田志強， 羅方， 薛軍， 鄭建

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川德陽， 618000）

1 前言

熱電聯(lián)產(chǎn)機組能有效實現(xiàn)熱能的梯級利用，具有節(jié)能、 環(huán)保等綜合效益。 經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，目前我國熱電聯(lián)產(chǎn)機組規(guī)模約占火電裝機規(guī)模的32%～35%。 隨著電力構成的變化和技術換代升級，傳統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)機型與當下市場需求相比， 存在以下問題： （1）機組內(nèi)效率低， 經(jīng)濟效益差。 采暖限價政策導致企業(yè)積極性不高。 （2） 區(qū)域性用電、用熱矛盾。 傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)機組按照 “以熱定電”模式運行， “熱電解耦” 困難， 占用了較大的發(fā)電份額， 不利于消納風電等可再生能源。 （3）背壓機發(fā)展受限較多。 眾多工業(yè)園區(qū)籌建時， 用汽企業(yè)希望熱電聯(lián)產(chǎn)機組具備供熱能力后投資建設。而背壓機需達到一定熱負荷時才能運行， 故存在建成后設備閑置的巨大風險， 滯緩了背壓機的發(fā)展。 基于上述問題， 公司規(guī)劃研發(fā)了基于優(yōu)化能級匹配及具備大范圍熱電解耦能力的高效能供熱機型系列及改造技術。 通過機型總體方案創(chuàng)新及關鍵技術研發(fā)， 提高了機組熱電負荷解耦及參與調(diào)峰的能力， 為能源產(chǎn)業(yè)升級和環(huán)境治理提供有力的技術支撐。

2 機型總體方案創(chuàng)新設計

受限于傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)機型的自身特性， 存在供熱參數(shù)匹配不合理， 熱電負荷解耦能力差（以熱定電）等問題。 影響了企業(yè)的運行效益和電網(wǎng)消納風電等新能源， 在運行的熱電聯(lián)產(chǎn)機組存在著改造升級及機型換代的巨大需求。 開發(fā)基于優(yōu)化能級匹配的高效能熱電聯(lián)產(chǎn)機型系列及改造技術，機組的運行經(jīng)濟性能得到較大提升， 熱電解耦范圍擴大； 有效提升熱電企業(yè)盈利能力， 并解決供暖期熱電聯(lián)產(chǎn)機組占據(jù)過大發(fā)電份額造成的棄風等現(xiàn)象。 具體技術創(chuàng)新有以下幾個方面。

2.1 高效“凝-抽-背” 系列供熱機型研發(fā)

目前采暖供熱所用的機型主要有抽凝機和背壓機兩大類。 傳統(tǒng)抽凝機的供熱能力及運行靈活性， 主要受低壓缸運行安全性的限制。 在最大采暖工況運行時， 低壓缸必須留有最小冷卻流量。主要是因為汽輪機末級動葉片在低負荷運行時，容積流量減小， 動葉片根部和頂部出現(xiàn)渦流區(qū)從而誘發(fā)顫振， 動應力增加影響機組安全運行。 采用高、 中壓模塊與低壓模塊雙軸布置或中、 低壓模塊間設置自同步離合器的 “凝-抽-背” 的機型方案。 該類型機組可在運行中可將低壓模塊切除，最小冷卻流量中的絕大部分轉(zhuǎn)作采暖供熱流量，基本實現(xiàn)零冷源損失。 當?shù)蛪耗K退出運行后，整個高中壓模塊即按照 “以熱定電” 的背壓機模式運行， 中壓末級動葉短， 不易出現(xiàn)小容積流量下的顫振問題， 隨著熱負荷下降， 電功率可進一步降低， 因而獲得了超出傳統(tǒng)抽凝機組的熱電解耦范圍。 而傳統(tǒng)抽凝機組通常需在50%以上電負荷時， 才具備對外供熱能力。 該類 “凝-抽-背”機組根據(jù)熱負荷的大小， 可在純凝、 抽凝、 背壓3種模式下在線切換， 運行靈活性大大提高。

針對不同的城市規(guī)模， 30～350 MW 功率等級機組基本可滿足不同的供熱量需求。 以10 萬人口左右的中小城鎮(zhèn)為例， 可選擇30～70 MW 高效“凝-抽-背” 機組， 替代散煤燃燒及小型鍋爐的供熱模式， 落實 “全面實施散煤綜合治理， 推進北方地區(qū)冬季清潔取暖” 的政策要求。

基于優(yōu)化能級匹配的理念， 蒸汽壓力與溫度匹配不需沿用傳統(tǒng)的高壓、 超高壓、 亞臨界、 超（超） 臨界的管理， 根據(jù)具體供熱參數(shù)的需求及提高整體循環(huán)效率的需要進行合理搭配， 如采用亞臨界升溫、 超高壓超高溫等。 該類型機組采用了小型、 快裝的模塊化設計， 極大縮短了廠房投資及電建周期； 配套低壓缸可采用軸排、 側(cè)排等形式， 以降低廠房高度， 有利于整體工程的去工業(yè)化設計。

2.2 高效能再熱型背壓機研發(fā)

目前在運行的背壓機普遍采用中壓至超高壓的蒸汽參數(shù)， 整體循環(huán)效率較低。 而興建的大火電機組普遍采用高效超超臨界參數(shù)（28 MPa/600 ℃/620 ℃以上）， 技術水平及循環(huán)效率存在較大的代差。 若背壓機也采用再熱機型， 并將參數(shù)提升至亞臨界至超臨界； 則相當于在傳統(tǒng)的次高壓背壓機（進汽參數(shù)5.0 MPa， 溫度435～460 ℃） 基礎上增加一個超臨界參數(shù)的前置熱力循環(huán)， 整體循環(huán)效率大大提高。

針對工業(yè)園區(qū)或其他工業(yè)用戶的具體參數(shù)需求， 可靈活選擇背壓機入口參數(shù)及是否帶再熱，選擇中壓調(diào)節(jié)閥、 座缸閥、 旋轉(zhuǎn)隔板等參調(diào)方案，可實現(xiàn)雙抽、 單抽的供熱要求； 實現(xiàn)能級匹配更為合理的供汽方案。

背壓機回熱系統(tǒng)進行創(chuàng)新設計。 由于大部分背壓機對外供汽用于工業(yè)工藝流程， 很少有凝結水返回。 因此在背壓機運行時， 常常用壓力相對較高的排汽減壓后加熱大量低溫的化學補給水，過大的換熱溫差必然造成有效能損失。 基于優(yōu)化能級匹配的理念， 高效能再熱背壓機在原排汽供熱處之后增設低壓級次， 利用壓力更低的回熱抽汽加熱補給水， 提高整體運行經(jīng)濟性。

2.3 供熱機組低壓缸零功率改造技術研發(fā)

傳統(tǒng)抽凝機組在最大供熱工況運行時， 低壓缸需留有最小冷卻流量。 低壓缸末葉長期在小容積流量下運行， 動應力水平上升， 安全性也隨之降低。 且該部分蒸汽因流量相對較小， 在低壓缸做功效率極低， 蒸汽不能利用， 且浪費循環(huán)水泵功率， 熱耗與背壓機相差甚大。 采用低壓缸零功率的方案后， 僅需流過少量冷卻蒸汽（10～20 t/h），使得機組獲得了接近背壓模式運行的能力， 供熱能力及運行經(jīng)濟性顯著提升。 采用低壓缸零功率方案的機組， 在運行方式上與 “凝-抽-背” 機型基本相同， 能有效解決目前三北地區(qū)采暖季供熱機組占據(jù)大量電負荷造成的大量棄風現(xiàn)象。

低壓缸零功率改造方案實施便捷， 主要措施有： ①將常規(guī)供熱機組的聯(lián)通管供熱蝶閥更換為全密封性蝶閥， 并為蝶閥設計帶流量調(diào)節(jié)閥的平行小旁路； ②低壓末級葉片回流區(qū)域采用噴涂抗水蝕涂層技術， 保護末葉不被低壓缸噴水水滴回流過度侵蝕； ③優(yōu)化末級葉片的強度及氣動設計，提高零功率工況運行可靠性； ④增加葉片安全監(jiān)測， 優(yōu)化噴水及供熱運行保護邏輯， 避免長葉片停留在危險負荷區(qū)域。

2.4 高背壓供熱技術研發(fā)

合理選擇低壓末級葉片或采用雙轉(zhuǎn)子互換方案， 并對凝汽器循環(huán)水管路進行改造， 使機組具備高壓供熱能力。 對于濕冷地區(qū)的供熱機組改造，可采用雙轉(zhuǎn)子互換， 實現(xiàn)高背壓供熱。 針對北方的間冷供熱機組， 公司率先構建適應高背壓供熱的末葉系列， 推出了不需更換轉(zhuǎn)子即可兼顧采暖季高背壓運行的供熱機型。 以新疆地區(qū)為例， 采暖季長達6 個月， 采暖季過后即將進入夏季高背壓季節(jié)， 一只較短末葉既能滿足采暖季高背壓運行的安全性需要， 又有足夠的排汽面積， 保證夏季高背壓季節(jié)滿發(fā)銘牌功率。 該類型間冷供熱機組不需更換轉(zhuǎn)子， 無發(fā)電損失， 且運行維護便利。

配套高背壓供熱機組的凝汽器可根據(jù)熱負荷大小， 采用單溫區(qū)、 雙溫區(qū)不同的設計方案。 采用單溫區(qū)設計的凝汽器， 采暖季運行時有雙流程切換至四流程， 乏汽熱量全部回收， 實現(xiàn)零冷端損失。 雙溫區(qū)凝汽器的2 個溫區(qū)分別采用熱網(wǎng)水及循環(huán)水冷卻， 部分回收乏汽熱量， 存在一定冷端損失； 但雙溫區(qū)凝汽器在熱網(wǎng)故障時， 循環(huán)水投入仍能保證凝汽器單側(cè)運行， 降低了故障停機風險。

3 高效通流設計

該系列高效供熱機型開發(fā)基于新一代“TIODR”高效通流智能優(yōu)化設計平臺， 集成應用了高效大功率超超臨界火電機組中研發(fā)的通流技術， 內(nèi)效率在上一代供熱機型基礎上提升顯著。

主要包括了高效葉型、 “小焓降、 低根徑、大葉高、 窄葉片” 的二次流控制理念、 控制葉頂反動度的先進流型等優(yōu)化技術。 特點如下：

（1）采用先進的葉片型線設計手段和計算分析軟件， 自主研發(fā)了DAPL 高效沖動式型線和DAPH高效反動式型線。 試驗結果證明自主研發(fā)的高效葉型系列具有氣動性能佳， 葉型損失小， 攻角適應性好， 變工況性能好等特點。

（2）采用小焓降、 多級次、 低根徑、 大相對葉高的設計理念， 實現(xiàn)整缸焓降優(yōu)化分配， 葉片采用混合加載流型、 可控渦設計的優(yōu)化技術， 最大限度降低二次流損失， 實現(xiàn)動靜的最優(yōu)匹配， 使通流級的綜合效率達到最優(yōu)。 自主建立的高精度多級空氣透平試驗平臺上進行大量的試驗研究和驗證， 形成了完整的研發(fā)體系。

（3）通過大量試驗研究， 進行了各種典型密封結構的全尺寸試驗， 在此基礎上建立了高效通流密封設計體系。 根據(jù)需要選擇最佳汽封形式， 設計最優(yōu)化的間隙值， 滿足汽輪機安全性、 汽封可靠性和機組經(jīng)濟性的要求， 保證汽輪機可靠運行。

（4）應用先進的氣動分析工具結合試驗研究，對機組進行全蒸汽流程的氣動優(yōu)化。 綜合考慮通流中諸如： 進排汽流道、 抽汽腔室、 汽封流道、前后端部汽封結構等， 進行流場和效率的評估，進行必要的局部優(yōu)化設計。

4 結語

由于熱電聯(lián)產(chǎn)機組可實現(xiàn)能源梯級有效利用的先天優(yōu)勢， 機組內(nèi)效率受重視程度不如大功率純凝發(fā)電機組。 目前設備供應廠商技術水平良莠不齊， 公司應用高效通流機組研發(fā)的系列熱電聯(lián)產(chǎn)機型， 勢必能帶動熱電聯(lián)產(chǎn)技術升級， 進一步發(fā)揮熱電聯(lián)產(chǎn)機組的節(jié)能優(yōu)勢， 為國家推進能源清潔高效利用提供有力的技術支撐。