發(fā)振動。

采取的措施：重新計算低壓缸兩側的軸承軸瓦的抬高數值，實施中嚴格按要求調整間隙，必要時適當放大間隙，防止動靜摩擦。

2)機組變工況時，會造成排汽溫度不穩(wěn)定性升高，減溫水必須隨時投用，防止過熱發(fā)生。

采取的措施：增加減溫水系統(tǒng)改造，不但機組本身有減溫水，而且設計備用水源，備用水源從臨機的凝結水引出。

3)凝汽器的水側原設計壓力偏小，熱網回水壓力在0.3 MPa以上，凝汽器排汽溫度提高，造成水室壓力承壓提高和管束膨脹增大脹管的應力。

采取的措施：通過改造把水室壓力設計值從0.3 MPa提高到0.6 MPa。為減小應力把管束和管板之間增加伸縮節(jié)，降低應力。

4)冬季高背壓運行時，循環(huán)水系統(tǒng)停運后，輔機冷卻水解決方案。

采取的措施：冬季高背壓運行時，輔機冷卻水供水從現有機組相應的冷卻塔水池取水，冷卻各類輔機后，回水排至相應的冷卻塔水池進行自然冷卻。

5)化學水處理系統(tǒng)由于水溫提高造成樹脂壽命縮短。

采取的措施：對凝結水精處理系統(tǒng)進行耐高溫改造。改造現有3臺高速混床，按照2運1備的運行方式，保證改造后供熱的安全性。

4 節(jié)能分析

大型熱網一級網和二級網一般采用間接連接，本工程也采用間接連接。二次網采用質調節(jié)，一次網也采用質調節(jié)，根據當地的室外平均溫度及室外采暖計算溫度理論計算出一級站熱水供水溫度T1、一級站熱水回水溫度T2及供回水溫差，見表2，供回水溫差最小值為33.42℃，此數據數據表明，高背壓機組改造后，凝汽器作為第一及加熱器，在整個供暖季滿負荷運行。原因為凝汽器設計溫差80－55 = 25℃，然而整個運行季需要的最小加熱端差為33.42℃，所以凝汽器節(jié)能量為9 000×(80－55)×120×24×4.1868= 271.3萬GJ/a，折合標煤量約271.3/29310/0.92= 10.06萬噸標煤/a，節(jié)能效果明顯。

表2 一級網供、回水溫差表 單位：℃

5 結論

5、6號機組高背壓改造后，解決了供熱區(qū)域供需矛盾、替代供熱區(qū)域內部分小鍋爐、減少區(qū)域大型熱水鍋爐房運行時間，回收利用循環(huán)水余熱，提高一次能源的利用率；減少循環(huán)水消耗，減少二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳、煙塵等的排放量，而且排放源由低矮分散的低點源變?yōu)榧械母唿c源，降低污染物的地面濃度，減輕大氣污染，將給地區(qū)的環(huán)境帶來改善。

本工程在供熱期利用機組高背壓運行的技術特點、實現直接供熱，排汽直接加熱熱網循環(huán)水，實現了蒸汽熱量的大部和全部利用，變蒸汽廢熱為供熱熱量，汽輪機的熱量損失大幅減少，實現熱電聯產的同時，有效地利用蒸汽的高位能發(fā)電，低位能加熱循環(huán)水供熱，提高了機組熱效率，減少了熱量損失；供熱能力大幅提升，據測算單臺機組需要的最小循環(huán)水量為9 000 t/h，全年熱量為271.3萬GJ/a，折合標煤約10.06萬噸，此部分熱量為發(fā)電的冷凝損失，全部用于供熱，節(jié)能效果明顯。