農林生物質電廠應用實踐

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“十四五”時期，國家深入實施能源安全新戰略，堅持可再生能源優先發展，實施可再生能源替代行動，鞏固提升可再生能源產業核心競爭力。稷山農林生物質電廠周邊鄉鎮有大量紙箱制造企業、食品加工企業、紡織企業，工業用汽市場穩定，高峰用汽量可達40t/h，前期主要為周邊小燃煤鍋爐供汽。為響應國家碳達峰、碳中和政策，該電廠組織實施汽輪機打孔抽汽改造工程替代燃煤鍋爐工業供汽，努力推動農林生物質電廠實現熱電聯產，支持國家清潔低碳、安全高效的能源體系建設。2021年該電廠利用1#機大修期完成了汽輪機打孔抽汽改造工程，成功對外供汽。

1機組概況及汽輪機結構特點

稷山農林生物質電廠現有2臺N15-4.9/470型高溫次高壓、單缸、純凝汽式汽輪機，配套建設2臺75t/h農林生物質循環流化床鍋爐，2臺鍋爐的新蒸汽為母管連接制。汽輪機結構特點：汽輪機本體由雙列復速級和10個壓力級組成；機組為單缸單軸結構；汽缸分為2段，即前汽缸和后汽缸，通過垂直法蘭連接，連接后不可再拆開。

2抽汽改造方案

2.1設計供汽參數

依據供汽市場調研，確定設計供汽參數為1.2MPa，270℃，40t/h。

2.2改造方案選擇

2.2.1通過旋轉隔板實現可調抽汽

該機組為單缸凝汽式汽輪機組，對單缸式汽輪機可通過汽輪機內部改造加裝旋轉隔板，調節旋轉隔板把汽輪機分為高壓、低壓部分，在旋轉隔板前引出抽汽口，通過調節旋轉隔板及抽汽管道調門來調整抽汽口蒸汽壓力、流量。該方案可實現可調整抽汽，抽汽壓力、流量不受汽輪機進汽壓力、流量限制，調整靈活[1]。實現可調抽汽的實施方案有兩種。第一種是在保證原汽輪機基礎不動的情況下，重新設計1臺可調抽汽汽輪機。針對第一種改造方案，通過咨詢多家汽輪機廠家可知，N15-4.9型凝汽輪機組改造抽凝機若采用調整抽汽，需增加抽汽級及增設旋轉隔板，汽輪機長度會增加，汽輪機基座改變較大。第二種為在原機組內部進行通流改造，增設旋轉隔板，實現可調抽汽。針對第二種改造方案，查閱原機組設計資料可知，該汽輪機組設計年代較早，原機組為純凝設計，無可增設旋轉隔板改造空間，故該改造方案無法實施。

2.2.2汽輪機缸體打孔實現非可調抽汽

打孔抽汽即在純凝機組的某個壓力級后選擇合適位置進行開孔，開孔后引出1根抽汽管道，在抽汽管道上設置抽汽快關閥、逆止閥、調節閥等，根據調節閥調整抽汽流量。依據機組進汽參數、供汽參數計算確定該廠汽輪機只有在雙列復速級后打孔抽汽可滿足供汽壓力要求?？紤]凝汽式汽輪機調節級后壓力與進汽量成正比例關系，以及汽輪機葉片及汽缸的安全性，核算確定汽缸開孔尺寸為DN135單孔圓孔。對該廠汽輪機以最大進汽量、額定進汽流量、75%額定進汽流量工況進行理論核算，抽汽參數理論數據如表1所示。汽輪機在雙列復速級后打孔抽汽，由于調節級處壓力與進汽流量為正比例關系，為保證外網供汽需求，勢必增加機組進汽量，調節級處的焓降也會較大。為保證機組安全性，對打孔改造后雙列復速級葉片的強度及振動進行重新校核。經計算打孔抽汽后汽機復速級焓降增大，復速級兩列動葉和輪緣應力均有所增加，但其應力值遠小于許用值，復速級動葉片可安全可靠運行[2]。核算打孔抽汽對汽缸強度的變化影響。上汽缸開尺寸DN135單孔圓孔后，上汽缸開孔缸處應力較非開孔區變大，但它遠小于缸體材質許用應力，打孔抽汽后汽缸可安全運行。在抽汽管路上設計液壓快關閥和逆止閥，并盡可能地將該段管路縮短，以防止機組甩負荷時管道中蒸汽倒回汽輪機引起汽機超速[3]。

2.3抽汽方案確定實施

對上述改造方案進行初投資及工期比較（見表2）。機組不具備加裝旋轉隔板方案的實施條件。打孔抽汽方案雖為非可調抽汽，但由于生物質能作為可再生能源，機組不參與調峰，負荷受電網影響較小，抽汽流量、壓力能保證。該方案初期投資小、改造工期短、安全可靠，且有同類型機組改造成功案例，綜合比較汽輪機缸體打孔抽汽方案較好。為節省工期并盡可能減少開孔時對缸體強度的影響，將汽缸運回原廠實施打孔。在汽缸開DN135圓孔，選擇與汽缸材質接近的管材作為抽汽管，將抽汽管插入到DN135圓孔，與汽缸內外壁焊牢固，并引出汽缸外1m，方便與供汽管道碰口。為消除焊接過程中產生的殘余應力，該次改造采用汽缸與焊接抽汽管整體高溫回火技術。

3工業供汽系統

農林生物質電廠作為可再生能源發電體系，基本實現能發盡發，年利用小時數可達7500h。但考慮汽輪機打孔抽汽改造后的熱力特性，為了保證工業供汽量運行的可靠性，根據現場實際情況，設定3種工業供汽汽源：a)在正常額定工況下1號、2號汽輪機直接抽汽供給用汽單位；b)在機組負荷偏低抽汽流量不足或單臺機組停運時，由運行的汽輪機抽汽和主蒸汽減溫減壓聯合供汽；c)主汽流量較低，抽汽壓力不能滿足用戶需求或雙機停運時，由鍋爐新蒸汽減溫減壓供給用汽單位。綜合以上因素，制定工業供汽方案如圖1所示。

4改造前后汽輪機主要指標對比

打孔抽汽改造后抽汽溫度、壓力、流量均達到設計值，整體運行情況穩定。打孔抽汽改造前后汽輪機運行情況對比分析如表3所示。

5打孔抽汽改造后的經濟效益及環保效益

5.1經濟效益

根據現階段實際情況計算，汽輪機主汽流量約69t/h、打孔抽汽流量約13t/h時，機組少發電2.46MW·h，機組純凝工況下發電料耗1.61kg/（kW·h）（熱值10465kJ的生物質燃料），折算每噸抽汽需生物質燃料約304.64kg。熱值10465kJ的生物質燃料價格按357元/t計算，抽汽直接燃料成本約108.8元/t，考慮供汽分攤其他成本7.4元/t，抽汽供汽總成本價合計約116.2元/t。工業供汽售價180元/t，年供汽量1.5×105t，每年可收益9×106元。該工程打孔改造費用0.2×106元，廠內供汽管網建設費用約4.5×106元，半年多即可收回工程改造全部費用。

5.2環保效益

農林生物質能是一種零碳能源，其轉化過程是通過綠色植物的光合作用將CO2和H2O合成生物質能，燃燒后又生成CO2和H2O，形成CO2的循環排放，可有效減少CO2的排放量。該工程實施改造后，實現了農林生物質鍋爐對周邊35t/h燃煤鍋爐的替代。以每年供汽1.5×105t測算，年耗用周邊農林廢棄物約1×105t，相當于年少耗用標煤2.145×104t，每年可減少1.437t碳排放量，減少5.274tCO2排放量，減少0.65×104t灰渣排放量。

6結語

早期農林生物質電廠機組參數等級低且多為凝汽式汽輪機，通過汽輪機打孔抽汽改造可成功實現熱電聯產。該技術的應用不僅可提高電廠的經濟效益，同時踐行了可再生能源對化石能源的替代，助力中國實現碳中和終極目標。

參考文獻：

［1］張志奇.凝汽式汽輪機改調整抽汽式汽輪機的探索與實踐［J］.電力學報，2002，17(1)：27-29.

［2］郭曉克.N200—130/535/535型凝汽式機組打孔抽汽供熱的設計［J］.吉林電力技術，1986，14(3)：15-18.

［3］韓雪峰，張樹本，楊廣文，等.對哈爾濱糖廠B3—35/5背壓汽輪機進行打孔抽汽的節能改造［J］.節能技術，1997，15(1)：35-37.

作者:朱基勝 李劍 王俊剛 單位:山西國耀新能源集團有限公司，