CN108087048A - 热电联产汽轮发电机组的运行方式 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种热电联产汽轮发电机组的运行方式，包括如下两种运行状态：A、全功率发电状态；B、在发电的同时，也向城市提供采暖供热的热电联产状态；上述两种状态根据市场需要适时切换，在冬季来临之际，机组由全功率发电状态切换至热电联产状态，采暖供热季节结束时，机组由热电联产状态切换至全功率发电状态。该方式仍是用低压排汽供热，但不用拆除转子低压末级动叶片的手段提高背压，故在季节变更，机组运行状态切换时，无需揭缸换转子，增加机组的年运行天数，从而大幅提高电厂的经济效益。

Description

热电联产汽轮发电机组的运行方式

技术领域

本发明涉及大型火力发电设备，具体说，是一种热电联产汽轮发电机组的运行方式。

背景技术

我国北方的汽轮发电机组大多在冬季承担着向城市提供采暖供热的任务，汽轮机采暖供热的方式多样，早期，是在汽机中排处（缸体或连通管）打孔，抽取中压排汽，其缺点是：一是进入低压缸的汽量减少，发电量减少；二是抽出的蒸汽参数（通常在200℃，0.5MPa左右）大大高于用户热网循环水所需温度（70℃~130℃），还需降温处理才能送入用户热网，产生能量浪费；三是低压排汽（乏汽）的余热未被利用；这些缺点导致电厂的经济效益低下。为解决此问题，业内技术人员努力探索，提出了用低压排汽供热的方式，其技术手段是，冬季来临之际，拆除转子低压末2-3级动叶片，提高机组背压，以满足用户热网循环水的压力要求，采暖供热季节结束后，重新换上完整叶片的转子，机组恢复全功率发电。其优点是供热季节低压排汽的余热得以利用，并省去了冷却低压排汽的能耗，供热季节电厂的经济效益显著增加，成为当前采暖供热的主流方式。但该方式也有缺点，即每年需要安排两次大修，用来揭开低压缸更换转子，每年揭缸大修工期约2×30天，机组的年运行天数太少，电厂的综合经济效益仍不是很好。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种热电联产汽轮发电机组的运行方式，该方式仍是用低压排汽供热，但不用拆除转子低压末级动叶片的手段提高背压，故在季节变更，机组运行状态切换时，无需揭缸换转子，增加机组的年运行天数，从而大幅提高电厂的经济效益。

本发明的技术解决方案是：

一种热电联产汽轮发电机组的运行方式，包括如下两种运行状态：

A、全功率发电状态；

B、在发电的同时，也向城市提供采暖供热的热电联产状态；

上述两种状态根据市场需要适时切换，在冬季来临之际，机组由全功率发电状态切换至热电联产状态，采暖供热季节结束时，机组由热电联产状态切换至全功率发电状态；

其特征在于，所述汽轮发电机组的凝汽器设置为机头凝汽器和机尾凝汽器，两凝汽器之间设有连通阀，通过控制连通阀的启闭状态，可实现两凝汽器并联或串联的联接方式切换，在全功率发电时，两凝汽器并联，使机组处于低背压状态；低压排汽经凝汽器与冷却水换热，凝结为水重返锅炉产蒸汽；在热电联产时，两凝汽器串联，使机组处于高背压状态；关闭冷却水，将用户热网循环水引入凝汽器，替代冷却水与低压排汽换热，排汽冷凝水重返锅炉产蒸汽，吸热后的热网循环水作为采暖热源，在用户热网中循环。

所述汽轮发电机组的转子低压通流部分的末级动叶片的结构采用特殊设计，使该叶片具有寛背压使用性能，既可满足全功率发电状态低背压的要求，也可满足热电联产状态高被压的要求。

所述汽轮发电机组的低压轴承需采用椭圆轴承，外圆配置调整垫片，用于调整轴承标高，在热电联产时，通过拆除调整垫片降低标高，以抵消因排汽温度升高引起的部件膨胀加大导致的轴系标高上抬分量；在全功率发电时，再加入调整垫片，使轴系标高始终保持恒定。

在低压末级级后设置全周喷水，喷射角度避开末级动叶片，当机组运行在热电联产状态时，对排汽缸喷水进行强制冷却，以降低动叶片的环境温度，避免末级动叶片过热。

在机组安全保护系统设置如下保护功能：

-排汽温度值设定在100℃以上，使机组运行在热电联产状态时，安全保护系统不会误动造成停机；

-背压保护逻辑以阻塞背压曲线为下限，报警背压曲线为上限，低压进汽压力为横坐标，背压值为纵坐标，从而形成安全运行背压区间；

-在机组启动运行前，操作规程必须增加确认流程，确认低缸排汽温度保护定值、低缸背压保护逻辑、低缸喷水逻辑、凝汽器喷水逻辑、凝汽器联通阀是否与当前运行方式匹配。

所述汽轮发电机组的低压缸的汽封下半为偏心结构，其与转子竖直方向的间隙大于其它方向，以避免机组在热电联产时因排汽温度高静子部件向上膨胀发生动、静部件间径向碰磨。

汽轮机低压排汽在小容积流量工况下，可能为过热蒸汽，为了提高换热效果，在进入凝汽器管束前将过热蒸汽加湿至饱和蒸汽；技术手段是，在凝汽器喉部全周设置喷头，水源可以采用凝结水或除盐水，喷水系统控制逻辑为：低压排汽温度超过实施排汽压力对应的饱合温度时投喷水，低缸排汽温度低于实时排汽压力对应的饱和温度时停喷水。

供热工况下凝汽器的温度比纯凝工况高60℃以上，受热膨胀影响，存在向上顶起低压缸的可能。为吸收热膨胀量，低压缸与凝汽器喉部间推荐采用弹性连接的波纹管。若受改造旧机限制，可采用调整凝汽器底部弹簧刚度的方式，供热工况时，利用凝汽器的重力对低压缸施加向下的预负荷以抵消热膨胀的影响。同时兼顾纯凝工况下，全水重时有足够刚度支撑。

供热工况下，凝结水水温升高，汽封加热器的冷却水应使用除盐水，若使用凝结水，会形成微负压，则汽封加热面积需配合水温适当增大。

供热工况下，机组外表面温度高达70℃~90℃，为减少表面热量散失，避免人身伤害，在低压外缸、凝汽器、汽封加热器外表面需要敷设保温材料，可以是碳酸纤维毯，也可以是涂层。敷设保温材料后，机组外表面不得超过50℃。

本发明的有益效果：

采用上述技术措施，机组可以两种运行状态任意切换，无需揭缸换转子，增加了机组的年运行天数，从而大幅提高电厂的经济效益。

附图说明：

图1是湿冷热电联产汽轮发电机组的供暖期系统图

图2是凝汽器串联运行方式示意图

图3是凝汽器并联运行方式示意图

图4是空冷热电联产汽轮发电机组的供暖期系统图

图5是空冷热电联产汽轮发电机组的非供暖期系统图。

具体实施方式：

为科学利用汽轮机排汽进行供热，使得机组全年更好地兼顾各季节运行，减少热量、电量或检修期等各方面损失，本发明提出一种热电联产汽轮发电机组的运行方式。

对于新建机组，本发明利用独特的混合热电联产设计方法，综合考虑机组全年运行实际情况，使得机组更好地实现清洁利用。即冬季时，在高背压运行，利用汽轮机的高温排汽加热热网循环水，作为采暖用户热源，有效控制余热损失。夏季时，机组同样在夏季工况的高背压下凝汽式运行，汽轮机排汽冷却方式可依据实际情况选择湿冷、间接空冷方式运行。这样既考虑了夏季背压偏高的客观事实，又在冬季对汽轮机低压缸排汽余热进行了充分挖潜，兼顾了各季节高效环保运行。

这种方法是通过调整热电联产汽轮机发电机组的运行方式，以不揭缸换转子为前提，实现将热网中的循环水引入汽轮机的凝汽器，经汽轮机乏汽加热至70~90℃，直接或经过再次加热升温进入居民家中进行集中供暖。该方法的顺利实施，将分别按照湿冷机组和空冷机组进行阐述。

一、湿冷机组

供暖期，湿冷机组运行背压40~55KPa，凝汽器与热网首站形成新的闭式循环，循环水由热网水代替不再上冷却塔，系统如图1所示，非采暖期，不需揭缸更换转子，运行背压20KPa左右，冷却水采用闭式循环水或开式水。

湿冷机组要实现不揭缸换转子，利用汽轮机乏汽加热循环水供暖，还需要采取一系列技术措施，详述如下：

1、纯凝发电时，需要快速带走凝汽器内的热量，尽快降低背压；采暖供热工况下，凝汽器内的循环水需要充分换热，维持较高背压。为适应两种不同工况，需将凝汽器分为机头侧、机尾侧，两侧间设置联通阀。供暖期打开联通阀使得凝汽器串联运行，如图2所示，在水量大幅减少的情况下延长循环水的流程充分换热，维持背压在40~55KPa；非供暖期关闭联通阀，如图3所示，凝汽器两侧并联运行，提高冷却水流速快速换热，降低背压效率发电。

2、从纯凝发电的角度看，背压的降低有助于提升机组效率；但过于降低背压，末级动叶弯应力增大，极端情况下汽流还将发生阻塞。从采暖供热的角度来看，背压越高，越满足供暖的需求；但过度提高背压，将带来鼓风、水蚀、颤振等威胁机组安全的问题。因此，末级动叶可正常工作的范围必须涵盖经济发电背压和有效供暖背压。提高末级动叶根部反动度，增加动叶的压力梯度，可有效延缓鼓风；采用成圈围带结构，可增加机械阻尼，降低颤振危险；选用耐水蚀性好的材料，并堆焊司太立合金，可有效预防水蚀对末级动叶的损害。末级动叶在满足工况要求下，可适应背压范围18~55KPa。

3、在供热工况下，随着背压的提高，汽轮机排汽温度也显著提高。汽缸、隔板等静子部件在排汽温度的影响下，将向上膨胀，对于安装在汽缸内的座缸轴承将带着转子随静子部件一起向上膨胀，轴系标高将上抬，导致轴系安装曲线偏离设计位置。低压轴承需采用椭圆轴承，外圆配置调整垫片，在采暖期通过拆除调整垫片降低标高，在非采暖期恢复调整垫片或增加调整垫片厚度抬高轴承标高。

4、背压的提高，汽轮机排汽温度也显著提高，机组安全保护系统的低压排汽温度的保护定值需设置在100℃以上。

5、为保护末级动叶不致过热，低压末级级后设置全周喷水，指向末级导流环内部空间，合理设计喷射角度避免喷水溅射到末级动叶。水源可以采用凝结水，推荐采用除盐水，控制阀门可以采用截止阀，推荐采用流量调整阀，喷水系统控制逻辑为：高于低压排汽温度保护定值开启喷水，低于设计背压对应的饱和水温度停止喷水。

6、随着背压的提高，汽轮机排汽温度也显著提高。汽缸、隔板等静子部件在排汽温度的影响下，将向上膨胀。若机组轴承为落地式，即轴承位于轴承箱内，与转子一起不随低压缸及隔板向上膨胀。为避免静子部件向上膨胀引起的动静间径向碰磨，所有汽封下半采用偏心加工，增大汽封底部与转子间的间隙。

7、热电联产机组，应采用以热定电的运行模式。具体到利用乏汽供热的热电联产机组，由于受到中排抽汽的影响，机组的安全保护系统中的背压保护逻辑不能采用常规定值方式。应该以阻塞背压曲线为下限，报警背压曲线为上限，低压进汽压力为横坐标，背压值为纵坐标，从而形成安全运行背压区间。背压保护逻辑需按照上述区间执行。连通管上设置2~4个进汽压力测点。

8、在小容积流量工况下，汽轮机排汽可能为过热蒸汽。而过热蒸汽的换热效果不佳。为了提高换热效果，必须在进入凝汽器管束前将过热蒸汽加湿至饱和蒸汽。在凝汽器喉部全周设置喷头，水源可以采用凝结水，推荐采用除盐水，控制阀门可以采用截止阀，推荐采用流量调整阀，喷水系统控制逻辑为：低排温度超过实施排汽压力对应的饱合温度时投喷水，低缸排汽温度低于实时排汽压力对应的饱和温度时停喷水。

9、供热工况下凝汽器的温度比纯凝工况高60℃以上，受热膨胀影响，存在向上顶起低压缸的可能。为吸收热膨胀量，低压缸与凝汽器喉部间推荐采用弹性连接的波纹管。若受改造旧机限制，可采用调整凝汽器底部弹簧刚度的方式，供热工况时，利用凝汽器的重力对低压缸施加向下的预负荷以抵消热膨胀的影响。同时兼顾纯凝工况下，全水重时有足够刚度支撑。

10、供热工况下，凝结水水温升高。汽封加热器通常以凝结水为冷却水，形成微负压，其加热面积需配合水温增大，或使用除盐水。

11、利用乏汽供热后，汽轮机的冷源损失几乎为0，仅有少量机械损失和外表面热量散失。另一方面，供热工况下，机组外表面温度高达70℃~90℃。为减少表面热量散失，避免人身伤害，在低压外缸、凝汽器、汽封加热器外表面需要敷设保温材料，可以是碳酸纤维毯，也可以是涂层。敷设保温材料后，机组外表面不得超过50℃。

12、在非供暖期，机组的主要目的是效率发电；在供暖期，以热定电侧重于集中供热。同一机组，在不揭缸换转子的前提下，转换上述目的，需要在逻辑保护、相关部件上作出调整。因此，在机组启动运行前，操作规程必须增加确认流程，确认低缸排汽温度保护定值、低缸背压保护逻辑、低缸喷水逻辑、凝汽器喷水逻辑、凝汽器联通阀是否与当前运行方式匹配。

二、空冷机组

在传统空冷汽轮机的基础上增加凝汽器，冷却介质为热网循环水。空冷汽轮机、空冷装置（空冷岛）、凝汽器之间用电动三通阀连接，供暖期，切除空冷装置，汽轮机乏汽全部进入凝气器，加热热网循环水至70~90℃或更高温度后进入热网供暖，系统如图4所示。非采暖期，不需揭缸更换转子，开启空冷装置，调整运行背压至20KPa左右。此时，凝汽器可以作为尖峰冷凝器，协助空冷装置降低汽轮机背压，弥补传统空冷机组背压波动大的缺陷，系统如图5所示。

空冷机组要实现不揭缸换转子，就可利用汽轮机乏汽加热循环水供暖，需要采取措施主要是在传统空冷机组的基础上增加凝汽器，同时采取前述湿冷机组的技术措施。还需采取的措施是在机组启动运行前，操作规程增加确认流程，确认低缸排汽温度保护定值、低缸背压保护逻辑、低缸喷水逻辑、空冷装置前的三通状态是否与当前运行方式匹配。

综上所述，本方法使得机组实现了更为环保方式的供暖，兼顾机组全年运行模式有效减低排放参数，提高能源利用率。在各季节兼顾高效运行，无需切换转子，机组大修期可延长至5~6年，可大幅增加电厂的经济效益。系统简单可靠，便于切换控制，方便操作人员迅速掌握其运行方式。

Claims (10)

1.一种热电联产汽轮发电机组的运行方式，包括如下两种运行状态：

A、全功率发电状态；

B、在发电的同时，也向城市提供采暖供热的热电联产状态；

上述两种状态根据市场需要适时切换，在冬季来临之际，机组由全功率发电状态切换至热电联产状态，采暖供热季节结束时，机组由热电联产状态切换至全功率发电状态；

其特征在于，所述汽轮发电机组的凝汽器设置为机头凝汽器和机尾凝汽器，两凝汽器之间设有连通阀，通过控制连通阀的启闭状态，实现两凝汽器并联或串联的联接方式切换，在全功率发电时，两凝汽器并联，使机组处于低背压状态；低压排汽经凝汽器与冷却水换热，凝结为水重返锅炉产蒸汽；在热电联产时，两凝汽器串联，使机组处于高背压状态；关闭冷却水，将用户热网循环水引入凝汽器，替代冷却水与低压排汽换热，排汽冷凝水重返锅炉产蒸汽，吸热后的热网循环水作为采暖热源，在用户热网中循环。

2.如权利要求1所述的热电联产汽轮发电机组的运行方式，其特征在于，所述汽轮发电机组的转子低压通流部分的末级动叶片的结构采用的设计，使该叶片具有寛背压使用性能，既满足全功率发电状态低背压的要求，也满足热电联产状态高被压的要求。

3.如权利要求1所述的热电联产汽轮发电机组的运行方式，其特征在于，所述汽轮发电机组的低压轴承采用椭圆轴承，外圆配置调整垫片，用于调整轴承标高，在热电联产时，通过拆除调整垫片降低标高，以抵消因排汽温度升高引起的部件膨胀加大导致的轴系标高上抬分量；在全功率发电时，再加入调整垫片，使轴系标高始终保持恒定。

4.如权利要求1所述的热电联产汽轮发电机组的运行方式，其特征在于，在低压末级级后设置全周喷水，喷射角度避开末级动叶片，对排汽缸喷水进行强制冷却，以降低动叶片的环境温度，避免末级动叶片过热。

5.如权利要求1所述的热电联产汽轮发电机组的运行方式，其特征在于，机组安全保护系统设置如下保护功能：

-排汽温度值设定在100℃以上，使机组运行在热电联产状态时，安全保护系统不会误动造成停机；

-背压保护逻辑以阻塞背压曲线为下限，报警背压曲线为上限，低压进汽压力为横坐标，背压值为纵坐标，从而形成安全运行背压区间；

-在机组启动运行前，操作规程必须增加确认流程，确认低缸排汽温度保护定值、低缸背压保护逻辑、低缸喷水逻辑、凝汽器喷水逻辑、凝汽器联通阀是否与当前运行方式匹配。

6.如权利要求1所述的热电联产汽轮发电机组的运行方式，其特征在于，所述汽轮发电机组的低压缸的汽封下半为偏心结构，其与转子竖直方向的间隙大于其它方向，以避免机组在热电联产时因排汽温度高静子部件向上膨胀发生动、静部件间径向碰磨。

7.如权利要求1所述的热电联产汽轮发电机组的运行方式，其特征在于，汽轮机低压排汽在小容积流量工况下，可能为过热蒸汽，为了提高换热效果，在进入凝汽器管束前将过热蒸汽加湿至饱和蒸汽；在凝汽器喉部全周设置喷头，水源采用凝结水或除盐水，喷水系统控制逻辑为：低压排汽温度超过实施排汽压力对应的饱合温度时投喷水，低缸排汽温度低于实时排汽压力对应的饱和温度时停喷水。

8.如权利要求1所述的热电联产汽轮发电机组的运行方式，其特征在于，供热工况下凝汽器的温度比纯凝工况高60℃以上，受热膨胀影响，存在向上顶起低压缸的可能；为吸收热膨胀量，低压缸与凝汽器喉部间采用弹性连接的波纹管；若受改造旧机限制，采用调整凝汽器底部弹簧刚度的方式，供热工况时，利用凝汽器的重力对低压缸施加向下的预负荷以抵消热膨胀的影响，同时兼顾纯凝工况下，全水重时有足够刚度支撑。

9.如权利要求1所述的热电联产汽轮发电机组的运行方式，其特征在于，供热工况下，凝结水水温升高，汽封加热器的冷却水若使用凝结水，则汽封加热面积需配合水温适当增大。

10.如权利要求1所述的热电联产汽轮发电机组的运行方式，其特征在于，供热工况下，机组外表面温度高达70℃~90℃，为减少表面热量散失，避免人身伤害，在低压外缸、凝汽器、汽封加热器外表面敷设保温材料，该保温材料是碳酸纤维毯、或是涂层，敷设保温材料后，机组外表面不超过50℃。