供热机组改造后回热系统设备适应性校核_李志炜.pdf

第 卷 第期 年月 ，收稿日期：；修回日期：作者简介：李志炜（），男，工程师，主要从事火力发电汽轮机设备管理相关工作。陈小琛（通信作者）：供热机组改造后回热系统设备适应性校核李志炜，邹晓昕，林宝森，陈小琛，翟黎明，余建中，公宇桐，陈德露（国能（泉州）热电有限公司，福建泉州 ；中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福州 ；东南大学 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京 ）摘要：为研究某供热机组改造后回热系统设备运行的可行性，对设备进行适应性校核，选取高压加热器、低压加热器、凝汽器和除氧器进行性能核算。结果表明：高压加热器壳侧强度校核满足改造参数的要求，但是由于壳侧设计压力的提高，需要重新对壳侧进行水压试验；低压加热器的热力校核与壳侧强度校核满足改造参数要求，但是低压加热器蒸汽流速增加，可能出现管束振动风险；凝汽器热力校核与强度校核结果均为安全；改造后除氧器基本满足参数要求，但是存在一定的振动风险。关键词：供热机组；回热系统；设备；适应性校核中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：，（），；，；，）：，：；热电联产是优化能源利用的重要方式之一，能够有效提高燃料的使用效率并将一次能源以较高的效率转换为热能和电能。从经济的角度分析，热电联产可以提高工业和商业用户通过分布式能源技术消费电能和热能时的经济效益；从环境的角度分析，热电联产能通过改善生产能力为热力发电创造竞争条件，并且通过提高燃料的经济性来降低温室气体的排放量。目前，全第期李志炜，等：供热机组改造后回热系统设备适应性校核球热电联产总装机容量约为 ，预计到 年总装机容量将提升至 。中国热电联产工业是于 世纪 年代开始发展的，当时正处大规模经济建设的初期，也是各地电网发展的初期，热电联产也因此得到了初步发展，但其主要聚集于北方的工业城市。在改革开放以后，热电联产逐渐应用到北方居民集中供暖，其具有节能、改善环境、提高供暖质量、增加供电等综合效益，受到了政府的大力支持。进入 世纪后，随着我国人民生活水平的不断提高，原来不装采暖设施的城市在新建筑中也装了采暖设施。因此，采暖范围从北方扩展到南方，并且不断地扩大。随着城市集中供热采暖率的提高、新型建筑的增加和采暖范围的扩大，对热源建设提出了更高的要求。在此背景下，我国热电联产发展迅速，总装机容量和增长率均处于世界领先水平。目前，我国政府也在继续加大对热电联产的支持，同时以大气污染的防治和能源利用效率的提高为重点，以集中供热联产为前提，实现热电联产健康有序的发展 。在 电力发展“十四五”规划 中指出，我国将大力推动煤电节能降碳改造、灵活性改造、供热改造的“三改联动”，“十四五”期间节能改造规模不低于 亿；同时，推广热电联产改造和工业余热余压综合利用，力争到 年，实现大气污染防治重点区域散煤基本清零，基本淘汰 以下的燃煤锅炉。在某电厂一期机组供热改造后其供电煤耗率依然较高，机组处 于 单 台 机 组 运 行，或 者 一期、二期各一台机组运行的状态，导致其可靠性较低，并且无法基于现有设备的供热能力与现阶段热用户结构相匹配，可能无法满足未来新增热用户的需求。因此，对该电厂一期机组供热改造进行可行性分析。在此基础上，为了保证改造后回热系统设备的可靠稳定运行，需要对供热机组回 热系统设备进行 适 应 性 校 核 研究 。笔者对该电厂供热系统中的高压加热器、低压加热器、除氧器及凝汽器开展了改造后的性能核算，判断其改造后的运行特性与适应性，为类似机组改造的可行性提供参考。校核总体思路该电厂机组供热改造后，台机组联合运行（额定工况）、单台机组运行最大对外供汽能力均得到提升。一期工程供热改造后，每台机组最大供汽工况的抽汽质量流量为 （主蒸汽质量流量为 ，一抽抽汽质量流量为），高压蒸汽（参数为 、），台机组互为备用，并且一期的单台机组可从再热段抽汽（最大抽汽质量流量为 ，中压蒸汽）对外供热。回热系统新增的汽轮机抽汽口位于高中压外缸下半缸两处（原四抽抽汽口两侧），呈对称分布。新增的抽汽母管上从汽轮机接口开始依次布置电动闸阀、气动止回阀，管道接至原给水泵汽轮机进汽管道母管三通前。本次改造的主要目的为通过通流改造提升机组通流效率，同时考虑供热需求，扩大一抽供热能力，增加辅助加热系统，将一抽抽汽温度提升至 以上，代替主蒸汽供热，提高机组整体热效率。图为该电厂供热改造后的回热系统设备适应性校核的总体思路。图回热系统设备适应性校核方案设备校核结果通过通流改造提升机组通流效率，同时考虑供热需求，扩大一抽抽汽供热能力，增加辅助加热系统将一抽抽汽温度提升至 以上，代替主蒸汽供热，提高机组整体热效率。但是，改造会对机组回热系统相关设备造成影响，需要对改造后回热系统设备的适应性进行校核。高压加热器表为调节汽阀全开功率（）工况下高压加热器在机组改造前后的相关参数。第 卷表高压加热器热力校核结果参数号高压加热器号高压加热器号高压加热器改造前改造后改造前改造后改造前改造后进汽压力 进汽质量流量（）进汽比焓（）上级疏水质量流量（）上级疏水比焓（）疏水出口温度 给水进口温度 给水出口温度 给水压力 给水质量流量（）壳侧设计压力 短接设计温度 壳侧设计温度 经核算，改造后的号、号与号高压加热器的换热面积均能满足要求，运行过程中可以保证加热后的蒸汽达到其所需的温度与压力。通过壳侧压力和温度的校核可以发现，抽汽压力均略高于设计值，容器存在超压运行的风险。即使通过计算分析得出设备壳侧强度能够满足改造参数的要求，也需要重新对设备壳侧进行水压试验。在管束振动核算中发现，号高压加热器改造前疏水质量流量为 ，改造后疏水质量流量为 ，增加了约，而原壳体内部疏水流通面积有所不足，长时间在高负荷运行会对设备寿命产生一定的影响。另外，号与号高压加热器内部疏水区域的流速有所升高，在高负荷运行时内部存在振动隐患。低压加热器低压加热器的换热面积见图。根据改造方案热平衡图和最大供汽热平衡图核算低压加热器在汽轮机最大连续功率（）工况、工况和最大供汽工况下所需的换热面积，结果表明台低压加热器的换热面积均满足要求。图低压加热器的换热面积低压加热器在机组改造前壳程设计压力和在机组改造后壳程最大工作压力见图。由图可得：改造后壳程最大工作压力仍在设计压力范围内，改造后壳程压力仍然满足要求。图低压加热器在机组改造前壳程设计压力与在机组改造后壳程最大工作压力的对比在低压加热器的管束振动核算中，根据 热交换器 附录流体诱发振动标准对低压加热器进行振动校核，分别核算了改造后的低压加热器在 工况、工况及最大供汽工况下低压加热器的振动情况，得出在最大供汽工况下，其中交错管束的无量纲次声共振参数处于共振区，台低压加热器管束都有可能发生振动。针对机组抽汽改造后低压加热器蒸汽流速增加会造成管束振动的风险，对同类型已有运行经验的抽汽式机组（如浙能滨海、国电蓬莱等项目）进行校核，其计算结果为交错管束的无量纲次声共振参数也处于共振区，台低压加热器理论上也都有可能发生振动，但根据实际运行状态，并未发生明显振动导致管束损坏的情况。第期李志炜，等：供热机组改造后回热系统设备适应性校核 凝汽器表为凝汽器在机组改造前后 工况下的运行参数的对比。由表可得：改造后给水泵汽轮机进汽流量和循环冷却水水温及压力都有所下降，而主蒸汽比焓及给水泵汽轮机进汽比焓则有略微上升，经过改造后热平衡计算及运行分析，发现凝汽器能够稳定运行。表凝汽器在机组改造前后 工况下的运行参数对比运行参数改造前改造后背压 给水泵汽轮机进汽质量流量 给水泵汽轮机进汽比焓（）循环冷却水温度 循环冷却水压力 主蒸汽质量流量（）主蒸汽比焓（）凝汽器面积为 。基于机组的改造方案热平衡图和改造后的最大供汽热平衡图，分别按照循环冷却水设计水温和实际水温核算低压加热器在 工况、工况和最大供汽工况下所需的换热面积，得到的结果如下。（）按照设计水温的核算结果。根据设计水温为 ，设计水质量流量为 得出，在 工况及最大供汽工况下凝汽器面积满足运行要求，但工况下凝汽器的背压偏高，若循环冷却水质量流量增大到 ，则工况也可以达到设计背压。（）按照实际水温的核算结果。由于无法获取实际运行循环冷却水流量，目前只能按设计循环冷却水流量核算，即按实际水温为 ，设计水质量流量为 计算，得出 工况、工况和最大供汽工况下，凝汽器面积均满足运行要求。在凝汽器强度核算中，凝汽器汽侧设计压力为 ，改造后背压仅为 ，因此凝汽器改造后蒸汽侧压力在设计压力范围内。冷凝器水室的设计压力为 ，改造后循环冷却水压力为 ，也在设计压力范围内。因此，凝汽器强度校核满足改造后需求。除氧器表为在机组改造前后种工况下除氧器运行参数的对比，其中：工况、分别代表改造前 工况、改造后 工况、提供 抽汽工况、最大供汽工况。由表可得：改造后除氧器相关的压力及温度等参数均低于设计值，供热改造不影响除氧器的正常运行。经过热平衡计算及分析得出改造后的除氧器能够稳定运行，除 氧 器在 改 造后，其强度能够满足 改 造 后工况、及最大供汽工况下的强度要求。表种工况下除氧器参数对比参数工况工况工况工况抽汽压力 凝结水进口流速（）凝结水进口温度 给水温度 进汽温度 抽汽质量流量（）凝结水进口质量流量（）给水质量流量（）凝结水进口比焓（）进汽比焓（）给水比焓（）在除氧器振动核算中，经过核算原安全阀排量满足抽汽量提高的要求，除氧器各接口的口径基本满足流速要求，但是最大供汽工况的抽汽进口流速略超过蒸汽流速上限要求（一般抽汽进口流速最高为），在此工况运行时蒸汽进口存在一定的振动风险，应当根据实际情况考虑改造，如果改造则需更换整个除氧头。结语基于机组供热优化改造的可行性分对其开展供热改造，研究改造前后高压加热器、低压加热器、除氧器和凝汽器的实际运行特性，并且进行进一步的性能核算，判断其在机组改造后的运行适应性，结论如下：（）高压加热器壳侧强度满足改造参数的要求，但是由于壳侧设计压力的提高，设备需要重新对壳侧进行水压试验。号高压加热器原壳体内部疏水流通面积有所不足，长时间在高负荷运行会对设备寿命有一定影响。此外，号与号高压加热器内部疏水区域流速有所升高，在高负荷运行时内部存在振动隐患。（）低压加热器热力校核与壳程强度校核满足改造参数要求，但是低压加热器蒸汽流速增加，管束振动校核显示可能出现管束振动风险。（）凝汽器强度校核与热力校核结果均为第 卷安全。（）改造后除氧器基本满足参数要求，但最大供汽工况下的抽汽进口流速略超过蒸汽流速上限，存在一定的振动风险，应当根据实际情况考虑进行优化，如更换整个除氧头等。参考文献：孙同会背 压式热电联产机组能效指标评价节能，（）：王兵，刘光天节能减排与中国绿色经济增长 基于全要素生产率的视角中国工业经济，（）：邵帅，张可，豆建民经济集聚的节能减排效应：理论与中国经验管理世界，（）：，张国兴，张绪涛，汪应洛，等节能减排政府补贴的最优边界问题研究管理科学学报，（）：张显，耿建，庞博，等发电权交易在中国节能减排中的应用及分析电力系统自动化，（）：，劳金旭，郑威，郭俊山，等热电联产机组实际带负荷能力试验研究山东电力技术，（）：许丹，丁强，黄国栋，等考虑电网调峰的热电联产热负荷动态调度模型电力系统保护与控制，（）：黄大为，郭君宜热电联产机组参与系统调峰的调度策略电力系统及其自动化学报，（）：廖春晖燃煤热电联产区域供热系统热源优化配置 研究哈尔滨：哈尔滨工业大学，万燕热电联产高背压供热机组性能研究北京：华北电力大学，张宇，鄂志君，刘卫平，等热电联产机组调峰能力的研究与应用 电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报，（）：杨承，黄志峰，马晓茜联合循环热电联产机组变工况性能分析中国电机工程学报，（）：李岩岩，高艳青，杨绪飞，等基于有机朗肯循环的微型热电联产技术研究现状北京石油化工学院学报，（）：刘要治热电联产中背压式机组节能优势及发展前景数字通信世界，（）：戈志华，杨佳霖，何坚忍，等大型纯凝汽轮机供热改造节能研究中国电机工程学报，（）：王鹏百万超超临界机组汽轮机抽汽回热系统能效评价与诊断的研究北京：华北电力大学，席泽艳烟水复合回热系统节能效果的优化研究沈阳：沈阳工程学