基于优化能级匹配的高效热电联产机型技术研究

田志强， 罗方， 薛军， 郑建

（东方电气集团东方汽轮机有限公司， 四川德阳， 618000）

1 前言

热电联产机组能有效实现热能的梯级利用，具有节能、 环保等综合效益。 经过数十年发展，目前我国热电联产机组规模约占火电装机规模的32%～35%。 随着电力构成的变化和技术换代升级，传统的热电联产机型与当下市场需求相比， 存在以下问题： （1）机组内效率低， 经济效益差。 采暖限价政策导致企业积极性不高。 （2） 区域性用电、用热矛盾。 传统热电联产机组按照 “以热定电”模式运行， “热电解耦” 困难， 占用了较大的发电份额， 不利于消纳风电等可再生能源。 （3）背压机发展受限较多。 众多工业园区筹建时， 用汽企业希望热电联产机组具备供热能力后投资建设。而背压机需达到一定热负荷时才能运行， 故存在建成后设备闲置的巨大风险， 滞缓了背压机的发展。 基于上述问题， 公司规划研发了基于优化能级匹配及具备大范围热电解耦能力的高效能供热机型系列及改造技术。 通过机型总体方案创新及关键技术研发， 提高了机组热电负荷解耦及参与调峰的能力， 为能源产业升级和环境治理提供有力的技术支撑。

2 机型总体方案创新设计

受限于传统热电联产机型的自身特性， 存在供热参数匹配不合理， 热电负荷解耦能力差（以热定电）等问题。 影响了企业的运行效益和电网消纳风电等新能源， 在运行的热电联产机组存在着改造升级及机型换代的巨大需求。 开发基于优化能级匹配的高效能热电联产机型系列及改造技术，机组的运行经济性能得到较大提升， 热电解耦范围扩大； 有效提升热电企业盈利能力， 并解决供暖期热电联产机组占据过大发电份额造成的弃风等现象。 具体技术创新有以下几个方面。

2.1 高效“凝-抽-背” 系列供热机型研发

目前采暖供热所用的机型主要有抽凝机和背压机两大类。 传统抽凝机的供热能力及运行灵活性， 主要受低压缸运行安全性的限制。 在最大采暖工况运行时， 低压缸必须留有最小冷却流量。主要是因为汽轮机末级动叶片在低负荷运行时，容积流量减小， 动叶片根部和顶部出现涡流区从而诱发颤振， 动应力增加影响机组安全运行。 采用高、 中压模块与低压模块双轴布置或中、 低压模块间设置自同步离合器的 “凝-抽-背” 的机型方案。 该类型机组可在运行中可将低压模块切除，最小冷却流量中的绝大部分转作采暖供热流量，基本实现零冷源损失。 当低压模块退出运行后，整个高中压模块即按照 “以热定电” 的背压机模式运行， 中压末级动叶短， 不易出现小容积流量下的颤振问题， 随着热负荷下降， 电功率可进一步降低， 因而获得了超出传统抽凝机组的热电解耦范围。 而传统抽凝机组通常需在50%以上电负荷时， 才具备对外供热能力。 该类 “凝-抽-背”机组根据热负荷的大小， 可在纯凝、 抽凝、 背压3种模式下在线切换， 运行灵活性大大提高。

针对不同的城市规模， 30～350 MW 功率等级机组基本可满足不同的供热量需求。 以10 万人口左右的中小城镇为例， 可选择30～70 MW 高效“凝-抽-背” 机组， 替代散煤燃烧及小型锅炉的供热模式， 落实 “全面实施散煤综合治理， 推进北方地区冬季清洁取暖” 的政策要求。

基于优化能级匹配的理念， 蒸汽压力与温度匹配不需沿用传统的高压、 超高压、 亚临界、 超（超） 临界的管理， 根据具体供热参数的需求及提高整体循环效率的需要进行合理搭配， 如采用亚临界升温、 超高压超高温等。 该类型机组采用了小型、 快装的模块化设计， 极大缩短了厂房投资及电建周期； 配套低压缸可采用轴排、 侧排等形式， 以降低厂房高度， 有利于整体工程的去工业化设计。

2.2 高效能再热型背压机研发

目前在运行的背压机普遍采用中压至超高压的蒸汽参数， 整体循环效率较低。 而兴建的大火电机组普遍采用高效超超临界参数（28 MPa/600 ℃/620 ℃以上）， 技术水平及循环效率存在较大的代差。 若背压机也采用再热机型， 并将参数提升至亚临界至超临界； 则相当于在传统的次高压背压机（进汽参数5.0 MPa， 温度435～460 ℃） 基础上增加一个超临界参数的前置热力循环， 整体循环效率大大提高。

针对工业园区或其他工业用户的具体参数需求， 可灵活选择背压机入口参数及是否带再热，选择中压调节阀、 座缸阀、 旋转隔板等参调方案，可实现双抽、 单抽的供热要求； 实现能级匹配更为合理的供汽方案。

背压机回热系统进行创新设计。 由于大部分背压机对外供汽用于工业工艺流程， 很少有凝结水返回。 因此在背压机运行时， 常常用压力相对较高的排汽减压后加热大量低温的化学补给水，过大的换热温差必然造成有效能损失。 基于优化能级匹配的理念， 高效能再热背压机在原排汽供热处之后增设低压级次， 利用压力更低的回热抽汽加热补给水， 提高整体运行经济性。

2.3 供热机组低压缸零功率改造技术研发

传统抽凝机组在最大供热工况运行时， 低压缸需留有最小冷却流量。 低压缸末叶长期在小容积流量下运行， 动应力水平上升， 安全性也随之降低。 且该部分蒸汽因流量相对较小， 在低压缸做功效率极低， 蒸汽不能利用， 且浪费循环水泵功率， 热耗与背压机相差甚大。 采用低压缸零功率的方案后， 仅需流过少量冷却蒸汽（10～20 t/h），使得机组获得了接近背压模式运行的能力， 供热能力及运行经济性显著提升。 采用低压缸零功率方案的机组， 在运行方式上与 “凝-抽-背” 机型基本相同， 能有效解决目前三北地区采暖季供热机组占据大量电负荷造成的大量弃风现象。

低压缸零功率改造方案实施便捷， 主要措施有： ①将常规供热机组的联通管供热蝶阀更换为全密封性蝶阀， 并为蝶阀设计带流量调节阀的平行小旁路； ②低压末级叶片回流区域采用喷涂抗水蚀涂层技术， 保护末叶不被低压缸喷水水滴回流过度侵蚀； ③优化末级叶片的强度及气动设计，提高零功率工况运行可靠性； ④增加叶片安全监测， 优化喷水及供热运行保护逻辑， 避免长叶片停留在危险负荷区域。

2.4 高背压供热技术研发

合理选择低压末级叶片或采用双转子互换方案， 并对凝汽器循环水管路进行改造， 使机组具备高压供热能力。 对于湿冷地区的供热机组改造，可采用双转子互换， 实现高背压供热。 针对北方的间冷供热机组， 公司率先构建适应高背压供热的末叶系列， 推出了不需更换转子即可兼顾采暖季高背压运行的供热机型。 以新疆地区为例， 采暖季长达6 个月， 采暖季过后即将进入夏季高背压季节， 一只较短末叶既能满足采暖季高背压运行的安全性需要， 又有足够的排汽面积， 保证夏季高背压季节满发铭牌功率。 该类型间冷供热机组不需更换转子， 无发电损失， 且运行维护便利。

配套高背压供热机组的凝汽器可根据热负荷大小， 采用单温区、 双温区不同的设计方案。 采用单温区设计的凝汽器， 采暖季运行时有双流程切换至四流程， 乏汽热量全部回收， 实现零冷端损失。 双温区凝汽器的2 个温区分别采用热网水及循环水冷却， 部分回收乏汽热量， 存在一定冷端损失； 但双温区凝汽器在热网故障时， 循环水投入仍能保证凝汽器单侧运行， 降低了故障停机风险。

3 高效通流设计

该系列高效供热机型开发基于新一代“TIODR”高效通流智能优化设计平台， 集成应用了高效大功率超超临界火电机组中研发的通流技术， 内效率在上一代供热机型基础上提升显著。

主要包括了高效叶型、 “小焓降、 低根径、大叶高、 窄叶片” 的二次流控制理念、 控制叶顶反动度的先进流型等优化技术。 特点如下：

（1）采用先进的叶片型线设计手段和计算分析软件， 自主研发了DAPL 高效冲动式型线和DAPH高效反动式型线。 试验结果证明自主研发的高效叶型系列具有气动性能佳， 叶型损失小， 攻角适应性好， 变工况性能好等特点。

（2）采用小焓降、 多级次、 低根径、 大相对叶高的设计理念， 实现整缸焓降优化分配， 叶片采用混合加载流型、 可控涡设计的优化技术， 最大限度降低二次流损失， 实现动静的最优匹配， 使通流级的综合效率达到最优。 自主建立的高精度多级空气透平试验平台上进行大量的试验研究和验证， 形成了完整的研发体系。

（3）通过大量试验研究， 进行了各种典型密封结构的全尺寸试验， 在此基础上建立了高效通流密封设计体系。 根据需要选择最佳汽封形式， 设计最优化的间隙值， 满足汽轮机安全性、 汽封可靠性和机组经济性的要求， 保证汽轮机可靠运行。

（4）应用先进的气动分析工具结合试验研究，对机组进行全蒸汽流程的气动优化。 综合考虑通流中诸如： 进排汽流道、 抽汽腔室、 汽封流道、前后端部汽封结构等， 进行流场和效率的评估，进行必要的局部优化设计。

4 结语

由于热电联产机组可实现能源梯级有效利用的先天优势， 机组内效率受重视程度不如大功率纯凝发电机组。 目前设备供应厂商技术水平良莠不齐， 公司应用高效通流机组研发的系列热电联产机型， 势必能带动热电联产技术升级， 进一步发挥热电联产机组的节能优势， 为国家推进能源清洁高效利用提供有力的技术支撑。