对现有供热机组进行端口改造分析寻找最佳改造和运行方式

  节能减排是我们国家的经济实现可持续发展的基本国策，电力行业的节能减排是国家节能减排战略体系的重要组成部分。

  目前我国城市集中供热和工业供热主要靠小型供热机组， 但是其能耗高，能源利用率低，大型热电联产机组利用锅炉大容量、高效率的特点在小型燃煤锅炉替代、降低机组能耗、 以及工业供热等方面具有优势， 并正在成为发展趋势。

  同时对于 300MW 级及以下纯凝机组，供电煤耗率水平难以满足国家能源发展政策的要求，热电联产改造成为其生存的关键途径。

  余炎等针对超临界 350 MW 等级机组工业抽汽供热的需求，提出对外供热的研究方案和热力系统布置，并进行详细的经济性计算对比，从投资收益、技术安全性分析了其可行性。

  许朋江等以某330MW 机组汽轮机中低压联通管抽汽为例计算了不同电负荷、不同抽汽压力和不同抽汽流量工况下机组运作时的状态分析了热耗特性、调压临界特性、 能耗临界特性。

  针对现有供热机组进行供热抽汽端口改造进行变工况性能分析，以寻找最佳的机组改造和运行方式。

  为满足日渐增长的工业供热需求，某 330MW 热电联产机组采用高压再热蒸汽段抽汽对外工业供热。

  THA 工况下抽汽压力 3.0 MPa，抽汽温度 537.0 ℃，供热管网所需蒸汽压力 1.5 MPa，温度 420 ℃，此参数下所对应的供热减温减压等熵 焓 降为 94.62 kJ/kg。

  根据机组负荷变化，抽汽压力会在2.05~4. 14 MPa 变化，温度基本保持在 537.0 ℃， 工业供热蒸汽流量在 20~44 t/h。

  而且供汽参数与用 户需求参数不匹配， 直接采用减温减压进行供需参数匹配的方式存在高品质热能严重浪费的问题。

  纯凝机组工业供热抽汽与供热管网参数匹配 是供热改造的核心问题之一，常用的 3 种供热改造 方案为减温减压器方案、蒸汽压力匹配器方案及小 型背压式膨胀机方案。

  减温减压器供热系统，也可称为直接抽汽供热系统，由减压系统、减温系统、安全保护设施等组成， 通过对机组抽出的一次蒸汽进行减温减压，使输出 的二次蒸汽压力、温度满足供热要求。

  直接 减温减压方式所需的装置较为简单， 也易于对供热蒸汽进行调节控制， 因而国内大量机组进行抽汽供热改造时均采用该方式，但该供热过程中有着很 大的蒸汽节流能量损失和损失。

  压力匹配器的基 本原理是利用高压蒸汽膨胀加速降压，将低压蒸汽引射并混合，再经扩压器减速增压到需要的参数。

  相比于直接抽汽供热方案，该方案可以部分利用高压蒸汽的压力能并提高低压蒸汽品位，但该装置存在内部湍流掺混的损失。

  且压力匹配器对低压抽汽的升压比和高压汽源的压力都有一定限制，通常其低压抽汽的升压比不超 过 2.5，而驱动蒸汽即高压汽源的压力与低压抽汽的压力之比不小于4 。

  此外，该方案对供热机组负 荷及热用户负荷的稳定性均要求比较高，在供热机组 变工况时，抽汽参数变化使压力匹配器工作条件恶化，严重时甚至无法正常工作。

  针对工业供热机组都会存在的供汽参数与用 户需求参数不匹配、高品质能源浪费严重的问题， 为提高能源利用效率，蒸汽先通过一套动力设备 (如向心涡轮机、小型背压汽轮机、螺杆膨胀机) 膨胀做功后再对外供热， 同时回收蒸汽中的高品位 能量，实现蒸汽能量的梯级利用，形成热电联产机 组蒸汽能量梯级利用系统。

  结合 330 MW 级热电联产机组工业供热自身特点， 对比常用动力设备的适用性。该动力机械额定 进汽压力3.0 MPa，额定进汽温度 530 ℃，额定排汽压力 1.6 MPa，额定流量 30 t/h，由于机组负荷变 化，抽汽压力在 2.05~4. 14 MPa 波动。

  小型背压汽轮机由于自身结构限制，在此小流 量小压差工况下运行时，末级叶片易进入鼓风状 态， 引起非正常停机，工况安全性差， 因此不适用于本方案。

  螺杆膨胀机在供热蒸汽能量梯级利用 领域能够很好地适应供热蒸汽压差和焓降小、膨胀比低的工况，但当蒸汽压力高于 3 MPa 时，将造成螺杆膨胀机进出口压力增大，对螺杆产生较大的径向力，易导致机械变形。

  当蒸汽温度高于 400 ℃时， 螺杆膨胀机转子与汽缸需兼容更大的热态变形量， 导致预留间隙过大，机组效率随之降低，因此本工 况不宜选用螺杆膨胀机作为做功设备。

  向心涡轮 机相比于轴流式透平具有体积小、转速高、单级比焓 降大、适用于小流量工况及结构紧密相连的特点。

  其设计 转速一般高达每分钟几万转， 高转速可带来明显的效率提升，内效率可达到 70%~85%，并且变工况适 应性好，向心涡轮机的结构。

  系统仿线 MW 机组再热抽汽可通过直接减温减压或向心涡轮机发电 2 种方式实现工业供热，对比分析 了 2 种方案下的热力学性能。

  热力学性能分析模型的主机系统选取某电厂 330 MW 热电机组实际参数 。

  原系统通过节流降压以及喷水降压实现供热参数匹配， 而新系统利用向心涡轮机发电替代 上述过程再辅以喷水降温， 保证在供热参数一致 前提下做改造前后系统性能的对比分析。

  根据某电厂 330 MW 热电联产机组实际运行数 据，确定向心涡轮额定进汽流量为 30 t/h，进汽参数 为 3.0 MPa 、530 ℃，排汽压力为 1.6 MPa。

  根据以上边界条件对向心涡轮机组进行总体设计选型，确定向心涡轮机、减速系统、发电机及辅助系统的配 置和有关技术参数。

  根据要求， 模型选取某厂 B1.5-3.0/1.6//530 型 向心涡轮机，性能参数见表 3，机组配套

  通过定义供电煤耗率、效率、SI、 直接经济效益与碳交易成本，从热力性能、环境和 经济性能 3 方面综合评估供热系统性能，并全面比较直接减温减压方式更换为向心涡轮机发电蒸汽能 量梯级利用方案的改造效果，得到如下结论。

  向心涡轮机具有体积小、转速高、单级比焓 降大、变工况适应性好和内效率高等特点，适用于 参数较高、可利用压差较小和流量较小的工业供热改造方案。

  与传统减温减压方式相比，采用向心涡轮机组发电的工业供热系统热力性能提升显著，并且在能源环境友好和经济性方面得到很大提升。

  在额定工况和相同工业供热量条件下，改造后发电煤耗率可降低 0.89 g/(kW·h) ，抽汽供热过程效 率可达 97.66%，相对提升 7.28%，总发电量可提升 1.08 MW，直接经济效益相对提升 1.04%，碳交易 成本减少 0.34%。

  变工况时，采用向心涡轮机的工业供热改造 系统和原系统的发电煤耗率均随THA 和供热流量的 增大而减小，

  改造后抽汽供热过程效率在变工况时相对 保持稳定，变工况适应性更好；改造后相对经济性指 标则均随 THA 和供热流量的增大而增大。

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