农林生物质电厂应用实践

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“十四五”时期，国家深入实施能源安全新战略，坚持可再生能源优先发展，实施可再生能源替代行动，巩固提升可再生能源产业核心竞争力。稷山农林生物质电厂周边乡镇有大量纸箱制造企业、食品加工企业、纺织企业，工业用汽市场稳定，高峰用汽量可达40t/h，前期主要为周边小燃煤锅炉供汽。为响应国家碳达峰、碳中和政策，该电厂组织实施汽轮机打孔抽汽改造工程替代燃煤锅炉工业供汽，努力推动农林生物质电厂实现热电联产，支持国家清洁低碳、安全高效的能源体系建设。2021年该电厂利用1#机大修期完成了汽轮机打孔抽汽改造工程，成功对外供汽。

1机组概况及汽轮机结构特点

稷山农林生物质电厂现有2台N15-4.9/470型高温次高压、单缸、纯凝汽式汽轮机，配套建设2台75t/h农林生物质循环流化床锅炉，2台锅炉的新蒸汽为母管连接制。汽轮机结构特点：汽轮机本体由双列复速级和10个压力级组成；机组为单缸单轴结构；汽缸分为2段，即前汽缸和后汽缸，通过垂直法兰连接，连接后不可再拆开。

2抽汽改造方案

2.1设计供汽参数

依据供汽市场调研，确定设计供汽参数为1.2MPa，270℃，40t/h。

2.2改造方案选择

2.2.1通过旋转隔板实现可调抽汽

该机组为单缸凝汽式汽轮机组，对单缸式汽轮机可通过汽轮机内部改造加装旋转隔板，调节旋转隔板把汽轮机分为高压、低压部分，在旋转隔板前引出抽汽口，通过调节旋转隔板及抽汽管道调门来调整抽汽口蒸汽压力、流量。该方案可实现可调整抽汽，抽汽压力、流量不受汽轮机进汽压力、流量限制，调整灵活[1]。实现可调抽汽的实施方案有两种。第一种是在保证原汽轮机基础不动的情况下，重新设计1台可调抽汽汽轮机。针对第一种改造方案，通过咨询多家汽轮机厂家可知，N15-4.9型凝汽轮机组改造抽凝机若采用调整抽汽，需增加抽汽级及增设旋转隔板，汽轮机长度会增加，汽轮机基座改变较大。第二种为在原机组内部进行通流改造，增设旋转隔板，实现可调抽汽。针对第二种改造方案，查阅原机组设计资料可知，该汽轮机组设计年代较早，原机组为纯凝设计，无可增设旋转隔板改造空间，故该改造方案无法实施。

2.2.2汽轮机缸体打孔实现非可调抽汽

打孔抽汽即在纯凝机组的某个压力级后选择合适位置进行开孔，开孔后引出1根抽汽管道，在抽汽管道上设置抽汽快关阀、逆止阀、调节阀等，根据调节阀调整抽汽流量。依据机组进汽参数、供汽参数计算确定该厂汽轮机只有在双列复速级后打孔抽汽可满足供汽压力要求。考虑凝汽式汽轮机调节级后压力与进汽量成正比例关系，以及汽轮机叶片及汽缸的安全性，核算确定汽缸开孔尺寸为DN135单孔圆孔。对该厂汽轮机以最大进汽量、额定进汽流量、75%额定进汽流量工况进行理论核算，抽汽参数理论数据如表1所示。汽轮机在双列复速级后打孔抽汽，由于调节级处压力与进汽流量为正比例关系，为保证外网供汽需求，势必增加机组进汽量，调节级处的焓降也会较大。为保证机组安全性，对打孔改造后双列复速级叶片的强度及振动进行重新校核。经计算打孔抽汽后汽机复速级焓降增大，复速级两列动叶和轮缘应力均有所增加，但其应力值远小于许用值，复速级动叶片可安全可靠运行[2]。核算打孔抽汽对汽缸强度的变化影响。上汽缸开尺寸DN135单孔圆孔后，上汽缸开孔缸处应力较非开孔区变大，但它远小于缸体材质许用应力，打孔抽汽后汽缸可安全运行。在抽汽管路上设计液压快关阀和逆止阀，并尽可能地将该段管路缩短，以防止机组甩负荷时管道中蒸汽倒回汽轮机引起汽机超速[3]。

2.3抽汽方案确定实施

对上述改造方案进行初投资及工期比较（见表2）。机组不具备加装旋转隔板方案的实施条件。打孔抽汽方案虽为非可调抽汽，但由于生物质能作为可再生能源，机组不参与调峰，负荷受电网影响较小，抽汽流量、压力能保证。该方案初期投资小、改造工期短、安全可靠，且有同类型机组改造成功案例，综合比较汽轮机缸体打孔抽汽方案较好。为节省工期并尽可能减少开孔时对缸体强度的影响，将汽缸运回原厂实施打孔。在汽缸开DN135圆孔，选择与汽缸材质接近的管材作为抽汽管，将抽汽管插入到DN135圆孔，与汽缸内外壁焊牢固，并引出汽缸外1m，方便与供汽管道碰口。为消除焊接过程中产生的残余应力，该次改造采用汽缸与焊接抽汽管整体高温回火技术。

3工业供汽系统

农林生物质电厂作为可再生能源发电体系，基本实现能发尽发，年利用小时数可达7500h。但考虑汽轮机打孔抽汽改造后的热力特性，为了保证工业供汽量运行的可靠性，根据现场实际情况，设定3种工业供汽汽源：a)在正常额定工况下1号、2号汽轮机直接抽汽供给用汽单位；b)在机组负荷偏低抽汽流量不足或单台机组停运时，由运行的汽轮机抽汽和主蒸汽减温减压联合供汽；c)主汽流量较低，抽汽压力不能满足用户需求或双机停运时，由锅炉新蒸汽减温减压供给用汽单位。综合以上因素，制定工业供汽方案如图1所示。

4改造前后汽轮机主要指标对比

打孔抽汽改造后抽汽温度、压力、流量均达到设计值，整体运行情况稳定。打孔抽汽改造前后汽轮机运行情况对比分析如表3所示。

5打孔抽汽改造后的经济效益及环保效益

5.1经济效益

根据现阶段实际情况计算，汽轮机主汽流量约69t/h、打孔抽汽流量约13t/h时，机组少发电2.46MW·h，机组纯凝工况下发电料耗1.61kg/（kW·h）（热值10465kJ的生物质燃料），折算每吨抽汽需生物质燃料约304.64kg。热值10465kJ的生物质燃料价格按357元/t计算，抽汽直接燃料成本约108.8元/t，考虑供汽分摊其他成本7.4元/t，抽汽供汽总成本价合计约116.2元/t。工业供汽售价180元/t，年供汽量1.5×105t，每年可收益9×106元。该工程打孔改造费用0.2×106元，厂内供汽管网建设费用约4.5×106元，半年多即可收回工程改造全部费用。

5.2环保效益

农林生物质能是一种零碳能源，其转化过程是通过绿色植物的光合作用将CO2和H2O合成生物质能，燃烧后又生成CO2和H2O，形成CO2的循环排放，可有效减少CO2的排放量。该工程实施改造后，实现了农林生物质锅炉对周边35t/h燃煤锅炉的替代。以每年供汽1.5×105t测算，年耗用周边农林废弃物约1×105t，相当于年少耗用标煤2.145×104t，每年可减少1.437t碳排放量，减少5.274tCO2排放量，减少0.65×104t灰渣排放量。

6结语

早期农林生物质电厂机组参数等级低且多为凝汽式汽轮机，通过汽轮机打孔抽汽改造可成功实现热电联产。该技术的应用不仅可提高电厂的经济效益，同时践行了可再生能源对化石能源的替代，助力中国实现碳中和终极目标。

参考文献：

［1］张志奇.凝汽式汽轮机改调整抽汽式汽轮机的探索与实践［J］.电力学报，2002，17(1)：27-29.

［2］郭晓克.N200—130/535/535型凝汽式机组打孔抽汽供热的设计［J］.吉林电力技术，1986，14(3)：15-18.

［3］韩雪峰，张树本，杨广文，等.对哈尔滨糖厂B3—35/5背压汽轮机进行打孔抽汽的节能改造［J］.节能技术，1997，15(1)：35-37.

作者:朱基胜 李剑 王俊刚 单位:山西国耀新能源集团有限公司，