王宝珠
河北石家庄良村热电有限公司 河北 石家庄 052165
摘要: 本文对良村热电330MW机组供热现状进行综合分析，以温度对口、梯级利用、主机和动力机械联合运行综合效率最优为原则，对其供热系统采用能量梯级利用技术定制化设计，采用螺杆膨胀机做功的蒸汽能量梯级利用方案，即采用螺杆膨胀动力机组将采暖蒸汽蕴含的高品质能量利用起来，实现能量梯级利用。
关键词：优化运行；梯级利用；节能降耗
石家庄良村热电有限公司2×330MW热电机组，汽轮机均为CC330/238-16.7/0.98/0.5/537/537亚临界中间再热双可调抽汽供热式汽轮机，根据制造厂提供的热力特性数据，设计工业抽汽参数：0.9～1.4MPa（注：文中所列压力均为绝对压力，下同）、200～290t/h；采暖抽汽参数：0.25～0.6MPa、300～410t/h。目前，良村热电冬季采暖供热面积1000万平米，采暖抽汽量约380t/h，热网循环水供水温度75℃、回水温度52℃。
按目前供水温度75℃，采暖热网加热器上端差取10℃，则该温度对应的在热网加热器凝结的饱和蒸汽压力为57.7KPa，若取采暖抽汽管路压损为10%，则所需的采暖抽汽压力为64.3KPa。2017年12月～2018年1月机组的运行数据表明，该期间平均采暖抽汽压力为0.259MPa，采暖供汽的压力比实际需要压力高约0.19MPa，按目前的热网循环水加热方式，采暖供汽存在约0.19MPa的压损。若采暖蒸汽在进入热网加热器前先通过一套动力机械设备进行做功或发电，则可以将采暖抽汽的压差和蕴含的高品质能量有效地利用起来，实现能量的梯级利用。由于良村热电采暖抽汽量较大，采取上述措施将产生可观的经济效益和社会效益，对于电厂的节能减排具有重要的意义。
1.概述：
十三五期间，我国的能源供给发生了巨大变化，传统煤电产能严重过剩，年利用小时普遍偏低。如何在现有条件下提高能源利用效率，便成了提高全厂经济效益的有效手段；其中，对现役功率燃煤发电机组进行抽汽供热改造，实现热电联产，目前其供热热量约占全国总供热量的40%。
虽然我国热电联产装机容量发展迅速，但热电联产供热方式的节能技术发展缓慢，从目前情况看，由于此种供热机组多由纯凝机组改造而来，抽汽参数与供热实际所需参数不匹配，存在严重的能源浪费，重视引入能量梯级利用的方法，可以显著降低厂用电率和提高热效率。对采暖供热系统采用供热蒸汽能量梯级利用技术进行改造，采用合理的动力机械做功，才能使高品质蒸汽所含能量得到充分利用。
对良村热电现有机组配置情况及2017-2018年各种运行工况进行整理分析，确定中排压力及温度范围，及未来采暖季中排压力及温度预测；确立中排压力范围为0.1~0.372 Mpa、中排温度范围为210~280℃；通过对比选取合理动力机械设备，在采暖蒸汽在进入热网加热器前先通过一套动力机械设备进行做功或发电，将采暖抽汽的压差和蕴含的高品质能量有效地利用起来，实现能量的梯级利用。
2.改造方案：
供热抽汽高效梯级利用，配套2×2400kW的螺杆膨胀发电机组（两台螺杆膨胀发电机组最大出力能达到6000kW）。通过对#2汽轮机组5段抽汽管道进行改造，从五段抽汽管道中引出100t/h蒸汽进入两台螺杆膨胀发电机组发电，所发电量并入厂用电系统（见图一），两台螺杆膨胀发电机组的排汽进入新增的一台热网加热器，将一部分热网循环水由52℃加热至75℃。保留#2汽轮机组原有热网加热器，新增热网加热器与#2汽轮机组原有热网加热器并联布置，当螺杆膨胀机组退出运行时由原有热网加热器将热网循环水加热至75℃。
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图一：螺杆膨胀机操控界面
螺杆膨胀机油系统采用46号透平油，系统配备两台交流润滑油泵，一台作为主油泵，另一台作为备用油泵，润滑油压力为0.15~0.30Mpa，备用油泵在主油泵故障或油压低时自动投入运行。螺杆膨胀机机封水系统起到密封及冷却作用，配有两台机封水泵，一台运行，另一台备用，润滑油压力为0.15~0.20Mpa。（见图二）
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图二：螺杆机油系统、机封水系统
热网加热蒸汽系统的蒸汽来自螺杆膨胀机排汽，2台螺杆膨胀机排汽分别进入一台热网加热器，热网加热器设置有2个进汽口。（见图三）
热网加热器疏水系统采用单元制，主要由热网加热器疏水箱、热网凝结水泵和热网疏水管道及阀门等组成。在热网凝结水泵后的疏水管道上设置流量测量装置监测机组加热蒸汽流量。热网疏水箱的水位由热网凝结水泵进行调节控制。
正常运行时，螺杆膨胀机热网加热器的疏水通过热网凝结水泵送至原热网疏水泵出口母管上进入除氧器。在热网加热器出口设置取样装置检测疏水水质，运行时监督每台热网加热器疏水的电导率，当热网加热器发生泄漏时（即热网循环水进入热网疏水中），停用热网加热器，并通过紧急疏水管道将其排至疏水回收系统。热网疏水箱的水位由热网凝结水泵进行调节控制。
热网凝结水系统初次投运或每个采暖期初期运行时，为了去除由于供热间歇运行在热网蒸汽管道和疏水管道中生成的铁离子，在疏水水质较差不能回收利用时将疏水排至地沟。当疏水水质监测合格后将热网疏水切换至原热网疏水泵出口母管上进入除氧器。热网加热器对应2台100%容量的热网凝结水泵，1台泵运行，1台备用。
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图三：螺杆膨胀机热力系统图
3.螺杆膨胀机介绍
工作原理：螺杆膨胀机是一种容积式动力机，通过阴阳螺杆反向旋转啮合形成容积不断增大的汽室，蒸汽通过螺杆机时比容不断增大、膨胀，将热能转化为机械能。做功过程由吸汽、膨胀和排汽三个热力过程组成（见下图4）。1）吸汽过程：工质从进汽管中流入齿间容积A，吸汽结束时，齿间容积A就形成了一个由转子和机壳共同围成的密闭空间。2）膨胀过程：容积A中的高温高压工质在齿间容积中膨胀并对转子施加一个转矩，推动螺杆转动。随着螺杆转动，齿槽A旋转到B、C、D逐渐加长、容积增大，压力和温度下降。当汽体移到位置D时，膨胀过程结束，这时螺杆齿间容积达到最大。3）排汽过程：随着转子的不断旋转，工质通过与齿间容积接通的排汽口排出，完成整个膨胀过程。随着膨胀过程的进行，汽体的压力、温度和焓值下降，比容和熵值增加，汽体的热能转化为机械能对外做功。
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图四：螺杆膨胀机工作原理图
螺杆膨胀机既可以在设计压力下工作，也可以在高于和低于设计压力下工作，对进汽压力下降的变工况适应能力强；既可以在设计汽量下工作，也可以在小于和稍高于设计汽量下工作。螺杆膨胀机对进汽压力下降适应能力强这一特点，使得其适合应用于小压差、低膨胀比的采暖蒸汽能量梯级利用领域。
4.装机实施效果
由于良村热电#2汽轮机采暖季蒸汽压力较低，可供利用的压差能量较小，且采暖蒸汽压力波动范围相对较大，基于做功机械运行可靠性选用SPEG600和SPEG800螺杆膨胀机各一台。在采暖季，两台螺杆膨胀机改造方案总发电量增加420万kWh。
基于螺杆膨胀机供热蒸汽能量梯级利用技术改造后的主要经济参数：
改造后全厂全年平均综合厂用电率下降：0.11%
改造后全厂全年平均供电煤耗下降：0.36g/kWh
基于螺杆膨胀机供热蒸汽能量梯级利用技术改造后的减排收益（在两台主机发电量为39.6亿度的情况下）：
改造后每年可节约标煤约1136.1吨
减排CO2约2976.6吨
减排SO2约9.7吨
减排NOX约8.4吨
5.结论
本项目对采暖供热系统采用供热蒸汽能量梯级利用技术进行改造，选取合理的动力机械做功，能使高品质蒸汽所含能量得到充分利用。
采暖供热蒸汽能量梯级利用应以不牺牲主机的运行经济性为前提。在采暖蒸汽能量梯级利用的做功机械选择、设备选型、系统配置等方面均应以保证该系统与主机系统联合运行综合效率和经济性最优为目标。
本项目采取上述压差发电措施将产生可观的经济效益和社会效益，对于降低全厂的厂用电率和煤耗率、提高能源综合利用率，具有显著效果。根据全年运行参数，5段抽汽的蒸汽参数并核算螺杆膨胀机组发电功率每年420万kWh，参考现在上网电价0.3644元/kWh计算，则一个供暖期内增加利润为153.05万元。
本项目采取压差发电措施将产生可观的经济效益和社会效益，对于降低全厂的厂用电率和煤耗率、提高能源综合利用率，具有显著效果。同时，由于此项目为余压利用发电项目，基本不另外消耗煤炭等其他能源，也没有粉尘、烟气、CO2、NOx、SO2等污染物排放量，且符合国家环保新环保政策及国家节能减排政策。因此，该项目不仅回收余热、节约能源，而且对推动全社会开展节能降耗，缓解能源瓶颈制约，建设节能型社会，促进经济社会可持续发展具有重大意义。