新型热电联产汽轮机系统研究

张文祥，宋放放，谢林贵，唐丽丽，雷晓龙，宋萍，刘晓燕，赖强

（东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000）

1 背景

随着我国经济、能源和环保形势的发展，燃煤火力发电企业的发展进入了新常态，新能源的大规模投运进一步压缩了火电机组在发电市场中的份额，火力发电设备年利用小时数持续走低使燃煤电厂的经营形势变得日益严峻，但同时国家能源政策决定了火电机组必须承担深度调峰的重要任务。 随着居民和工业用户对供热负荷的需求不断增加，电网对机组中低负荷率下的供热能力，提出了更高要求，必须提高供热机组的热电比与灵活性，要求机组保障供热能力的同时，最大程度提高机组的宽幅调峰能力。

为缓解热电机组供热和供电的矛盾，国家出台了鼓励火电厂开展灵活性改造的若干政策，各地方政府根据各自区域的实际情况也出台了火电机组深度调峰阶梯电价政策。因此，通过技术升级提高机组深度调峰能力，将对火力发电公司盈利能力起到重大作用。实现深度调峰、提高热电比与机组运行灵活性，已成为决定火电企业生存的关键因素。

2 新型供热汽轮机系统

常规供热采暖抽汽主要采用中排蝶阀调整抽汽的方式，该方式调峰负荷高且热电比低。采用新型供热汽轮机系统提高机组热电比，主要有2个思路：

（1）减小机组发电量。可通过减小高压缸、中压缸或者低压缸出力来减小机组出力。

（2）减小机组上网电量。在机组发电量不变情况下，将部分电负荷用于驱动压缩式热泵或者电锅炉来提供热负荷。

以上2点中，第2种涉及范围较大。本文主要论述通过新型供热汽轮机系统来减少机组的三缸出力。

2.1 低压缸切缸运行

低压缸切缸运行是指机组的低压缸在高真空条件下运行，通入少量冷却蒸汽，大幅降低低压缸出力，实现低压缸微出力运行工况，从而提高机组供热的能力和经济性，实现深度调峰的目的。

2．1．1 汽轮机小容积流量工况问题

实现低压缸切缸运行需要解决低压缸在小容积流量下叶片颤振、鼓风和水蚀，防止因低压缸末级和次末级叶片动应力过大而损坏、防止因叶片鼓风导致汽轮机结构部件温度超限和叶片水蚀。

2．1．1．1 鼓风和过渡工况

随着容积流量的减小，级的效率会变差。当容积流量减小到某一值时，级的轮周功率等于零；如果容积流量进一步减小，级将会由原来的做功级转变为鼓风耗功级，级效率则会由正变为负，此时排汽的滞止焓将高于进口滞止焓，鼓风摩擦会对汽流起加热作用，叶片的温度也会升高，引起汽缸变形以及叶片应力超标等。

2．1．1．2 叶片水蚀

低压缸进入鼓风工况时，为降低末级排汽温度，通常设置排汽喷水装置。小容积流量下，末叶根部以负反动度工作，低压缸喷水会通过末叶根部倒吸入动叶，并随着涡流运动，水滴倒吸会对末叶叶根造成侵蚀；小流速使静叶出口角大幅增加，导致水滴冲刷至动叶进汽边的背部造成侵蚀。上述水滴的2种流动方式对叶片伤害较大，使叶片强度削弱。

2．1．1．3 大扇度叶片颤振

在小容积流量工况下，末级动叶进口大负攻角引起大尺度汽流分离而诱导产生自激振动，导致动应力水平突增，发生失速颤振。在相对容积流量减小的过程中，当相对容积流量低到一定值时，叶片振动应力开始迅速增加，之后达到最大值，进一步减小容积流量，振动应力逐渐减小，振动应力与相对容积流量呈非单调变化关系。因此，末级叶片在相对容积流量0．1～0．2存在1个较大的动应力放大区间，运行时要尽量避免在此工况区间长期运行。

2．1．2 切缸后热力数据分析

切缸改造后，相对于常规蝶阀供热，机组的供热能力得到提升，热电比进一步提高。同样的主汽流量下，切缸供热与中排蝶阀供热主要数据见表1。

表1 切缸供热与中排供热数据对比

由表1可知，切缸供热比中排蝶阀供热的供热量可以提升56.52 MW，热电比提升0.28。

切缸后虽然可以提高热电比，但是中排供热蒸汽仍需流经高中压缸做功，供热量与发电量依然关系紧密，处于深度耦合状态。当由切缸状态切换到常规蝶阀供热时，供热量与发电量可以进行调节，热电可以部分解耦。

2.2 NCB-SSS离合器运行

切缸目的是使低压缸出力几乎为零，但是低压缸依然在全转速转动，为了提高低压缸的安全性而进行了复杂改造。

采用NCB-SSS离合器运行方式，也是使低压缸出力为零，但是思路却不一样。这种方式主要是通过SSS离合器动作，使低压转子与高中压转子脱开，让低压转子处于静止状态，中压排汽可以全部供热采暖，实现纯凝机组向背压机的转变。当热网只需要部分中排蒸汽供热时，可以通过SSS离合器连接高中压转子与低压转子，使机组实现抽凝功能。当不要供热时，可以实现纯凝功能。NCB-SSS离合器系统示意图如图1所示。

图1 NCB-SSS离合器系统示意图

2.2.1 SSS离合器介绍

在该系统中，SSS离合器是非常核心的设备。SSS离合器用来连接蒸汽轮机高中压透平转子和低压透平转子，并按电厂运行要求来实现高中压透平转子和低压透平转子的啮合和脱开。当输入端（低压透平转子）的转速趋向于超过输出端（高中压透平转子）时，离合器将自动啮合；如果输入端的转速低于输出端的转速，离合器自动脱开。SSS离合器在静止状态下也能够啮合，因此即使机组处于停机状态，汽轮机的盘车装置也能够转动整个汽轮机和发电机。

离合器配有2个液压驱动的伺服装置来移动离合器处于“锁定”的位置，用来防止当离合器的输入端转速逐渐低于输出端转速时离合器自动脱开。其中1个伺服装置上配有开关，与电厂控制中心连接。

2.2.2 NCB-SSS离合器运行方式热力数据分析

与切缸改造相比，NCB-SSS离合器运行方式切换到背压机方式下可在低压缸完全不进汽情况下提升机组的供热量与热电比。主要数据见表2。

表2 背压机运行方式与切缸热力数据对比

由表2可知，同样额定主蒸汽流量下，NCBSSS离合器（背压机运行方式）比切缸供热量增加19.82 MW；NCB-SSS离合器（背压机运行方式）供热比切缸供热热电比提升0.08。

就供热能力而言，NCB-SSS离合器运行方式与切缸运行相比差距不大，因为供热蒸汽都要流经高中压缸做功。但是，相比于切缸运行，NCBSSS离合器运行具有以下优势：低压缸切缸运行存在低压末2级叶片颤振、鼓风超温以及水蚀的风险，NCB-SSS离合器运行没有这些风险，安全可靠性高。

综上所述，NCB-SSS离合器运行是实现低压缸零出力较好的1种方式。

2.3 高低旁供热

以上介绍的切缸运行、NCB-SSS离合器运行等供热技术并未实现热电解耦，去供热的蒸汽都通过高压缸、中压缸做功，只是并没有进入低压缸做功。要想实现热电解耦，不仅需要减小低压缸出力，也要减小高中压缸出力，高低旁供热可以实现减小高中低三缸出力的目的。

高低旁路供热是将部分冷再、热再蒸汽减温减压后作为供热源，通过调整旁路蒸汽流量，减小进入汽轮机三缸蒸汽量，达到提高供热能力、减少发电负荷的目的，是当前热电解耦最常见的方案之一。该方案能够满足机组灵活性改造的目标要求，技术上是可行，但由于供热蒸汽是高品质蒸汽减温减压而来，因此经济性较低。

2.3.1 高低旁路供热系统

2.3.1.1 系统示意图

当高低旁路系统有供热要求时，需要进行部分改造。常规旁路阀门只具备启动与停运功能，高低旁供热时，高压旁路阀与低压旁路阀需要控制阀后压力和温度，且动作频繁需要长期连续运行，阀体和阀内件结构需要单独设计，使之具备长期运行和调节功能。除了阀门本体外，系统也要进行局部改造。

改造后高压旁路系统示意图如图2所示。

图2 改造后高压旁路系统示意图

与常规高压旁路系统相比，改造后管路布置不变，更换高压旁路阀芯、阀座等部件，高旁入口新增电动闸阀（常开），高旁阀卡涩及故障需要隔离时，高旁入口电动闸阀关闭。

改造后低压旁路系统示意图如图3所示。

图3 改造后低旁路系统示意图

在常规低压旁路阀后增设一段抽汽管道至热网，该抽汽管道与低旁后至凝汽器的管道并联。抽汽管道上依次增设安全阀、止回阀、快关调节阀、电动关断阀。供热抽汽时抽汽管道上的电动关断阀保持全开，通过低压旁路阀对抽汽流量进行调节。止回阀防止热网中蒸汽倒流进入低压旁路系统。当出现热网解列事故且通向凝汽器的电动关断阀故障不能打开时，低压旁路阀后压力升高，安全阀动作。

2.3.1.2 实施方式与技术要点

深度调峰供热工况下，高低压旁路阀作为减温减压器使用。低压旁路调节阀、关断阀先开启，低压旁路对外供热抽汽，高排压力开始降低。高旁后压力实时跟踪高排压力，通过高旁阀、高旁减温水调节阀控制高压旁路后蒸汽压力和温度，调整到高压缸排汽参数。

（1）进入再热器蒸汽量不变，没有锅炉受热面吸热匹配性问题；

（2）根据低旁供热蒸汽量的大小，通过高旁阀控制进入汽轮机高压缸蒸汽量，达到汽轮机轴向位移的整体平衡，运行灵活性较强；

（3）供热能力由旁路系统容量决定；

（4）供热蒸汽相当于主蒸汽和再热蒸汽减温减压供热，这部分蒸汽没有做功，因此供热经济性差，实际运行过程中需通过优化工作提高经济性。

2.3.1.3 旁路联合供热安全性分析

（1）汽轮机轴向推力

对于高低旁路供热方案，高旁蒸汽流量与低旁蒸汽流量的匹配方式是影响汽轮机轴向推力平衡和汽轮机安全运行的的关键因素，实际运行中需采取高低压旁路蒸汽流量基本一致的控制策略，即低旁蒸汽流量=高旁蒸汽流量+高旁减温水流量。可通过增加控制逻辑，依据调节级压力与高压缸排汽压力及中压缸进汽压力的关系，以调节级压力、高压缸排汽压力、中压缸进汽压力始终保持在恰当匹配的范围内为控制目标，调整高旁阀、低旁阀及中压联合调节阀开度，确保汽轮机轴向推力平衡。

（2）高压缸排汽鼓风

当高旁蒸汽通流量较大时，高压缸进汽量减小，对应高压缸排汽压力减小；同时高旁阀后压力升高，可能导致高压缸排汽“憋压”导致鼓风，高旁温度升高，因此运行中应合理控制高旁蒸汽流量，防止高压缸排汽温度超限；另外，高旁减温后温度应跟踪高压缸排汽温度，建立相关逻辑控制高旁减温水的流量，维持汽轮机高压缸排汽温度始终处于上述限值范围内。

（3）高排压力

低旁路抽汽供热增加时，会引起再热汽系统和高压缸排汽压力降低，高压缸末级轮周功可能会超过限制值，导致隔板叶片强度超限，存在安全隐患。考虑采取中压调门参调方式提升高压缸排汽压力，确保高压缸排汽压力始终在运行限值范围内。

（4）蒸汽管道流速

在旁路供热工况下，由于汽轮机进汽量减少，相应抽汽压力降低，蒸汽比容增加；部分蒸汽通过低旁供热导致给水流量相对汽轮机进汽量偏大，导致抽汽流量相对增加，抽汽管流速超标。

2.3.2 高低旁供热计算

在旁路容量足够大的情况下，假设高低旁路容量为100%BMCR容量。虽然高低旁供热可以旁路大部分蒸汽，但是依然要满足低压缸最小排汽流量，防止低压末级发生鼓风或颤振。根据以上限制条件，计算出额定主汽流量下与深度调峰至15%THA负荷下2个工况的高低旁最大供热能力。相关数据见表4。

表4 高低旁供热数据

由表4可知，在额定主汽流量下，高低旁路供热量可达642.80 MW，热电比为5.52。当机组电负荷深度调峰至15%THA时，机组供热量可以达到360.20 MW，热电比为6.86。相比于低压缸零出力的2个方案，高低旁路联合供热的热电比大幅提升。

虽然高低旁路供热可以实现大热电比，但是采用这种供热方式时，大量高品质的主蒸汽和再热蒸汽没有去膨胀做功，而是减温减压供热，产生大量损。另外，高低旁路供热方式存在低压排汽至凝汽器，冷端损失较大。而上述低压缸零出力的2种方案冷端损失极小，经济性比高低旁供热更好。

以NCB-SSS离合器运行为例，与高低旁供热进行经济性对比，详见表5。

表5 对比表

由表5可知，在主汽流量与供热量相同的情况下，采用高低旁路供热的热耗值为7 438.10 kJ/kWh，采用NCB-SSS离合器运行（背压机供热）的方式的热耗值为4 959.70 kWh，大幅低于高低旁联合供热的方式。所以，只采用高低旁联合供热的方式经济性较差。

2.4 建议最优供热方案

由前述内容可知，切缸运行、NCB-SSS离合器运行2种方式优点是没有冷端损失，经济性好；缺点是热电比不够高，没有实现完全热电解耦。而高低旁供热可以实现大热电比与热电解耦，但是经济性却较低。因此提出1种可以实现大热电比与供热经济性优的系统方案，即采用高低旁供热与NCB-SSS离合器运行联合供热的新型综合系统方案。

该新型综合系统系统可以实现梯级供热。在某个负荷下，若能通过中压排汽供热满足热网要求，则不需要通过高低旁供热。若负荷继续降低，当SSS离合器脱开后中压所有排汽都不能满足供热量需求时，采用高低旁联合供热蒸汽作为补充汽源，既能保证供热量大与深度调峰的运行需求，又能保证经济性最优。新型综合系统示意图如图4所示。

图4 新型综合系统示意图

将采用新型综合供热系统的数据与只采用高低旁供热方案的数据进行比较，基准如下：

（1）2种方案的主汽流量相等，均是额定主汽流量；

（2）2种方案通过高低旁的供热量相等，新型综合系统多了中排供热量。

由表6可知，采用综合方案后，热电比大幅提升至7.10，热耗值由高低旁供热的7 712.20 kJ/kWh降低到5 415.90 kJ/kWh，供热能力与经济性均得到提升。因此，在条件允许情况下，建议采用新型综合系统进行供热。

表6 2种方案对比表

3 总结

在当前电力新形势下，深入挖掘汽轮机系统的潜力，提高机组的热电比和运行灵活性是提升火力发电企业的必由发展之路。

常规供热方式已经无法满足电厂当前形势下的供热需求和调峰需求，低压缸切缸运行以及NCB-SSS离合器运行可以一定程度上提升供热能力且经济性较好，但低负荷供热能力不够乐观。

高低旁供热可以大幅提升供热能力且能满足深度调峰要求，但供热经济性较差。

提出1种新型综合供热系统，耦合NCB-SSS离合器运行与高低旁供热2种方式，既保证机组全负荷下供热能力，又保证机组整体供热经济性。