超临界NCB机组在热电联产中的应用

郝云燕

(华北电力设计院有限公司，北京 100120)

随着我国城镇化建设的快速发展和环保要求的日益严格，集中供热需求一直在持续增长，而电力产能近年来严重过剩，这种热电矛盾制约了热电联产项目的发展，因此最大化提升汽轮机供热能力，同时减少对电网的压力，成为新形势下供热机组发展的新方向，350 MW超临界抽凝背式供热汽轮机就是在这种思路下，由国内自主研发的一种新型节能高效的供热机组，该机型结合了常规抽凝式供热机组(简称CN型)和背压供热机组(简称B型)的优点，可实现凝汽、抽凝、背压三种运行模式(简称NCB型)。该机型供热能力更大，热效率更高，且调峰能力强，是新一代技术升级型供热机组。

1 超临界NCB机组的主要技术特点

1.1 NCB机组技术特点及工作原理

超临界NCB汽轮机是以常规350 MW超临界抽凝式就汽轮机为母型机，在汽轮机的高中压缸与低压缸之间加装3S同步离合器，通过3S离合器脱开和啮合使机组实现低压缸在线解列和并列。3S离合器是NCB机组的关键装置。它是一种单向传递扭矩的装置，通过棘爪定位、齿轮传递功率，属于超越式纯机械离合机构。3S离合器依靠输入端和输出端的齿轮转速的变化自动进行切换，当离合器的输入端、输出端转速完全相等时两者相位同步、自动轴向移动而啮合。而一旦输入转速低于输出转速时离合器脱开。

在NCB机组中，将3S离合器安装在抽凝式汽轮机的高中压缸与低压缸转子之间，3S离合器的功率输入端连接低压缸转子，输出端连接高压缸转子，每当低压缸转子转速开始低于输出端转速时时，3S离合器逐渐自动脱开，使高、低压转子自动分离，从而使低压缸解列，汽轮机转为背压运行，每当低压缸转子转速上升至试图超过输出端转速时，离合器便可自动啮合，将高、低压转子自动连接，达到输入端与输出端的转速同步，完成低压缸的并列过程，汽轮机转为抽凝或纯凝运行。通过采用3S离合器装置，可实现低压缸的在线解列及并列，使汽轮机具备了凝汽、抽汽、背压三种运行功能。

1.2 NCB供热机组的结构特点简介

NCB汽轮机是以常规的350 MW超临界抽凝机(CN型)为母型机的基础上改进而来，所不同的是在高中压转子与低压缸转子之间加装了3S离合器，将发电机位置由常规的低压缸末端改在高压缸机头前端，高压转子直接与发电机转子相接。NCB汽轮机在机组外型以及高、中压缸、低压缸尺寸、通流设计等均可采用成熟的350 MW抽凝机组的设计模块，供热抽汽口位置仍可保留的中压缸排汽口处，主汽阀、再热主汽阀也可通用。

与常规350 MW超临界抽凝式供热汽轮机相比， NCB机组在结构型式及技术特点主要有以下几个方面：

(1) 在高中压转子与低压转子之间设置自动同步离合器，实现低压缸的在线脱开和并列。

(2) 发电机位置由常规的低压缸末端改在高压缸前端，发电机转子直接与高压转子相接。

(3) 因发电机前置，汽轮机前轴承箱的长度略有缩短，原常规安装在前轴承向内的主油泵取消，改为采用电动主油泵。

(4) 增加离合器和发电机前置，NCB机组的轴系长度增加约4～5m左右，轴系稳定性设计与常规供热机组有所不同，在离合器与中压转子之间增加一个轴承，确保离合器在运行中有良好的对中性；防止高中压转子振动对自同步离合器产生的耦合效应。NCB机组的布置方式及轴系特点见图1。

图1 NCB机组布置方式及轴系示意图

(5) 为保证低压缸解列及啮合过程中的安全稳定性，在中低压连通管上增加关闭蝶阀和调节蝶阀，还设有低压旁通管，旁通管上也设有调节阀和关断阀，以到达准确控制低压缸流量的目的。低压缸连通管进汽阀门控制系统见图2。

(6) 采用双顶轴油系统设计，低压模块在解列模式下低压转子仍以大约200 rpm左右的被拖曳转动，因此须在低压模块解列期间为低压模块支持轴承提供顶轴油压。为此特别设有高压转子—发电机转子和低压转子二套顶轴油系统。

(7) 纯电超速保护设计：NCB机组由高压端输出功率，前轴承箱无法设置机械超速保护装置(危急遮断器)，因此采用纯电超速保护设计。

2 NCB机组的技术优势分析

与常规350 MW超临界抽凝机组相比，NCB机组技术优势主要体现在以下几点：

2.3 运行方式更加灵活

NCB机组具有凝汽、抽凝、背压三种运行模式，可根据热负荷、电负荷不同的需求状况调整机组的运行方式，对热、电负荷间的不同需求特性的适应性更强，协调性能更好。

图2 低压缸进汽控制阀系统图

2.4 机组供热能力更大

在不增加燃煤量和排放量的条件下，与常规常规350 MW抽凝机组相比，NCB机组的供热能力可提高20%～30%。常规350 MW抽凝机组的最大采暖抽汽量一般在550 t/h左右，在最大抽汽工况下，为防止低压缸出现鼓风效应威胁低压缸末级叶片的安全，低压缸仍需保证一定的冷却蒸汽通流，该部分蒸汽约在150 t/h左右，这部分蒸汽几乎没有作功能力，低压转子基本处于“陪转”状态。 NCB机组在背压运行时，低压缸解列，不需要再消耗冷却蒸汽，该部分蒸汽可用来对外供热，同时与低压缸相关的低压加热器也停运，低加抽汽也可以节省用于供热，其最大供热抽汽量可达到700 t/h左右，增加供热量约105 MW与同容量抽凝机组相比供热能力可增加20%～30%。

以单抽采暖供热机组为例，根据汽机厂提供的二种机型热平衡图数据，在汽轮机进汽量相同，供热抽汽参数相同的条件下，二种机型的最大抽汽能力对比见表1。

从表1中的对比数据可以看出，在新蒸汽进汽量相同，供热抽汽参数一致的条件下，NCB机组的供热能力提高了28.3%，可多供采暖面积约210万m2。

表1 二种机型的抽汽能力及供热量对比(单台机组)

2.3 具有较强的调峰能力

常规供热机组受保证低压缸冷却蒸汽量限制，机组在供热期间的输出功率比背压运行要高，因此机组的调峰能力相对也较小。NCB机组可在高负荷或低负荷的条件下转入背压运行模式，在背压运行期间，机组的发电出力显著减少。表2是以采暖抽汽量分别在400 t/h及500 t/h的工况为例，对二种机型的发电输出功率的进行对比的结果 。

表2 二种机型供热量与发电量比较

通过表中数据可以看出，在供热量相同的条件下，NCB机组的发电输出功率远低于同容量的常规抽凝机组，对于我国目前电力市场饱和，而集中供热缺口不断增大的矛盾现状来说，NCB机组在缓解电网压力，增加机组深度调峰能力方面的优势明显。

2.4 具有更好的经济性

常规超临界抽凝汽轮机在最大抽汽能力工况下，由于存在低压缸最小冷却流量，仍存在一定的冷源损失，机组发电热效率在65%～69%左右，NCB机组背压运行没有冷源损失，在背压工况下，汽轮机发电热效率都在80%以上，机组运行经济性提高显著。

二种机型在最大供热能力下的热经济指标的比较见表3。

表3 最大供热能力工况二种机型热经济指标

由表3中的几个关键性经济指标可看出：与常规抽凝机相比，NCB机组在供热期间发电热效率显著提高，因此使机组全年平均发电标煤耗降低12.5 g/kw.h，全厂总热效率提高5.3%。全年可节约标煤2.1万t，节能效果十分明显。

3 NCB机组的社会效益分析

与常规抽凝机组供热相比，NCB机组的应用可作为提高热源点尖峰时段供热能力的一种手段，实现减少或取消尖峰锅炉的目的。

NCB机组是在不增机组燃煤量的基础上，通过节省常规抽凝机组低压缸的冷却蒸汽量来增加供热能力的，这部分增加的供热量可弥补常规抽凝机组在热负荷尖峰时段供热量不足的缺欠，从而减少机组供热覆盖范围内尖峰锅炉数量。NCB机型在采暖供热期的发挥的作用见图3。

图3 采暖热负荷曲线

图3中：(Q1+Q2+Q3)为电站供热机组的供热范围内全年采暖热负荷总量，Q1为常规抽凝式供热机组的采暖期供热量，Q2+Q3则为区域尖峰锅炉的补充供热量。采用NCB机组可多供热量Q2，相应区域尖峰锅炉的供热量Q3减小或为零.。

与电站先进的大型锅炉相比，小型供热锅炉效率低，烟气净化设施也相对落后，属于典型的高能耗高污染设备。以某热电厂安装2×350 M的NCB供热机组为例，与常规2×35 MW抽凝式供热机组相比，从节能、环保二方面分析NCB机组带来的社会效益。

(1)节能效益

如前所述，与常规350 MW抽凝式机组相比， 2台350 MW NCB机组是在不增加燃煤量的条件下，通过解列低压缸，机组转入背压运行可增加供热能力约105 MW，2台机组可增加供热量210 MW，相当于3台70 MW的大中型区域供热锅炉的供热能力，目前集中供热锅炉的效率一般在70%～80%，以区域供热锅炉效率80%考虑，其供热标准煤耗率约45.19 kg/GJ，若210 MW供热量全部由区域供热锅炉承担，按冬季采暖期尖峰锅炉投入时间为1个月(720 h)计算，则多消耗标准煤量约为2.46×104t。

(2)环保效益

以采暖期供热小锅炉多消耗燃煤2.46×104t计算，多产生的烟气量约2.02×107Nm3(按普通烟煤计算)。我国2014年版的颁布的《锅炉大气污染排放标准》(GB 13271－2014)中，对于燃煤锅炉的烟气中粉尘、SO2、氮氧化物的排放标准分别为低于50、300、300(mg/m3)，重点地区为低于30、200、200(mg/m3)，目前新建的工业锅炉及供热锅炉都能保证或低于国家标准。电站锅炉的烟气排放标准则要严格得多，目前实际大型电站烟尘、SO2、氮氧化物排放标准一般都控制在低于5、20、30 (mg/m3)。

供热小锅炉的排放指标按照国标《锅炉大气污染排放标准》中的规定值计算，在尖峰锅炉投入时间720 h内统计的污染物排放结果见表4。

表4 720 h 供热小锅炉污染物排放量

由上述分析可看出，小锅炉供热即造成能源浪费，也是造成采暖期环境质量变差的主要根源之一，热电联产的目标就是取代小供热锅炉，用优质高效的热源实现节能减排的目的，而NCB机组则是实现这一目的的最佳选择。

4 结语

(1) NCB型汽轮机是新一代技术升级型供热机组，该机型在不增加能源消耗的基础上，可显著提升供热能力，具有运行方式灵活、热效率高，调峰能力强等显著的优势。

(2) NCB机组增加的供热能力可进一步减少和替代技术相对落后的供热小热锅炉，节能环保的社会效益显著，在热电联产领域中的有着非常好的应用前景。

(3) NCB型汽轮机目前在燃气联合循环供热机组上已有运行实践，但在燃煤机组上尚无实际应用业绩，汽轮机的结构型式及控制系统与常规机组也有所不同，在NCB机汽轮机进入到具体的的工程实践应用中时，还需要对相关的热力系统、控制系统、以及汽轮机基础设计，管道布置方案设计等进行多方位的研究和优化。