引言

近年來,低能耗供熱、供熱靈活性改造成為熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱技術發(fā)展的重要課題。某公司現(xiàn)有10臺(套)發(fā)電機組,負責煤氣等二次能源的回收利用及公司蒸汽管網(wǎng)的供應保證,整體自發(fā)電比例達到60%,其中,3臺高效燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組(1臺150MW和2臺50MW)承擔80%的發(fā)電任務,2臺25MW抽凝式汽輪機機組及1臺15MW背壓式汽輪機組主要承擔公司蒸汽管網(wǎng)供應任務。

當前國家環(huán)保要求日趨嚴格,采暖季限產(chǎn)將常規(guī)化,結(jié)合近三年來采暖季各發(fā)電機組運行實際,其存在著蒸汽供應能力不滿足新增項目蒸汽需求:常規(guī)鍋爐環(huán)保排放不穩(wěn)定,環(huán)保停產(chǎn)壓力大:燃料供應緊張,高效發(fā)電機組停運,自發(fā)電比例低等問題。為提高蒸汽供應能力、降低環(huán)保風險、增加發(fā)電量,有必要對現(xiàn)有的發(fā)電機組進行改造,突破上述制約瓶頸。

1存在的制約瓶頸

1.1采暖季蒸汽供需矛盾突出

保障冬季生產(chǎn)和采暖需求是公司蒸汽平衡的重點。但是隨著公司發(fā)展,蒸汽用戶和蒸汽使用量增加,現(xiàn)有供熱機組供汽能力已達極限,在采暖季廠區(qū)蒸汽存在供應缺口,采暖季蒸汽供需矛盾較為突出。

1.2原供熱機組環(huán)保風險較高

2臺25MW抽凝式汽輪機組于2004年投入運行,安全運行14年,但是該機組技術已屬于落后技術,受氮氧化物和二氧化硫等環(huán)保指標的限制,整體運行情況不佳。近年來,通過熱風再循環(huán)及煙氣噴氨技術對其進行超低排放改造,得到了較好的效果,但是仍存在鍋爐環(huán)保排放不穩(wěn)定、環(huán)保風險仍相對較高等問題,嚴重制約了蒸汽管網(wǎng)供應。

1..高效聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組冬季發(fā)電量低

2×50MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組于2013年投入運行,安全運行5年,該機組氮氧化物和二氧化硫排放指標滿足超低排放標準,但機組的汽輪機為抽凝式,冬季若用其取代原熱電聯(lián)產(chǎn)機組,則抽汽量無法滿足廠區(qū)蒸汽需求。采暖季各發(fā)電機組運行的首要任務是保證蒸汽管網(wǎng)供應,則高效燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組在燃料不足時需被迫停機備用,影響廠區(qū)自發(fā)電量。

針對以上問題,很有必要對現(xiàn)有燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組進行供熱改造,以提高蒸汽供應能力和穩(wěn)定性,降低環(huán)保風險,增加發(fā)電量。

2供熱改造方案

2.1改造方案的比較和確定

公司2×50MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組技術先進,發(fā)電效率高,污染物排放控制穩(wěn)定且優(yōu)于最新環(huán)保標準:其采用分軸布置,即燃氣發(fā)電系統(tǒng)和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)物理分離,運行工況范圍較寬,燃料調(diào)整手段靈活,具備供熱改造條件。綜上,決定對該型機組進行供熱改造。

2×50MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組,主體設備包括2臺M251s型燃氣輪機、2臺M251s型煤氣壓縮機、2臺C25-5.68/1.0型蒸汽輪機、4臺發(fā)電機和2臺0422/566-72(9)-5.9(0.7)/530(230)型余熱鍋爐。其中余熱鍋爐由格菱動力設備(中國)有限公司提供,其他主體設備由杭州汽輪機有限公司制造,關鍵部件從日本三菱重工MHI公司進口。其工藝布置圖如圖1所示。

當前,供熱改造工程技術種類眾多,應選取適合公司現(xiàn)有條件且改造成本較低的改造方案。本文對比了5種較為成熟的改造方案,對其技術性能、成本和應用要求分別進行分析,如表1所示。

可見,背壓小汽輪機供熱改造方案具有較為突出的優(yōu)勢,操作靈活、供熱能力強,且成本控制優(yōu)勢明顯,能滿足改造需要,因此選擇該方案作為2×50MWCCPP供熱改造方案。最終確定擴建一套背壓發(fā)電機組,并配備一套減溫減壓器和蒸汽引射器系統(tǒng)為輔助供汽設備。

2.2項目改造條件

2.2.1技術條件

本項目采用的背壓式發(fā)電機組技術為國家政策鼓勵的技術,同行業(yè)企業(yè)應用效果明顯,技術成熟可靠。

2.2.2資源條件

本項目為改建項目,建設地為廠區(qū)內(nèi)部,項目主要耗能為循環(huán)水和除鹽水,公司現(xiàn)有條件可以滿足本項目的需要。

2.2.3施工條件

本項目土建施工量較小,施工場地平整,道路交通方便,水電氣等配套齊全,適宜施工建設。

2.2.4主要燃料動力供應

本項目不需要消耗燃料,主要動力消耗為電力、工業(yè)水、除鹽水等。

2.3改造方案的實施

在2×50MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組區(qū)域新建背壓式汽輪發(fā)電機組,運行所需蒸汽由原燃機余熱鍋爐提供,并配套設置一套減溫減壓器和蒸汽引射器,采用2爐拖1機的運行方式。

(1)選用高溫、次高壓、單缸、單軸背壓式汽輪機,設計結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、維修方便、通用性強,且具有較高的經(jīng)濟性。其參數(shù)如表2所示。

選用發(fā)電機參數(shù)如表3所示。

(2)增加一套減溫減壓器和蒸汽引射器。燃機余熱鍋爐的低壓主蒸汽可通過蒸汽引射器,在高壓蒸汽的引射作用下并入低壓蒸汽管網(wǎng),增強蒸汽供應能力:必要時,高壓主蒸汽亦可通過減溫減壓器直接向蒸汽管網(wǎng)供應蒸汽。

3改造后的運行方式

3.1改造后的工藝布置

增加一套背壓式汽輪機組,改造后的2×50MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)工藝布置如圖2所示。

2臺燃機余熱鍋爐產(chǎn)生的高、低壓主蒸汽進入高、低壓蒸汽母管,可根據(jù)生產(chǎn)需求分別進入3臺汽輪機做功:

(1)高效發(fā)電模式下,主蒸汽進入2臺原抽凝式汽輪機執(zhí)行發(fā)電任務:

(2)蒸汽供應模式下,主蒸汽通過聯(lián)絡母管進入背壓式汽輪機執(zhí)行發(fā)電任務和供汽任務。

改造后,2×50MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組可實現(xiàn)不同模式下的靈活切換。

3.2改造后燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的4種運行模式改造后的新2×50MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機

組可在采暖季和非采暖季分別選用不同的運行模式,該種多功能、多模式運行方式系國內(nèi)外首創(chuàng)。

采暖季,選用蒸汽供應模式,提高蒸汽供應能力。背壓式汽輪機組所需蒸汽由燃機余熱鍋爐提供,采用2爐拖1機(或1爐拖1機)的運行方式:燃機余熱鍋爐低壓主蒸汽采用引射的方式并入廠區(qū)管網(wǎng)。

非采暖季,選用高效發(fā)電模式,采用現(xiàn)有的抽凝機組提高發(fā)電量,并根據(jù)生產(chǎn)需要為廠區(qū)供應蒸汽。

根據(jù)生產(chǎn)需求,亦可實現(xiàn)單臺余熱鍋爐拖背壓機進行蒸汽供應,另一余熱鍋爐繼續(xù)以高效發(fā)電模式運行:或燃機余熱鍋爐主蒸汽直接供減溫減壓器,向低壓蒸汽管網(wǎng)供應蒸汽。

4種模式下5臺發(fā)電機組及減溫減壓器運行情況如表4所示。

3.3不同生產(chǎn)需求下各發(fā)電機組運行模式

對2×50MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組進行供熱改造后,現(xiàn)公司11臺(套)發(fā)電機組在不同蒸汽需求的工況下,可做新的部署調(diào)整。

在采暖季和非采暖季,3臺高效燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組均可高效運轉(zhuǎn),將有效提高自備電站冬季發(fā)電供電能力。

非采暖季,3臺燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組均可選用高效發(fā)電模式:現(xiàn)有的2臺25MW抽凝式機組和原15MW背壓式機組為廠區(qū)提供蒸汽,并結(jié)合廠區(qū)其他余熱回收產(chǎn)生的蒸汽,可以和廠區(qū)蒸汽需求保持平衡。

采暖季,150MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組仍可高效運轉(zhuǎn):2臺抽凝式汽輪機發(fā)電機組可停機備用:通過本次改造,2×50MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組切換為蒸汽供應模式,采用2臺燃機余熱鍋爐拖背壓式汽輪發(fā)電機組執(zhí)行蒸汽供應任務和發(fā)電任務,并由原15MW背壓式機組配合運行,保障采暖季的蒸汽供應。

4改造后的效果

2×50MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組供熱改造工程項目建成后,可有力提高采暖季蒸汽供應能力和供汽穩(wěn)定性,同時為廠區(qū)提供自備電力:且2×50MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組可在4種運行模式下靈活切換,可根據(jù)蒸汽使用需求調(diào)整為單臺燃機余熱鍋爐拖背壓式汽輪機供應蒸汽,另一臺燃機余熱鍋爐拖抽凝式汽輪機。

本次改造一方面提高了蒸汽供應能力,填補了廠區(qū)采暖季蒸汽的缺口,同時還提高了高效燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的能源利用率:另一方面,可以利用余熱發(fā)電,滿足廠區(qū)的用電需求,并降低了環(huán)保風險,能源得以高效梯級綜合利用,實現(xiàn)了綜合能效提升。新增背壓式汽輪發(fā)電機組主要技術經(jīng)濟指標如表5所示。

如表5所示,本項目背壓式發(fā)電機組預計年運行時間為2928h,年發(fā)電量3513.6萬kW·h,自身年耗電量43.92萬kW·h,年供電量3469.68萬kW·h,年供蒸汽409.9×103t,年節(jié)能量折合標煤18539.23tce。

5結(jié)語

綜上可見,2×50MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的供熱改造,在提高采暖季蒸汽供應能力的同時,產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和節(jié)能效果亦十分可觀。此外,該種燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的供熱改造和多功能、多模式運行方式系國內(nèi)外首創(chuàng),為分軸式燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的供熱改造和運行提供了一種創(chuàng)新的方案。