晋能控股电力集团容海发电公司 张晖东

近年来，我国大型机组的供热方式以汽轮机中压缸后抽汽加热热网水为主，这种供热方式的抽汽参数偏高，未能达到与用户侧热负荷需求相符要求，导致机组作业能耗较高，浪费了大量能源[1]。为了进一步改善此问题，需要对机组的供热进行改造。目前，改造方案应用较多的是单转子方式、双转子互换方式，这两种改造方式在大型机组供热改造中均有所应用，在不同型号机组中展现出的热经济效应存在一定差异[2]。因此，讨论针对不同型号机组的供热改造全工况下产生的热经济情况，根据热经济参数对比结果，给出供热改造方案[3]。本文尝试以350MW抽汽供热机组为例，采用单转子方式、双转子互换方式改造机组供电方案，并对两种改造方案的热经济进行分析。

1 大型热电联产机组高背压供热

湿冷机组正常作业情况下的背压约为5kPa，饱和温度参数为32.5℃，在未采取任何处理的情况下，无法对外供热。一般情况下，一次网回水的温度在45℃以上，如果想要达到供热标准，那么就需要将当前的机组供热改造为高背压机组[4]。此时，背压需要提高，该行为会影响到机组安全作业，为了提高作业安全性，必须更换低压缸转子。

机组供热改造期间，容易对汽轮机本体造成较大影响。为了降低影响，需要调整隔板、流通面积、低压缸级数等[5]。由于方案的调整会对轴系标高、稳定性造成一定影响，并且供热控制等系统也会发生改变。因此，在讨论机组供热改造方案热经济问题时，需要将供热季、非供热季产生的热经济纳入问题考核中。经过综合分析，确定最佳改造方案。

2 不同机组高背压供热改造方式

2.1 单转子方式

单转子改造方式指的是以湿冷汽轮机作为改造对象，通过更换低压缸转子，改造机组结构。其中，以空冷转子作为改造工具，将其作为改造后的机组作业转子，取代低压缸转子。采用这种改造方式，使得机组得以满足不同季节环境作业下的工业背压要求，为不同工况下的机组正常作业提供背压条件。相比之下，夏季的工作背压相对低一些，要求维持在15kPa，冬季工作背压相对较高，要求维持在34kPa。由于这种改造方案将非供热季和供热季的改造问题考虑在一起，采用相同的处理方案进行改造，所以将其称为单转子方式。

2.2 双转子互换方式

双转子互换方式指的是采用专属供热低压转子，在供热期作用于机组高背压作业。利用这种转子控制机组供热作业，直至供热结束。结束后，将凝汽式转子替换供热低压转子。夏季时段机组背压较改造前未发生改变。冬季供热期间，机组作业期间背压为54kPa。这种改造方案中，应用了两种低压缸转子，所以将其称作双转子互换方式。

3 基于单耗理论的机组高背压供热改造经济性对比方法

本文提到的两种改造方式，皆在实际当中有所应用，为了进一步探究哪一种方式更加符合350MW抽汽供热机组，本文引入单耗理论，对单位产品的损耗进行计算分析，从而得出判断数据支撑。其中，单耗的计算，除了最低单耗的计算以外，还包括附加单耗的计算。关于理论最低单耗的计算，在没有发生任何损失的情况下，单位产品的燃料单耗，相对来说计算较为简单，考虑的因素比较少。而附加单耗的计算，则需要考虑各个环节设备产生的㶲损失，在此条件下产生的各个燃料单耗的总和，就是附加单耗。假设单耗为b，则其计算公式如下：

公式（1）中，ep代表产品的比㶲；ef代表燃料的比㶲；P用于描述产出环节的㶲；Bi用于描述投入环节的㶲；bi代表附加单耗；bmin代表理论层面的最低单耗。

通过上述计算分析，可以得到热力学第二定律效率，由此可以得到㶲效率，计算公式如下：

公式（2）中，关于产品㶲效率的计算，可以根据实际燃料单耗求解，不需要对整个系统的作业进行分析，同时也不需要将整个生产过程考虑至其中。

关于汽轮机组作业期间产生的热效率问题分析，假设机组的发电量为Pe，那么计算其第二定律效率的方法如下：

公式（4）中，Drh代表再热蒸汽量，单位kg/s；Dfw代表给水流量，单位kg/s；DO代表汽轮机主蒸汽量，单位kg/s；代表高压缸出口蒸汽㶲，单位kJ/kg；代表再热蒸汽㶲，单位kJ/kg；efw代表给水㶲，单位kJ/kg；eo代表主蒸汽㶲，单位kJ/kg；Wt代表机组输出功率，单位kW。

在确定机组的热边界条件以后，按照供热季和非供热季对于机组作业的时间要求、供水与回水温度要求，计算机组的蒸汽量等参数，作为热效应分析参考依据。为了便于分析，本文提出的两种改造方案应用期间，机组热负荷相等。利用Ebsilon软件模拟机组作业环境，并构建机组热力模型，利用上述计算公式，统计不同改造方案下的㶲损耗总数值，推理计算其他指标参数，从而展开经济性对比。

4 基于Ebsilon的机组热经济性计算模型的构建

4.1 确定机组供热边界条件

本研究以某地区机组作为研究对象，对运用不同方法加以改造的350MW机组经济效益进行分析。未对机组采取改造处理之前，该设备的供热方式为抽汽供热，相关参数如下：

主汽门前蒸汽额定温度为565℃，额定作业功率为350MW，再热汽门蒸汽额定压力为3.73MPa，主汽门前蒸汽额定压力为24.3MPa，抽汽压力为0.4MPa，额定工况蒸汽流量为1065th-1，额定抽汽量为500th-1，再热汽门蒸汽额定压力为3.73MPa，排汽压力为4.9kPa，工作转速为3000rmin-1。

按照地区热网特性、温度情况，确定机组的供热边界条件。机组供热季共计120d，分为非严寒潮期、严寒潮期，前者持续时间为77d，后者持续时间为43d。其中，严寒时期的供水与回水温度控制范围45～100℃，考虑到非严寒期供热温度容易受到影响，与严寒时期不同，其供水温度控制范围38～65℃，回水温度控制范围45～100℃。经过一番验证发现，机组的总热耗，发电功率呈现出线性变化特点。设计严寒时期机组的供热负荷为350MW，初期作业时段的供热温度为65℃，回水温度设置为温度范围的下降值38℃，根据供热负荷变工况就散获取机组的主汽流量。接下来，采用质调节方法，对机组的热网进行调节。以设计流量为标准，计算热网水流量。另外，供热期机组运行时间设定为2880h。为了简化计算分析流程，本研究在讨论两种不同改造方式的应用效果时，假设这两种方式应用下机组的热负荷相同。

4.2 机组热经济性计算模型的构建

本研究利用Ebsilon软件构建热力系统模型，对机组的全工况经济性进行分析。本模型的构建，以提高机组变工况分析准确性为目的，引入了迭代计算方法，以变工况为研究条件，计算机组高背压下的不同工况的作业参数，从而实现不同工况下的热经济分析。首先，采用弗流格尔公式，编写机组各个组件作业程序。其中，涉及的计算参数包括蒸汽比容、蒸汽流量、蒸汽压力。其次，构建热平衡方程，将此方程作为热量吸收分析核心依据。

公式（5）中，ho代表换热器出口焓，单位kJ/kg；h代表换热器蒸汽入口，单位kJ/kg；代表热网水流量，单位kg/h；代表蒸汽流量；hwo代表换热器热网水出口焓，单位kJ/kg；hw代表换热器热网入出口焓，单位kJ/kg。

最后，根据计算结果，做出热经济对比判断分析。

5 不同改造方式下的全工况经济性对比分析

本次经济性能对比分析，主要从两个方面展开，第一个方面是供热季条件，第二个是非供热季条件，利用Ebsilon软件模拟机组作业环境，模拟机组热力模型作业状况，得出相关参数数值。

5.1 供热季条件下的不同转换子方式应用经济性对比分析

供热季条件下的经济性对比，以350MW抽汽供热机组为例，选择平均发电煤耗率、设计供热负荷、燃煤量、发电量、最大供热量作为对比指标。分别采用双转子方式、单转子方式改造机组，在Ebsilon软件中模拟应用这两种改造方案，统计相关经济性指标数据，结果见表1。

观察表1中的数据可知，设计供热负荷相同情况下，与单转子方式相比，双转子方式的平均发电煤耗率更低，最大供热量偏小，燃煤量稍微高一些，发电量提升的优势较为显著。

5.2 非供热季条件下的不同转换子方式应用经济性对比分析

非供热季条件下的经济性对比，同样以350MW抽汽供热机组为例，选择机组功率、机组效率、机组损失作为对比指标。分别采用双转子方式、单转子方式改造机组，在Ebsilon软件中模拟应用这两种改造方案，统计相关经济性指标数据，结果见表2。

表2 不同转换子方式应用下的功率、效率、损失对比

表2中，关于机组功率的统计分析，两种不同改造方案的机组功率均随着工况百分比的减小而下降，与单转子相比，双转子的机组功率下降幅度小一些。关于机组效率的统计分析，两种不同改造方案的机组效率与工况呈现出正相关关系，且双转子在其中显示出的优势较为显著。关于机组损失的统计分析，相比之下，双转子的机组损失更小。综上统计分析，与单转子方式相比，双转子方式的应用下的机组供热改造，更加符合热经济要求。

6 总结

本文围绕大型热电联产机组高背压供热改造问题展开探究，以热经济作为改造方案是否可行的衡量标准。本研究选取单转子方式、双转子方式作为机组供热改造方法，给出了基本改造方法和热经济分析相关参数计算方法。从统计结果来看，双转子方式在机组供热改造中，体现出的热经济性能更为可靠。因此，针对350MW抽汽供热机组的改造，建议选择双转子方式作为机组供热改造方法。