（1.山东电力工程咨询院有限公司 济南 250013；2.山东省冶金设计院股份有限公司 济南 250101）
摘要：为满足某2×330MW凝汽机组冬季高背压供热和全年经济运行的要求，对2号机组采用“双背压单转子”高背压供热改造技术。改造后，高背压供热工况下机组具有较好的热效率、发电煤耗等经济指标，给电厂带来社会效益和经济效益双赢。
关键词：双背压；单转子；高背压供热
1. 研究背景及意义
提高热源温度、降低冷源温度是两种提高发电设备循环效率的方法。冷源温度为环境温度不能改变，不过冷源损失可以利用。汽轮机高背压供热改造就是为了利用汽轮机的冷源损失而发展起来的一项节能环保技术。高背压供热改造技术是将凝汽器中乏汽的压力提高，即降低凝汽器的真空度，提高冷却水温，将凝汽器改为供热系统的热网加热器，而冷却水直接用作热网的循环水，充分利用凝汽式机组排汽的汽化潜热加热循环水，将冷源损失降低为零，从而提高机组的循环热效率。可以实现汽轮机在采暖期的高背压供热状态和非采暖期的低背压状态的切换，达到了节约供热用蒸汽、提高汽轮机组经济效益的目的[1] [2]。
2. 高背压供热改造技术的应用
以某电厂为例，有2台330MW抽汽凝汽式燃煤汽轮发电机组，单台机组工业抽汽量额定为50t/h，最大为150t/h，供暖抽汽量额定为350t/h，最大为550t/h（不考虑工业抽汽），抽汽参数为压力0.4MPa.a，温度249.2～271.7℃。由于集中供暖负荷的增加，已满足1台330MW机组高背压供热改造条件，改造后能够实现供热节能效益最大化，且能进一步争取上网电量。
330MW机组高背压供热技术已成功应用于多台机组，技术方案是成熟的，可行的。
2.1 最大供暖能力分析
（1）最大供暖能力分析前提条件
工业供汽保持50t/h，且保证率100%；供暖抽汽压力0.4MPa.a，温度249.2℃，疏水温度120℃；供暖综合热指标50W/㎡；最大供热量保证率下限按60%，上限按75%；单台机组高背压供热改造进凝汽器热网循环水流量不小于8500t/h，（折算供暖面积为988万m2）；仅考虑一台机组事故；不考虑外部调峰备用热源。
（2）最大供暖能力分析结果
两台机组同时进行高背压供热改造后的最大供暖面积为1848万m2，则计算热网循环水量为15893t/h，小于机组正常运行所需的17000t/h最小循环水量，因此，在不考虑新增调峰备用热源的前提下，只能进行一台机组的高背压供热改造。
满足一台机组高背压供热改造的最小集中供暖面积为988万m2，即如需对一台机组进行高背压供热改造，供暖面积必须达到988万m2，此时，当高背压供热机组事故时（最大供热能力机组），计算得全厂最大供热量保证率为69%。
满足供热量保证率为60%时的集中供暖面积为1140万m2，能够满足一台机组高背压供热改造条件。
综上分析，在不考虑新增调峰备用热源的前提下，电厂最大集中供暖面积应按1140万m2考虑未来发展，亦即，当集中供暖面积超过1140万m2时，电厂应考虑增加新热源。同时需要指出的是，本次分析最大供热量保证率下限60%仅为按设计规范考虑，还需要得到当地政府的认可，但上限不能高于69%，否则，机组高背压供热改造无法实施。
2.2 设计供回水温度
本次改造设计供回水温度取为105/55℃。
3. 高背压供热改造方案的选择
双背压双转子互换和单转子技术比较
采用510末叶单转子方案特点如下：
（1）改造后，高背压供热工况和纯凝工况切换时不需要更换低压转子等设备，即可实现供暖期54kPa高背压循环水供热、非供暖期安全运行；
（2）改造后，机组在供热工况的供热能力及经济性达到最优水平，同时最大限度提供纯凝工况的经济性；
（3）改造后，机组纯凝工况具备带满负荷的能力。
采用双背压双转子互换方案特点如下：
（1）在保持现有锅炉参数及现有高中压通流部分不变的前提下，通过对汽轮机低压缸通流部分进行改造，双转子切换，非供暖期采用高效纯凝转子，可提高机组低压缸效率2%以上；供暖期采用原转子补充加工，更换叶片，满足高背压需要；供采暖期机组负荷范围50% THA～85%THA。
（2）通过改造，机组纯凝工况下额定功率，机组具有良好的变负荷性能，在30%额定负荷能长期安全稳定运行，30%～50%额定负荷范围内变负荷速率不小于每分钟3%额定负荷；50%～100%额定负荷范围内变负荷速率不小于每分钟5%额定负荷；阀门管理功能能满足单阀、顺序阀以及各种阀点的滑压运行要求。
（3）改造后，机组在供热工况的供热能力及经济性达到最优水平，同时提高纯凝工况的经济性；
双背压双转子互换比单转子方案费用多约440万元（主要是旧低压转子需返厂改造）。
经与电厂沟通，综合考虑电厂实际运行状况、改造投资费用、以及单转子方案仍具有与原纯凝转子的互换性，推荐采用510末叶单转子方案考虑。
4. 机组设备及系统的改造
4.1 汽轮机本体改造
（1）改造后，高背压供热工况和纯凝工况切换时不需要更换低压转子等设备。即采用同一套低压通流设备即可实现供暖期54kPa高背压工况和非供暖期纯凝工况的安全运行；
（2）改造后，机组在供热工况的供热能力及经济性达到最优水平，同时最大限度保证纯凝工况的经济性；
（3）改造后，机组纯凝工况具备带满负荷的能力；
（4）对#3、#4轴承进行改造，保证机组在各种工况及负荷下轴系的安全稳定性。
根据上述条件，主机厂根据自有研发的汽轮机新技术及汽轮机高背压改造技术、结合汽轮机高背压改造的背压范围等参数，重新对低压通流（尤其是末级叶片）进行了安全性和经济性核算，推荐采用安全合适的叶片型线（包括叶根型线），新制作一个通用转子，更换低压隔板、低压动叶、低压进排汽导流环、低压汽封体、对轮螺栓和支持轴承等相应部件。
4.2 凝汽器改造
从设备安全可靠性角度考虑，按照纯凝工况设计的凝汽器在循环水供热状态下运行风险较高，应对凝汽器进行强化改造，改造后的凝汽器水室和管板将增加厚度，采用更高强度钢板进行加工制造，并根据强度要求进行结构加强，满足改造后循环水增压的安全运行要求。重新设计、布置冷却水管，并在管长方向设置膨胀节，用以补偿高背压运行工况下凝汽器壳体和换热管热膨胀系数不同带来的长度方向的胀差。更换凝汽器喉部膨胀节，以防止高背压供热运行中出现顶缸或拉缸现象。对橡胶内衬进行更换，选取耐高温的丁基橡胶。凝汽器改造还应充分考虑对其进行优化设计，从而实现机组的综合节能降耗。改造后的凝汽器可同时满足供暖期和非供暖期的安全运行要求。
4.3 胶球系统改造
实施高背压供热改造后，凝汽器内循环水压力、流速较纯凝工况均有明显变化，将造成原有胶球系统难以高效、可靠运行，需结合高背压供热的实际需求、凝汽器冷却水管及水室设计特点，一并对凝汽器胶球系统进行适配性改造，以满足改造后的运行要求。
4.4 给水泵汽轮机
由于小汽轮机设计排汽进入机组凝汽器，机组实施高背压供热改造后，供暖期凝汽器压力大幅提高，将影响该小汽机的出力及运行可靠性，需一并对小汽轮机实施匹配性改造。更换转子、动叶、隔板、静叶和汽封等，合理布置通流级数及各级焓降分配，优化各级速比，兼顾供暖期与非供暖期不同背压下小汽轮机的综合经济性。
4.5 轴封加热器
高背压供热工况，凝汽器背压升高，凝结水温度相应大幅上升，已无法满足轴封加热器的冷却要求，更换原有轴封加热器，同时冷却水采用热网回水，在改善轴封漏汽冷却效果的同时，回收了漏汽热量，利于节能。
4.6 凝结水精处理系统
机组高背压改造后，凝结水温度达到80℃，超过了目前高混内壁防腐层和装填树脂的设计温度，需将高速混床改造或更换为内壁衬胶防腐层耐温90℃以上的设备，树脂更换为耐高温树脂。更换树脂后，两台机组树脂不同，还需单独设置一套树脂再生系统及相关废水排放设施。
4.7 凝结水泵
高背压供热工况，凝结水温度明显提高，可能导致凝结水泵密封圈老化加速，在实际运行过程中应加强对凝结水泵密封圈的监视，并注意适时更换。
4.8 真空泵
高背压供热工况，排汽温度及排汽压力明显升高，凝汽器与真空泵之间的差压减小很多，造成大量的蒸汽抽到真空泵后被浪费掉。为回收这部分能量，需在真空泵入口增加一套供热期专用的抽真空热量回收装置，用于回收蒸汽潜热及凝结水。
4.9 辅机冷却水系统
高背压供热工况，1号机组原有循环水泵停运。为保证2号机组开式冷却水用量的要求，循环水系统应增设2台匹配的辅机循环冷却水泵，1运1备。
4.10 低压缸喷水、给水泵密封水系统
纯凝工况汽轮机低压缸喷水、给水泵密封水来自凝结水减温水管道，水温较低；高背压供热工况凝结水温提高，不能满足系统对温度要求，须从原有除盐水管道上接出备用管道，同时配置关断阀来满足两种工况的要求。
5. 改造前后热经济性指标对比
表5-1 热经济指标对比汇总表（两台机）
注：（1）锅炉效率92.8%；管道效率98%；（2）发电年利用小时数按3600h。
6. 结论
本项目实施达产后，年均实现净利润319万元，项目投资内部收益率（所得税后）为9.47%，投资回收期6.59年（所得税后）。项目投资具有良好的收益。
本次高背压供热改造技术的运用具有较好的节能性和经济合理性，能够实现能源利用率最大化，是推进节能减排最有效的手段之一，同时也能增加“以热定电”带来的上网电量，实现社会效益和经济效益的双赢。
参考文献：
[1] 两种汽轮机高背压供热改造技术的分析[J]. 王学栋，姚飞，郑威，马跃浩. 电站系统工程. 2013（02）
[2] 300MW亚临界供热机组高背压供热改造的研究[J]. 常立宏. 黑龙江电力. 2012（06）
[3] 汽轮机高背压改造在火电机组的应用[J]. 高炜，蒋建平，王宏伟. 山东电力技术. 2013（01）
论文作者:黄汝玲1,刘静茹1,李延雷1,杨国强2
论文发表刊物:《河南电力》2018年11期
论文发表时间:2018/11/30
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