分轴式燃气蒸汽联合循环发电机组的供热改造方案及应用研究

引言

近年来,低能耗供热、供热灵活性改造成为热电联产机组供热技术发展的重要课题。某公司现有10台(套)发电机组,负责煤气等二次能源的回收利用及公司蒸汽管网的供应保证,整体自发电比例达到60%,其中,3台高效燃气蒸汽联合循环发电机组(1台150MW和2台50MW)承担80%的发电任务,2台25MW抽凝式汽轮机机组及1台15MW背压式汽轮机组主要承担公司蒸汽管网供应任务。

当前国家环保要求日趋严格,采暖季限产将常规化,结合近三年来采暖季各发电机组运行实际,其存在着蒸汽供应能力不满足新增项目蒸汽需求:常规锅炉环保排放不稳定,环保停产压力大:燃料供应紧张,高效发电机组停运,自发电比例低等问题。为提高蒸汽供应能力、降低环保风险、增加发电量,有必要对现有的发电机组进行改造,突破上述制约瓶颈。

1存在的制约瓶颈

1.1采暖季蒸汽供需矛盾突出

保障冬季生产和采暖需求是公司蒸汽平衡的重点。但是随着公司发展,蒸汽用户和蒸汽使用量增加,现有供热机组供汽能力已达极限,在采暖季厂区蒸汽存在供应缺口,采暖季蒸汽供需矛盾较为突出。

1.2原供热机组环保风险较高

2台25MW抽凝式汽轮机组于2004年投入运行,安全运行14年,但是该机组技术已属于落后技术,受氮氧化物和二氧化硫等环保指标的限制,整体运行情况不佳。近年来,通过热风再循环及烟气喷氨技术对其进行超低排放改造,得到了较好的效果,但是仍存在锅炉环保排放不稳定、环保风险仍相对较高等问题,严重制约了蒸汽管网供应。

1..高效联合循环发电机组冬季发电量低

2×50MW燃气蒸汽联合循环发电机组于2013年投入运行,安全运行5年,该机组氮氧化物和二氧化硫排放指标满足超低排放标准,但机组的汽轮机为抽凝式,冬季若用其取代原热电联产机组,则抽汽量无法满足厂区蒸汽需求。采暖季各发电机组运行的首要任务是保证蒸汽管网供应,则高效燃气蒸汽联合循环发电机组在燃料不足时需被迫停机备用,影响厂区自发电量。

针对以上问题,很有必要对现有燃气蒸汽联合循环发电机组进行供热改造,以提高蒸汽供应能力和稳定性,降低环保风险,增加发电量。

2供热改造方案

2.1改造方案的比较和确定

公司2×50MW燃气蒸汽联合循环发电机组技术先进,发电效率高,污染物排放控制稳定且优于最新环保标准:其采用分轴布置,即燃气发电系统和蒸汽发电系统实现物理分离,运行工况范围较宽,燃料调整手段灵活,具备供热改造条件。综上,决定对该型机组进行供热改造。

2×50MW燃气蒸汽联合循环发电机组,主体设备包括2台M251s型燃气轮机、2台M251s型煤气压缩机、2台C25-5.68/1.0型蒸汽轮机、4台发电机和2台0422/566-72(9)-5.9(0.7)/530(230)型余热锅炉。其中余热锅炉由格菱动力设备(中国)有限公司提供,其他主体设备由杭州汽轮机有限公司制造,关键部件从日本三菱重工MHI公司进口。其工艺布置图如图1所示。

当前,供热改造工程技术种类众多,应选取适合公司现有条件且改造成本较低的改造方案。本文对比了5种较为成熟的改造方案,对其技术性能、成本和应用要求分别进行分析,如表1所示。

可见,背压小汽轮机供热改造方案具有较为突出的优势,操作灵活、供热能力强,且成本控制优势明显,能满足改造需要,因此选择该方案作为2×50MWCCPP供热改造方案。最终确定扩建一套背压发电机组,并配备一套减温减压器和蒸汽引射器系统为辅助供汽设备。

2.2项目改造条件

2.2.1技术条件

本项目采用的背压式发电机组技术为国家政策鼓励的技术,同行业企业应用效果明显,技术成熟可靠。

2.2.2资源条件

本项目为改建项目,建设地为厂区内部,项目主要耗能为循环水和除盐水,公司现有条件可以满足本项目的需要。

2.2.3施工条件

本项目土建施工量较小,施工场地平整,道路交通方便,水电气等配套齐全,适宜施工建设。

2.2.4主要燃料动力供应

本项目不需要消耗燃料,主要动力消耗为电力、工业水、除盐水等。

2.3改造方案的实施

在2×50MW燃气蒸汽联合循环发电机组区域新建背压式汽轮发电机组,运行所需蒸汽由原燃机余热锅炉提供,并配套设置一套减温减压器和蒸汽引射器,采用2炉拖1机的运行方式。

(1)选用高温、次高压、单缸、单轴背压式汽轮机,设计结构简单、安全可靠、维修方便、通用性强,且具有较高的经济性。其参数如表2所示。

选用发电机参数如表3所示。

(2)增加一套减温减压器和蒸汽引射器。燃机余热锅炉的低压主蒸汽可通过蒸汽引射器,在高压蒸汽的引射作用下并入低压蒸汽管网,增强蒸汽供应能力:必要时,高压主蒸汽亦可通过减温减压器直接向蒸汽管网供应蒸汽。

3改造后的运行方式

3.1改造后的工艺布置

增加一套背压式汽轮机组,改造后的2×50MW燃气蒸汽联合循环发电系统工艺布置如图2所示。

2台燃机余热锅炉产生的高、低压主蒸汽进入高、低压蒸汽母管,可根据生产需求分别进入3台汽轮机做功:

(1)高效发电模式下,主蒸汽进入2台原抽凝式汽轮机执行发电任务:

(2)蒸汽供应模式下,主蒸汽通过联络母管进入背压式汽轮机执行发电任务和供汽任务。

改造后,2×50MW燃气蒸汽联合循环发电机组可实现不同模式下的灵活切换。

3.2改造后燃气蒸汽联合循环发电机组的4种运行模式改造后的新2×50MW燃气蒸汽联合循环发电机

组可在采暖季和非采暖季分别选用不同的运行模式,该种多功能、多模式运行方式系国内外首创。

采暖季,选用蒸汽供应模式,提高蒸汽供应能力。背压式汽轮机组所需蒸汽由燃机余热锅炉提供,采用2炉拖1机(或1炉拖1机)的运行方式:燃机余热锅炉低压主蒸汽采用引射的方式并入厂区管网。

非采暖季,选用高效发电模式,采用现有的抽凝机组提高发电量,并根据生产需要为厂区供应蒸汽。

根据生产需求,亦可实现单台余热锅炉拖背压机进行蒸汽供应,另一余热锅炉继续以高效发电模式运行:或燃机余热锅炉主蒸汽直接供减温减压器,向低压蒸汽管网供应蒸汽。

4种模式下5台发电机组及减温减压器运行情况如表4所示。

3.3不同生产需求下各发电机组运行模式

对2×50MW燃气蒸汽联合循环发电机组进行供热改造后,现公司11台(套)发电机组在不同蒸汽需求的工况下,可做新的部署调整。

在采暖季和非采暖季,3台高效燃气蒸汽联合循环发电机组均可高效运转,将有效提高自备电站冬季发电供电能力。

非采暖季,3台燃气蒸汽联合循环发电机组均可选用高效发电模式:现有的2台25MW抽凝式机组和原15MW背压式机组为厂区提供蒸汽,并结合厂区其他余热回收产生的蒸汽,可以和厂区蒸汽需求保持平衡。

采暖季,150MW燃气蒸汽联合循环发电机组仍可高效运转:2台抽凝式汽轮机发电机组可停机备用:通过本次改造,2×50MW燃气蒸汽联合循环发电机组切换为蒸汽供应模式,采用2台燃机余热锅炉拖背压式汽轮发电机组执行蒸汽供应任务和发电任务,并由原15MW背压式机组配合运行,保障采暖季的蒸汽供应。

4改造后的效果

2×50MW燃气蒸汽联合循环发电机组供热改造工程项目建成后,可有力提高采暖季蒸汽供应能力和供汽稳定性,同时为厂区提供自备电力:且2×50MW燃气蒸汽联合循环发电机组可在4种运行模式下灵活切换,可根据蒸汽使用需求调整为单台燃机余热锅炉拖背压式汽轮机供应蒸汽,另一台燃机余热锅炉拖抽凝式汽轮机。

本次改造一方面提高了蒸汽供应能力,填补了厂区采暖季蒸汽的缺口,同时还提高了高效燃气蒸汽联合循环发电机组的能源利用率:另一方面,可以利用余热发电,满足厂区的用电需求,并降低了环保风险,能源得以高效梯级综合利用,实现了综合能效提升。新增背压式汽轮发电机组主要技术经济指标如表5所示。

如表5所示,本项目背压式发电机组预计年运行时间为2928h,年发电量3513.6万kW·h,自身年耗电量43.92万kW·h,年供电量3469.68万kW·h,年供蒸汽409.9×103t,年节能量折合标煤18539.23tce。

5结语

综上可见,2×50MW燃气蒸汽联合循环发电机组的供热改造,在提高采暖季蒸汽供应能力的同时,产生的经济效益和节能效果亦十分可观。此外,该种燃气蒸汽联合循环发电机组的供热改造和多功能、多模式运行方式系国内外首创,为分轴式燃气蒸汽联合循环发电机组的供热改造和运行提供了一种创新的方案。