干货｜间接空冷超临界机组在线切换高背压循环水供热技术的研究与应用

1项目概况

1.1 项目立项背景

新疆华电喀什热电有限责任公司(以下简称“喀什公司”)位于新疆维吾尔自治区喀什市，是喀什市的区域大型公益热电厂，2台350MW机组于2011年9月获国家发改委核准建设，2014年1月、11月分别投产发电。

2015年喀什公司集中供热最大热负荷已达到590MW，接近2×350MW机组额定供热能力647MW，2016年供热负荷达到630MW，每年以10%左右比例增加。为了提高现有350MW机组的供热能力、降低能耗、增强公司的盈利水平，拟对采用高背压循环水供热技术，达到提升机组供热能力，降低能耗指标目的。

热电联产是火力发电节能降耗的重要途径之一，热电联产又以背压供热节能效果最为显著，使用该技术可以充分回收利用机组冷源损失。华电集团分别在青岛公司、裕华公司、十里泉电厂等采用“水冷机组低压缸双背压双转子互换循环水供热技术”实施改造，在供热期冷源损失接近为零;在鹿华公司、昌吉热电采用“直接空冷机组高背压循环水供热技术”改造，机组供电煤耗大幅降低。国内各大发电集团均在积极推进此类项目的实施。

喀什公司2×350MW机组为超临界间接空冷式供热机组，针对此类机组的高背压供热改造技术国内还是一片空白，没有成功应用案例，机组背压提高后存在汽轮机低压缸末级叶片安全性的问题，高背压循环水供热还有面临配套的热网老化、管道容易泄露，电厂孤岛运行、需要调峰负荷，高背压供热后精处理高温而失效，间冷塔散热器冬季防冻等问题。

1.2 项目概括

喀什公司三期2×350MW超临界间接空冷式机组，此类型机组的高背压改造技术国内还无改造先例，原有改造均为双转子互换或者直接空冷机组改造。2015年7月，喀什公司对该项目进行立项，考虑该项目为国内第一台间接空冷机组高背压循环水供热改造，将该项目转为科研项目并立项研究，针对间接空冷超临界机组高背压供热循环水供热可能出现的一系列问题进行研究及技术应用。

2016年02月 项目技术方案在北京进行审查，华电集团公司科技环保部、华电新疆发电有限公司对本项目技术方案出具了审查意见，2016年4月列为集团2016年度第一批科技项目及技术标准编制计划，项目编号为CHDKJ16-01-01，项目名称为《超临界间接空冷机组高背压循环水供热在线切换技术研究与应用》，承担单位为新疆华电喀什热电有限责任公司，课题组长黄献华，研究起止时间为2015.7～2017.5，总投资为4002万元。

1.3 工作过程及结论

2016年05月 喀什公司委托中国华电科工集团有限公司对本项目工程部分进行设计，2016年6月委托华电郑州机械设计研究院有限公司进行该项目工程部分总承包业务。

2016年11月，项目研究成果在喀什公司#5机组上成功实施并顺利投运，经过2016～2017年度采暖期，机组在各种工况下的安全、可靠运行，证明高背压供热机组可以实现纯凝发电、抽汽供热、背压供热等多种运行模式的在线切换，同时满足电网调峰以及供热负荷协调的要求。

2017年1月，喀什公司委托性能监测机构对#5机组高背压供热工况的性能进行考核试验，试验结果证明项目实施后汽轮机发电煤耗大幅下降，供热能力由323MW增加至512MW，提升189MW，发电煤耗由原设计值266.5g/kWh降至144.43g/kwh，降幅达到122.1g/kWh，节能效果显著，完全达到了预期目标。

2017年3月，委托新疆国际信息检索咨询中心进行该项目查新，证明国内有关于超临界间接空冷机组DCS一体化控制、超临界间接空冷机组现场总线控制技术的研究与应用报道，但有关超临界间冷式高背压供热系统在线切换控制的研究未见文献报道，该项目在国内尚属首次。

2 技术先进性分析

2.1 双温区凝汽器供热技术原理

喀什公司根据超临界间接空冷机组的特点，制定双温区凝汽器供热技术方案及切换方案。凝汽器采用两路独立冷却水源，各半侧运行，两个温区换热。即凝汽器半侧通过热网循环水，实现对外供热，半侧通过空冷岛冷却循环水，作为备用冷却系统。

供热系统中，热网水回水通过阀门控制，先到凝汽器的一个通道，流量大约13500-14500t/h。凝汽器背压升至33～38kPa(机组允许最高背压48kPa)，对应排汽温度71～75.5℃，热网回水在凝汽器被加热到68～72℃，再经过热网循环泵升压后进入热网首站，在热网首站的加热器通过抽汽进行二次加热至热用户需要的温度后供给热网系统。

备用冷却系统中，系统利用原间冷塔的循环水系统和管道，再增加小容量变频水泵与原有的泵并联运行，通入凝汽器另一个通道，适应140MW到310MW之间的电负荷调峰或电负荷波动，还有确保热网异常时可随时投入循环水，防止热网水中断时机组背压超限，而停机。

机组高背压供热中只运行变频循环泵，变频循环泵根据汽轮机低压缸末级叶片安全监控系统给定的指令自动调节变频循环泵转速来控制冷却水流量，冷却水通过凝汽器的另一侧半边循环中带走排气部分热量，使机组背压在允许背压范围，从而确保机组低压缸末级叶片在安全允许范围内运行。变频循环泵同时为凝结水换热系统提供冷却水，防止凝结水温度高而精处理树脂失效，具体原理如下图1所示。

图1-双温区凝汽器循环水供热原则性系统图

此技术充分利用间冷机组的配置特点，克服了低压缸双背压双转子互换循环水供热技术必须停机更换的缺点，双温区凝汽器供热技术及配套的应急冷却系统最大限度的减少热网对机组本身安全的影响，充分回收汽轮机低压缸排汽冷源损失热量，实现电厂效益和安全的最大化。提高机组供热能力，实现了间冷机组在纯凝发电、抽凝供热、背压供热等多种运行模式不停机情况下在线切换，使机组可以连续运行。

双温区凝汽器供热技术，改善供热期间供热负荷与供电负荷协调问题，提高背压供热机组的调峰能力。基本原理是备用冷却系统中变频循环泵经过调整冷却水量来始终保持机组加减负荷时的背压值，使背压始终调整到允许背压范围内，解决高背压供热机组调峰电负荷可能出现背压超限而无法运行的问题。该技术的成功实施有效解决了喀什公司2×350MW供热机组面临的问题，如所购热网老化、电厂孤岛运行、空冷岛冬季防冻等一系列问题。

2.2 汽轮机安全监测

机组在高背压不抽汽工况下，低压缸的流量和排汽流量较大，机组可以安全运行，但是天气较冷时，为提高热网循环水的供水温度，需要从汽轮机抽汽在热网首站对通过凝汽器后的热网循环水进行二次加热，随着抽汽量的增加，低压缸的排汽量随之减少，抽汽量越大，进入低压缸的排汽量减少越多，当接近某临界值时，排汽流量达到设计流量的30%以下时报警，如果背压再升高，容积流量会减少，当达到额定排气流量的28%以下时，会进入低压缸末级叶片的颤振区，此时叶片随时会疲劳而断裂，对机组安全运行带来很大的隐患。根据厂家提供背压限制曲线、末级叶片特性和有关要求，结合同类型直接空冷机组改造状况，开发了汽轮机低压缸末级叶片安全监控系统，对机组颤振值图形化显示，详见图2.2-1、2和3。便于运行人员监控、调整，保证机组安全运行。

图2.2-1颤振数值报警图

图2.2-2相对容积流量报警图

图2.2-3 背压限制报警图

结论：安全监测系统从DCS上读取实时数据满足运行工况判断的准确性;每2s完成一次取数、计算、存储，满足对机组监测的实时性;采用三取二的采集方式，使机组工况判断更加精确;软件画面清晰且辨识度强，方便运行人员查看和调整。