关于6F燃气-蒸汽联合循环机组供热方式探究-中国期刊网

关于 6F燃气 -蒸汽联合循环机组供热方式探究

赵伟

大唐国际江山新城热电有限责任公司浙江省江山市 324101

摘要：

大唐国际江山新城热电供热业务持续拓宽，热用户用热峰值持续走高，导致该厂单台机组抽汽供热不能满足需求。特提出将部分余热锅炉高压一级过热蒸汽或余热锅炉出口主蒸汽经过减温减压后对外供热，满足供热尖峰负荷，避免启动启动锅炉联合供热。通过分析计算两种方案与启动锅炉同机组联合供热的经济效益对比，拿出最优方案。

一、设备概况

大唐国际江山新城热电工程位于浙江省江山市莲华山工业园区，一期工程2×120MW天然气—蒸汽联合循环机组。机组控制系统为MarK VIe操作系统，所有操作均由MarK VIe操作系统来完成。整套机组采用分轴联合循环方式，一套联合循环发电机组由一台燃气轮机、一台蒸汽轮机、两台发电机和一台余热锅炉及相关设备组成。

全厂设置2台启动锅炉，在主机停运期间承担对外供热任务，或作为临时热源实现热网顶峰。1号启动锅炉是由天津宝成机械制造股份有限公司生产的天然气蒸汽锅炉，额定参数为：流量35t/h，压力1.5MPa，温度300℃。2号启动锅炉是由浙江特富锅炉有限公司生产的SZS型系列燃气过热蒸汽锅炉（冷凝系列）。额定参数为：流量50t/h，压力1.5MPa，温度300℃。

汽轮机型号为LC28/N38-5.30/0.55/1.60/537/253型，双压、单缸、冲动、抽汽、凝汽式汽轮机，汽缸前部（第1级至第6级）为双层结构，之后为单层结构。汽缸内装有高压蒸汽室、高压内缸、回转隔板、三级隔板套、前汽封和后汽封等部套，通流部分由17级压力级组成。联合循环机组正常运行期间，燃机热排气进入余热锅炉产生高、低压蒸汽驱动汽轮机，汽轮机从第6级后抽汽，汽轮机额定抽汽量为60t/h，目前我厂对园区18家热用户提供供热服务，对外供热量最高小时均值已达到65t/h，在热用户不断扩充，用热量持续上升的情况下，单台机组将不能满足供热要求。

当前现场供热设备布置示意图

二、提出方案

鉴于我厂供热业务持续拓宽，热用户用热峰值持续走高且我厂对外供热参数需达到300℃的情况下，在不启动1号启动锅炉的前提下有如下几种方案：1、将部分高压一级过热后蒸汽抽出，经过减温减压后对外供热。2、将部分高压二级过热后蒸汽经过减温减压后对外供热。3、对汽轮机进行改造，将汽轮机6级后的蒸汽引入供热系统。

由于我厂热用户的用热大部分集中在白天，所以第3种方案在热负荷低的时候对整体经济性存在影响，所以此阶段暂不作为首选方案。

三、理论依据

下表为我厂设备热力计算书中的部分数据：

（1）联合循环保证工况：环境温度17℃，大气压力100.51kPa，相对湿度80%

项目	单位	额定工况	额定抽汽工况	最大抽汽工况	最小抽汽工况	80%工况	70%工况	50%工况	30%工况
燃机功率	MW	75.12	75.12	75.12	75.12	60.09	52.58	37.56	22.54
汽机功率	MW	37.97	27.9	24.41	32.47	33.41	32.12	28.19	22.77
高压蒸汽压力	MPa	5.305	5.3	5.29	5.3	4.71	4.54	4.06	3.34
高压蒸汽温度	℃	536.83	537.9	537.9	537.89	538.8	538.84	538.9	538.89
高压蒸汽流量	t/h	114.1	113.8	113.7	113.95	101.4	97.82	87.7	72.69
低压蒸汽压力	MPa	0.55	0.38	0.33	0.45	0.47	0.455	0.39	0.32
低压蒸汽温度	℃	252.69	250.7	250.11	251.77	246.1	243.8	237.5	229.03
低压蒸汽流量	t/h	15.61	15.9	16.15	15.64	12.5	11.33	8.59	6.15
抽汽压力	MPa		1.6	1.6	1.6
抽汽温度	℃		392.11	392.27	391.98
抽汽流量	t/h		42.10	56.16	23.4
抽汽减温水温度	℃		29.87	28.17	32.6
抽汽减温水流量	t/h		2.88	3.84	1.6
低压缸排汽压力	kPa	6.08	4.85	4.5	5.36	5.01	5.47	5.11	4.65
低压缸排汽温度	℃	36.43	32.36	31.03	34.13	34.95	34.5	33.28	31.62
凝结水温度	℃	36.43	29.4	27.72	32.13	34.95	34.5	33.2	31.62
凝泵出口水温	℃	36.81	29.8	28.17	32.6	35.39	34.96	33.8	32.29
凝结水流量	t/h	129.73	132.67	133.7	131.19	113.93	109.15	96.3	78.85
凝泵出口压力	MPa	2.911	2.5	2.5	2.5	2.9	2.9	2.9	2.91
凝加进口流量	t/h	142.78	148.9	152.6	145.09	126.81	122.03	108.5	89.21
凝加进口温度	℃	48.9	48.9	48.9	48.9	48.9	48.9	48.9	48.9
给水泵进口压力	MPa	0.77	0.65	0.6	0.687	0.0678	0.65	0.59	0.59
给水泵进口温度	℃	161.3	151.9	149.12	155.7	155.04	152.75	148.7	148.71
给水泵出口压力	MPa	7.3	7.35	7.36	7.38	7.39	7.39	7.39	7.39
给水温度	℃	162.88	153.4	150.63	157.25	156.78	154.52	150.5	150.66
给水流量	t/h	114.11	113.8	113.74	113.95	101.4	97.82	87.74	72.69
减温水压力	MPa	7.39	7.35	7.36	7.38	7.39	7.39	7.3	7.39
减温水流量	t/h	2	2	2	2	3.6	4.55	6.19	5.83
高过出口压力	MPa	5.5	5.5	5.47	5.5	4.89	4.7	4.2	3.478
高过出口温度	℃	538.83	538.95	538.98	538.89	539.8	539.89	539.9	539.89
高过出口流量	t/h	114.11	113.8	113.74	113.95	101.4	97.82	87.7	72.69

（2）热力计算汇总表

工况：最大抽汽工况大气温度17℃ 相对湿度80% 燃机负荷 100% 烟气流量：747.3t/h。

名称	单位	高压二级过热器	高压一级过热器	高压蒸发器	高压二级省煤器	低压过热器	高压一级省煤器	低压蒸发器	凝结水加热器
工质流量	t/h	114.2	114.1	114.1	114.1	16.3	114.1	16.3	166.4
工质进口温度	℃	449.7	275	275	244.1	152.3	153.9	152.3	55.7
工质出口温度	℃	540	450.5	275	270.7	253.9	244.1	152.3	145.5
烟气进口温度	℃	601.5	573.4	504.6	288	269.6	265.1	208.2	159.4
烟气出口温度	℃	573.4	504.6	288	269.6	265.1	208.2	159.4	80.2

计算从高一过后抽取蒸汽,如下图：

从高压一级过热器抽出蒸汽会导致主蒸汽量下降，则主蒸汽温度上升（此处假定：在余热锅炉一过抽汽前后烟气与二过流经的蒸汽换热量不变，就有抽汽前后经过二过的蒸汽焓增一致）。那么为了保证主蒸汽不超温，必须降低二级过热器进口温度，而温度不是可以无限降低的，最低值应大于该压力下饱和蒸汽温度。

边界条件的计算：

由上表可知，高过出口压力为5.5Mpa，其饱和温度为269.9670℃。

由于二级过热器外壁烟气流速低、烟气密度小；而其内部蒸汽压力高、蒸汽流速大，换热效率高；故在二过蒸汽减少时认为：剩余蒸汽吸收的烟气热量与全部蒸汽经过二级过热器所吸收的烟气热量相等。

即：ΔH^*=ΔH

ΔH^*代表抽汽后剩余蒸汽经二过蒸汽焓增,

ΔH 代表不抽汽时所有蒸汽经二过后蒸汽焓增

那么由：ΔH^*=ΔH可得：

m^*₁（h-h₁^*）= m₁（h-h₁）

q^*₁（h-h₁^*）= q₁（h-h₁）

q^*₁= q₁（h-h₁）/（h-h₁^*）,

此处假定：一级过热器后蒸汽温度降可通过减温水降低至5.5MPa下的饱和温度。

那么就有：q^*₁= q₁（h-h₁）/（h-h₁^*）

=113.74*（3521.9-3312.1）/（3521.9-2800.14）吨

=33.062 t/h

所以高压二级过热器的最小流量为33.062t/h,那么此处抽出的最大蒸汽量q_max=q₁-q^*₁=113.74-33.062=80.68t/h。

h 代表二级过热器出口蒸汽焓；h1 代表额定工况时二过入口蒸汽焓；h₁^* 代表二过入口压力下饱和蒸汽焓

q*1 代表单位时间内通过二过的饱和蒸汽量。 q1代表额定工况单位时间内通过二过的蒸汽量

我厂汽轮机抽汽口采用旋转隔板，其原理为改变通流面积从而改变抽汽量。从表中可知机组最大抽汽量56.16 t/h,可得出最大抽汽比为：56.16/113.74=0.49。

设： Q 总对外供热量

q

₂^g余热锅炉一级过热器后抽汽量

q

₂^j 汽机抽汽量

W 汽机负荷

L₂二过前减温水量

则有：

方程1：

q₂^j = 进入汽轮机的蒸汽总量 * 最大抽汽比

q₂^j=(（113.74-q2g）+（113.74-q2g）* (h-h1)/(h-h4))*56.16/113.74

q₂^j=(（113.74-q₂^g）+（113.74-q₂^g）*0.074)*56.16/113.74

方程2：

Q = 一过后的抽汽量 + 汽机抽汽量

Q=（1+ (h1-h3)/(h3-h4)）*q₂^g+（1+ (h2-h3)/(h3-h5)）* q₂^j

Q=1.1117*q₂^g+1.0665* q₂^j

方程3：

W = 二过后蒸汽能做的功-汽机抽汽所能做的功

W=1.8+(113.74-q2g+ （113.74-q₂^g） *(h-h1)/(h-h4))*（37.97-1.8）/114.1-( q2j *(27.9-24.41)/(56.16-42.11))

向总对外供热量Q赋值：60，65，70，75，80，85，90，95后经方程组计算如下：

一过后二过前加抽汽管道
总供热量Q	65	70	75	80	85	90	95
一过后抽汽量q₂^g	8.18	16.19	24.20	32.22	40.23	48.24	56.25
汽机抽汽量q₂^j	51.70	48.09	44.48	40.86	37.25	33.64	30.02
汽机负荷W₂	22.49	20.92	19.34	17.77	16.20	14.63	13.06

一过后二过前加抽汽管道计算数据折线图

2、从高二过后至机侧主汽电动门前抽取蒸汽(如下图)计算：

设： Q 总对外供热量

q₁^L余热锅炉主蒸汽抽汽量

q₁^j汽机抽汽量

W 汽机负荷

h 二过后蒸汽焓值 h1一过后蒸汽焓值 h2汽轮机抽汽焓值

h3 供热蒸汽焓值 h4 给泵出口工质焓值 h5凝泵出口工质焓值

则有：

方程1：

q₁^j = 进入汽轮机的蒸汽总量 * 最大抽汽比

q₁^j=（113.74-q₁^L）*56.16/113.74

方程2：

Q = 二过后的抽汽量 + 汽机抽汽量

Q=（1+(h2-h3)/(h3-h5)）* q₁^j+ q₁^L*（1+ (h-h3)/(h3-h4)

Q =1.066 q₁^j+1.2q₁^L

方程3：W = 进入汽轮机蒸汽能做的功 - 汽机抽汽所能做的功

W=1.8+(113.74- q₁^L)*（37.97-1.8）/114.1-( q₁^j *(27.9-24.41)/(56.16-42.11))

向总对外供热量Q赋值：60，65，70，75，80，85，90，95后经方程组计算如下：

主汽电动门前加抽汽管道
总供热量Q	65	70	75	80	85	90	95
主蒸汽抽汽量q₁L	7.27	14.35	21.43	28.51	35.59	42.67	49.75
汽机抽汽量q₁^j	52.79	49.51	46.23	42.96	39.68	36.40	33.12
汽机负荷W₁	22.32	20.78	19.23	17.69	16.15	14.61	13.07

主汽电动门前加抽汽管道计算数据图

3、对比分析

从上述计算数据可以得出下表：

二过前后抽汽负荷对比
总供热量Q	65	70	75	80	85	90	95
二过后抽汽负荷 MW	22.32	20.78	19.23	17.69	16.15	14.61	13.07
二过前抽汽后负荷 MW	22.49	20.92	19.34	17.77	16.20	14.63	13.06
负荷差	0.17	0.14	0.11	0.08	0.05	0.02	-0.01

从上述折线图可以得出：二过前抽汽在90吨以前供热负荷下的效益比二过后抽汽微好一点。但是从二过前抽汽会改变余热锅炉的换热情况，烟气温度场分布等,有较大不确定因素。

从二过后抽汽：1.在机组启动阶段可以回收去旁路的蒸汽，热态具备条件可回收20min的蒸汽，冷态可回收80min的蒸汽。2.又可以在旁路故障、汽轮机故障时泄压用。3.亦可以将供热汽源作为轴封辅汽汽源，改善机组温态启动条件。

四、经济性分析

根据我厂上网电价582.3元/MWh,天然气价2.85元/立方米，供热价格312元/吨分别计算在供热总量为65，70，75，80，85，90，95时的单位蒸汽供热与发电所得利润差。

以汽机最大抽汽工况为基准计算：余热锅炉两种不同抽汽方式下抽汽增加的收益减去负荷下降减少的收益，同汽机最大抽汽工况+启动炉供汽收益进行对比。

经计算在高于60吨供热量时，三种供热模式的盈利情况如下表：

总供热量Q t/h	65	70	75	80	85	90	95
启动炉供汽盈利元	301	602	903	1204	1505	1806	2107
二过前抽汽后盈利增加元	435	1075	1715	2355	2995	3635	4275
二过后抽汽后盈利增加元	342	1004	1666	2329	2991	3654	4316

很明显：在通过余热锅炉侧抽汽供热时，总体效益明显好于发电。折线图及数据表真实的反应了通过炉侧抽汽供热效益明显好于启动炉与机组联合供热效益。同时可以看出余热锅炉侧两种抽汽方式的盈利能力相差不多，考虑机组启动过程中回收蒸汽至供热系统及锅炉温度场的稳定性，建议采取余热锅炉二过后抽取主蒸汽的方式提高供热量，符合公司利益，符合国家双减目标。

【参考文献】

1、《传热学（第五版）》作者：陶文铨

2、《工程热力学（第4版）》作者：沈维道童钧耕

3、《电厂锅炉原理及设备（第3版）》中国电力出版社出版

关于6F燃气-蒸汽联合循环机组供热方式探究