摘要：结合我国风电、光伏、水电等新能源电力装机容量持续快速增长，部分地区出现了较为严重的弃风、弃光和弃水问题，现有热电联产机组受限于“以热定电”的运行方式，无法实现有效调峰。结合此背景，本文对热电联产机组的热电解耦改造理论及技术进行归纳探讨，经过对比，推荐合适的改造技术线路。
关键字：热电解耦；高背压；低压缸零出力
一、引言
近年来，我国风电、光伏、水电等新能源电力装机容量持续快速增长，在役及在建装机容量均已位居世界第一。从目前的情况来看，我国电力系统调节能力难以完全适应新能源大规模发展和消纳的要求，部分地区出现了较为严重的弃风、弃光和弃水问题，尤其是东北、华北、西北（三北）等地。以东北区域为例，东北地区供热期长，供热机组占火电容量70％，尤其在冬季供热期，现有热电联产机组受限于“以热定电”的运行方式，无法实现有效调峰，弃风、弃核问题严重。为提升热电联产机组的调峰能力热电联产机组热电解耦改造亟需进行推广实施。热电解耦的是为解决“以热定电”运行模式的调峰难题，实现在保证冬季居民供热的同时具有配合风电上网的调峰功能，保证火力发电负荷受电网调控而降低时，供热量能热网需求。
二、热电解耦技术路线探讨
结合热电联产机组特性及调峰相关政策本文对热电联产机组高背压供热改造、低压缸光轴供热改造、热压机提质分级供热改造、低压缸零出力供热改造进行理论及技术归纳。具体如下：
2.1热电联产机组高背压供热改造技术
高背压供热是近几年快速发展的一种高效、可靠的供热技术，其实质是高背压供热，通过供热期与非供热期双转子互换可显著提高汽轮机的安全可靠性。
供热期汽轮机采用专门制造的高背压供热低压转子、拆除低压缸末两级叶片或者进行低压缸改造提高汽轮机工作背压范围，提高汽轮机的排汽背压，并将凝汽器循环冷却水出、入口直接接入供热系统，由热网循环水充当凝汽器循环冷却水。该循环水供热可采用串联式两级加热系统，热网循环水首先经过凝汽器进行第一次加热，吸收低压缸排汽潜热，然后再经过供热首站蒸汽加热器完成第二次加热，生成高温热水，送至热水管网通过二级换热站与二级热网循环水进行换热，高温热水冷却后再回到机组凝汽器，构成一个完整的循环水路，非供热期采用纯凝工作方式，凝汽器循环水切换到原循环冷却水供水状态，汽轮机排汽参数恢复到正常水平，形成低背压，即汽轮机恢复原纯凝工况运行。
高背压循环供热是将凝汽器中乏汽的压力提高，即降低凝汽器的真空度，提高冷却水出水温度，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，将机组冷源损失降低为零，从而提高机组的循环热效率。从目前国内实践经验看，采用高背压供热运行方式，一般可使供热期内机组发电煤耗降低至140g/kWh以下，并明显提高机组供热能力，节能减排效果显著。
2.2热电联产机组低压缸光轴供热改造
低压缸光轴供热方案是在冬季运行时中压缸的全部排汽（考虑部分冷却蒸汽）进入热网加热器，不进入低压缸作功。在采暖季前对原低压转子更换为光轴转子，采用一根光轴直接连接高中压转子和发电机转子，该光轴仅仅起到与发电机连接传递力矩的作用。供热结束后，将低压光轴转子更换为纯凝转子，即完全恢复至纯凝机组原设计状态。
光轴供热改造是在高背压循环水供热方案的基础上发展起来的。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对于常规供热机组，供热季节供热抽汽较大时，实际进入低压缸的蒸汽量大幅减少，且低压缸进汽压力也将大幅下降，则低压缸的有效焓降也将大幅减少；当经过高背压循环水供热改造后，低压缸排汽压力增加至45~54kPa，低压缸有效焓降将进一步减小，与改造前相比，低压缸作功能力大幅降低。改造后，一方面由于背压的升高，另一方面由于抽汽量增大，导致低压缸进汽量减少，以及低压缸进汽压力降低所造成的节流损失的增大，致使低压缸理想焓降不高于160kJ/kg，使其理想作功量最大不超过10000kW（10MW），最低仅约3000kW（3MW）。
低压缸光轴供热改造后，虽然机组发电量有所减少（低压缸不作功），但该发电量已转换为对外供热量，有效利用的总能量并未减少，并且大大降低了整个热力循环的冷源损失，显著提高机组供热能力，节能减排效果显著。
2.3热电联产机组热压机提质分级供热改造
热压机主要由蒸汽喷嘴、混合段和扩压段等三个部分组成，动力蒸汽通过喷嘴将压力转换成动能，形成超音速射流，低压蒸汽通过被吸入混合段，射流边界层的紊流扩散作用使得两股流体发生质量、动量及能量交换，于是动力蒸汽流体的速度不断减少，而被抽蒸汽的速度不断增大，并在混合段某一截面处渐趋一致，从而形成一股单一均匀的混合流体。在扩散段中的动能转化成压能，混合流体减速增压至一定的压力后排出热压机出口。
热压机余热提质分级供暖系统技术是动力蒸汽（采暖抽汽）通过热压机时高速的动力蒸汽在热压机喉部形成低压区，将乏汽引射进入热压机，动力蒸汽和乏汽进行混合，形成适当的蒸汽对热网循环水进行加热。热压机技术充分利用动力蒸汽压力能来引射乏汽并对乏汽进行提质，原理上对热网循环水进行分级加热，降低换热系统的㶲损失。
2.4热电联产机组低压缸零出力供热改造
低压缸零出力改造是在冬季供热期间，低压缸进汽被完全切断少部分蒸汽由新增的旁路进入低压缸，用于冷却低压转子转动产生的鼓风热量其它的中压缸排汽全部用于供热用以满足用户热负荷需求。类似于背压式汽轮机组供热抽汽凝结水直接进入低压加热器中进行加热冷却蒸汽，在凝汽器中被冷凝而在非供热期间低压缸恢复正常进汽而正常做功发电。
低压缸零出力供热技术突破传统供热机组运行模式，实现了机组低压缸零出力运行，从而大幅降低低压转子的冷却蒸汽消耗量，提高汽轮机电调峰能力和供热抽汽能力。低压缸零出力供热技术在低压缸高真空运行条件下，采用可完全密封的液压蝶阀切除低压缸原进汽管道进汽，通过新增旁路管道通入少量的冷却蒸汽，用于带走切除低压缸进汽后低压转子转动产生的鼓风热量。
改造后，低压缸零出力供热技术将原低压缸进汽用于供热，可提高机组供热能力；在供热量不变的情况下，可一定程度降低机组发电功率，实现深度调峰；几乎没有冷源损失，大大降低了机组发电煤耗，有利于提高企业的市场竞争力。
三、技术路线对比与结论
热电联产高背压供热、光轴供热改造等在行业内应用的实例较多，技术及方案较为成熟，改造后节能效果显著，节能及供热收益较好，但是系统相对复杂，每年需要对汽轮机转子进行更换，维护施工量大成本高；
热压机提质分级供热改造，供热量灵活可调，可随时随意启停，不影响机组带电能，但是供热能力相对较低，系统仍有较大冷源损失。
低压缸零出力供热改造够实现供热机组在抽汽凝汽式运行方式与高背压运行方式的灵活切换，使机组同时具备高背压机组供热能力大、抽汽凝汽式供热机组运行方式灵活的特点，避免了高背压供热改造(双转子)和光轴改造方案采暖期需更换两次低压缸转子的问题和备用转子存放保养问题，机组运行时的维护费用大大降低，但是需要对末两级叶片动强度进行校核，进行定期检查。
结合上述技术对比，相对来讲低压缸零出力供热改造的技术优势较为明显，近年来该技术在提升机组灵活性及供热能力的改造中被较多采纳。
参考文献：
【1】吕泉，陈天佑，王海霞，等.热电厂参与风电调峰的方法评述及展望[J].中国电力，2013(11): 129 - 136.
论文作者:于龙1,高连达1,杨洋2,李倩3
论文发表刊物:《电力设备》2019年第21期
论文发表时间:2020/3/16
标签：低压论文; 机组论文; 转子论文; 光轴论文; 蒸汽论文; 凝汽器论文; 热电论文; 《电力设备》2019年第21期论文;