郭容赫 樊 芮

（1 华电电力科学研究院有限公司东北分公司 辽宁沈阳 110000 2 国网湖南省电力有限公司供电服务中心（计算中心）智能电气量测与应用技术湖南省重点实验室 湖南长沙 410004）

引言

近几年来，三北地区火电厂供热机组容量和供热面积增幅较大，同时风电等新能源机组也大规模并网运行，为了最大限度消纳清洁能源，电网要求供热机组提升调峰能力，但对现有的供热机组而言，机组负荷率只有在60～70%以上，才能满足采暖期间的供热需求，无法进行深度调峰，特别是冬季供热期间，电热耦合矛盾十分突出。为实现热电解耦，采用不同方案对传统的供热机组进行技术改造，低压缸光轴改造就是其中之一，该方案有效地提高了供热期间调峰能力和促进新能源消纳，不但满足了供热的需求，还可以参与电网深度调峰，按照当地电力辅助服务市场运营规则，增加了电厂收益，很好地实现了热电解耦[1,2,4]。

1 热电解耦方法对比

传统的供热机组即要发电，又要供热，由于供热能力的限制，冬季采用以热定电的方式运行，调峰能力受到热负荷的制约，运行方式存在热电耦合现象，既要满足供热，也要满足调峰，需要对热电解耦。热电解耦的本质是实现电、热负荷相互转移，即热电比的大幅度调节，以达到削峰填谷、满足负荷的目的。常用的热电解耦方法有以下几种：

1.1 电锅炉供热

利用电作为电锅炉供热热源，电锅炉可直接供热也可储热，电制热锅炉将所发的电能直接转化为热能储存并对外供热。通过这种方式，将热电厂的热电产出解耦，在供暖季将发电的空间腾挪出来，给新能源机组创造电能消纳的条件。技术特点是热电解耦能力强，但机组经济性较差。

1.2 储热供热

在热网侧设置储热罐，利用蓄热对外供热。电负荷高、热负荷小时进行蓄热，反之进行放热，热量的转移，实现了“移峰填谷”。技术特点是低负荷调峰适应性差，但供热经济性较好。

1.3 汽机旁路供热

通过汽机旁路系统，将高参数蒸汽减温减压后对外供热。技术特点是机组供热量大，蒸汽不通过汽缸做功，负荷调整灵活，热电解耦能力强，但经济性较差。

1.4 高背压循环水供热

利用机组排汽的汽化潜热加热热网循环水对外供热。技术特点是可以达到冷源损失为零，但热网水通常达不到要求，需要二次加热。高背压运行，机组有效焓降减小，在同样的主蒸汽流量下，发电机端功率减少。

1.5 低压缸近零出力

将少量的中压缸排汽蒸汽引入到低压缸作为冷却蒸汽，余下大部分蒸汽对外供热。技术特点是机组供热量大，低压缸做功近似为零，负荷调整灵活，但需要解决末级叶片水蚀问题，叶片的安全性也需要评估及工业验证。

1.6 低压缸光轴

将低压缸转子改成无叶片光轴转子，中压缸排汽全部对外供热。在供暖期采用光轴转子，供暖期结束后换回纯凝低压转子的供热方式。技术特点是大大增加机组供热量，深度降低机组供电煤耗，低压缸脱缸运行，低压缸出力为零。

2 光轴改造措施

2.1 本体改造

加工一根低压转子，转子上无叶片，是一根整锻转子（即光轴）。在几何尺寸方面，如转子的长度、轴颈以及轴承跨距等，光轴与原转子基本一致；在重量以及临界转速特性方面，两根转子也基本相同。两根转子能够互换，互换时对低压转子支撑轴承没有影响。为减小叶轮鼓风摩擦产生的热量，光轴转子在叶轮处为等直径结构[3、5]。低压转子改造前、后结构示意图如图1所示。

图1 低压转子改造前、后结构示意图

2.2 系统改造

取消中低压联通管，在中压缸排汽口上部加装一个供热抽汽管道，中压缸排汽不进入低压缸，使之全部进入热网加热器。

增加低压缸冷却系统，防止低压缸光轴产生鼓风。将循环水流量改小，利用原有的凝汽器，冷却低压缸的少量蒸汽。由于凝结水流量减小，原汽封冷却器及汽封加热器退出运行，新增加一套汽封冷却器及汽封加热器。

3 解耦能力分析

某电厂的一台中间再热、三缸、双排汽、凝汽冲动式汽轮机，额定功率为210MW，设置7段抽汽，分别送至对应的加热器，其中高压缸有2段抽汽、中压缸有4段抽汽、低压缸有1段抽汽。

蒸汽在高压缸做膨胀功，发出的功率为：

蒸汽在中压缸做膨胀功，发出的功率为：

蒸汽在低压缸做膨胀功，发出的功率为：

新蒸汽在高、中、低压缸做膨胀功，三缸发出的总功率为：

式中：

WG— 发电机端功率，kW；

WHP— 高压缸内功率，kW；

WIP— 中压缸内功率，kW；

WLP— 低压缸内功率，kW；

Dr— 各段抽汽流量，kg·h-1；

DnH、DnI、DnL— 高、中、低压汽缸的纯凝汽流量，kg·h-1；

hrH、hrI、hrL— 各段抽汽分别在高、中、低压汽缸的焓降，kJ·kg-1；

hH、hI、hL— 纯凝汽流分别在高、中、低压汽缸的焓降，kJ·kg-1；

r — 抽汽段数编号；

ηjd— 机电效率，%。

以额定工况的设计参数为计算依据，计算表明：高、中、低压缸做功能力分别占发电机总功率的29%、46%、25%。低压缸光轴运行与纯凝工况相比，在主蒸汽流量以及压力、温度等初参数相同情况下，发电机负荷可减少25%，但供热量随着负荷变动而变动，不能单独变动。

采用热量法对机组的总热耗量进行分配。发电方面的热耗量等于总热耗量减去供热方面的热耗量，由于供热减少的冷源损失带来的热经济效益，都归于发电方面，也就是“好处归电法”，其发电热耗率为：

式中：HR — 发电热耗率，kJ·（kW·h）-1；

QM— 主蒸汽在锅炉吸收的热量，kJ·h-1；

QR— 再蒸汽在锅炉吸收的热量，kJ·h-1；

QO— 对外供出的热量，kJ·h-1。

汽轮机耗热量以及功率的变化，引起发电热耗率的改变量为：

计算表明：在主蒸汽流量以及压力、温度等初参数相同情况下，由于机组供热使得发电热耗率比纯凝工况下降约57%。

光轴供热运行方式，增加了供热量，满足了供热需求，可获得供热效益；同时负荷率有所降低，满足电网负荷需求，可获得电网电价补偿。

4 试验对比

利用现场的仪器、仪表进行了纯凝运行工况与低压缸光轴运行工况的对比试验。低压缸光轴运行工况的主要参数是以纯凝额定工况参数为基准，试验时将流量、压力、温度等参数尽量调到纯凝工况，试验数据及结果见表1。

表1 试验数据及经济指标汇总表

4.1 发电能力对比

低压缸光轴运行，汽轮机由原三缸变成两缸运行，在同样初参数时，做功能力下降。结果表明：在主蒸汽流量基本相同，试验工况下，光轴运行比纯凝运行，发电能力减少了56.5MW；将试验的新汽压力和温度参数修正到基准工况时，发电能力减少了50.5MW。

4.2 供热能力对比

机组负荷与主蒸汽流量成正比，发电负荷随着主蒸汽流量的增加而升高，主蒸汽流量的增加，中压缸排汽流量也随之增加，即供热热量增加。低压缸采用光轴运行，锅炉额定蒸发量时，供热能力为305.3MW。

4.3 发电煤耗对比

低压缸光轴运行，中压缸排汽全部对外供热，没有冷源损失，机组负荷率越高，热耗率越低，煤耗率下降幅度也越大。结果表明：在主蒸汽流量基本相同，试验工况下，光轴运行比纯凝运行，发电煤耗率下降了170.9 g·（kW·h）-1。

结语

在主蒸汽流量基本相同，试验工况下，光轴运行比纯凝运行，发电能力减少了56.5MW；将试验的新汽压力和温度参数修正到基准工况时，发电能力减少了50.5MW。

在主蒸汽流量基本相同，试验工况下，光轴运行比纯凝运行，对外供热能力达305.3MW，发电煤耗下降了170.9 g·（kW·h）-1。

低压缸光轴方式下运行时，中压缸排汽全部对外供热，满足供热需求，没有冷源损失，提高了机组经济性，增加了供热能力，减少了发电能力，实现了热电解耦。