135 MW 等級(jí)汽輪機(jī)的改進(jìn)研究——以雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換循環(huán)水供熱技術(shù)為例

李子芳

(廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院 機(jī)務(wù)部，廣西 南寧530023)

0 引言

通常情況下，火力發(fā)電廠的汽輪機(jī)排出的蒸汽通過凝汽器冷凝成水，而這些水又被再次加熱，最后通過冷卻塔以氣體的形式進(jìn)入大氣，從而導(dǎo)致熱量的損失。這部分熱量的損失造成汽輪機(jī)效率處于一個(gè)較低的水平，如果把這部分熱量再次利用，汽輪機(jī)的效率將會(huì)得到很大的提升。為了使這部分熱量得到再次利用，科研人員開發(fā)出一項(xiàng)專門針對(duì)汽輪機(jī)的雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換循環(huán)水供熱技術(shù)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的思路就是:在采暖期使汽輪機(jī)運(yùn)行于高背壓狀態(tài)，這樣就使凝汽器中循環(huán)出水溫度大大提高，再把凝汽器和采暖供熱系統(tǒng)進(jìn)行整合，使凝氣器循環(huán)水參與采暖供熱系統(tǒng)的供暖。這樣就可以把原先通過冷卻塔排入大氣的熱量再次利用，從而實(shí)現(xiàn)了能源的節(jié)約和汽輪機(jī)效率的提高。

當(dāng)前，該技術(shù)在我國(guó)北方得到普遍的應(yīng)用，為節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境做出不菲的貢獻(xiàn)。但這種技術(shù)大部分場(chǎng)合是被應(yīng)用于裝機(jī)容量較小的汽輪機(jī)［1］，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法、安全性和經(jīng)濟(jì)性被多個(gè)科研工作者分析和探討，已經(jīng)日趨成熟。本文在某發(fā)電廠135 MW 等級(jí)汽輪機(jī)上應(yīng)用雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換循環(huán)水供熱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)在采暖期的高背壓供熱狀態(tài)和非采暖期的低背壓狀態(tài)的切換。

1 汽輪機(jī)低壓缸通流部分的改進(jìn)

汽輪機(jī)低壓缸流通部分的主要改進(jìn)工作如下:在采暖期用2 ×4 級(jí)低壓轉(zhuǎn)子代替原有2 ×6 級(jí)轉(zhuǎn)子，并關(guān)閉汽輪機(jī)最低兩級(jí)的加熱器，這樣就僅有除氧器、2 臺(tái)高加和2 臺(tái)低加處于運(yùn)行狀態(tài)，從而使排氣背壓大大增加;而非采暖期，再把轉(zhuǎn)子恢復(fù)到原狀態(tài)。

2 汽輪機(jī)的改進(jìn)狀況

2.1 低壓轉(zhuǎn)子的技術(shù)改進(jìn)方法

2.1.1 靜葉葉型的改進(jìn)

對(duì)采暖期所應(yīng)用到的2 ×4 級(jí)低壓轉(zhuǎn)子的隔板靜葉片的葉型進(jìn)行改進(jìn)，使其攻角范圍得到提升，從而使其工況得到大大改善，進(jìn)而提高整個(gè)低壓轉(zhuǎn)子的工作級(jí)效率。

2.1.2 動(dòng)葉葉型的改進(jìn)

對(duì)動(dòng)葉葉型進(jìn)行改進(jìn)，改善汽道上下流速的分布，從而使動(dòng)葉效率得到提升。

2.1.3 自帶冠動(dòng)葉片的應(yīng)用

所有動(dòng)葉片通過自帶圍帶進(jìn)行聯(lián)接，這些圍帶結(jié)構(gòu)為內(nèi)斜外平，從而形成一個(gè)光順的子午面通道。

2.1.4 葉頂汽封的改進(jìn)

更改動(dòng)葉頂部汽封設(shè)計(jì)，用疏齒式可調(diào)汽封代替除了末級(jí)動(dòng)葉外的所有動(dòng)葉的汽封，從而減少因漏汽而帶來的能量損失。

2.1.5 隔板的改進(jìn)

隔板全部改進(jìn)成焊接鋼結(jié)構(gòu)，焊接鋼結(jié)構(gòu)有加工精度好，使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 改進(jìn)后的低壓轉(zhuǎn)子狀態(tài)

改進(jìn)后的低壓轉(zhuǎn)子為整鍛無中心孔轉(zhuǎn)子，其材料為30Cr2Ni4MoV，所有葉輪遵循等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，共有2 ×4個(gè)通流級(jí)數(shù)。與原設(shè)計(jì)相比，改進(jìn)后的轉(zhuǎn)子重量大為減少，為了使低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和軸承載荷基本保持不變，增大隔板汽封直徑。

2.3 改進(jìn)后的動(dòng)葉片狀態(tài)

本文對(duì)動(dòng)葉進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用當(dāng)前主流的三維扭葉片技術(shù)。所有動(dòng)葉片通過自帶圍帶進(jìn)行聯(lián)接，這些圍帶結(jié)構(gòu)為內(nèi)斜外平，從而形成一個(gè)光順的子午面通道。參考當(dāng)前主流的汽輪機(jī)設(shè)計(jì)思路，葉根采用粗大可靠的結(jié)構(gòu)，同時(shí)在其設(shè)計(jì)過程中兼顧調(diào)頻和非調(diào)頻時(shí)的動(dòng)強(qiáng)度校核。

2.4 改進(jìn)后的隔板和隔板汽封、圍帶汽封

改進(jìn)后的低壓部分共有8 組隔板，本文中應(yīng)用焊接結(jié)構(gòu)，并把所有靜葉改進(jìn)為彎扭葉型。葉頂汽封全部應(yīng)用梳齒結(jié)構(gòu)，而隔板和軸端汽封全部應(yīng)用直平齒結(jié)構(gòu)。為了方便檢修，應(yīng)用螺栓實(shí)現(xiàn)全部隔板中分面的緊固。如圖1 所示，即為改進(jìn)后的隔板和隔板汽封、圍帶汽封的示意圖。

圖1 改進(jìn)后的隔板和隔板汽封、圍帶汽封的示意圖

2.5 改進(jìn)后的凝汽器

由于135 MW 等級(jí)汽輪機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮到高背壓工況，因此其原設(shè)計(jì)的凝氣器不能滿足要求。因此需要對(duì)其進(jìn)行一定的改進(jìn)，本文對(duì)凝汽器進(jìn)行整體加強(qiáng)，使其在不影響低背壓時(shí)經(jīng)濟(jì)性的前提下，同時(shí)確保其在高背壓工況下的安全性。改造后的凝汽器全焊結(jié)構(gòu)，主要由殼體、喉部、水室、膨脹節(jié)等構(gòu)成。

3 分析135 MW 等級(jí)汽輪機(jī)改進(jìn)后的試驗(yàn)結(jié)果

本文對(duì)某熱電廠的135 MW 等級(jí)汽輪機(jī)應(yīng)用雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換循環(huán)水供熱技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，然后對(duì)其進(jìn)行性能試驗(yàn)，進(jìn)而依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析改進(jìn)后的帶電負(fù)荷能力、供熱能力和相關(guān)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

3.1 改進(jìn)后的試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)改進(jìn)后的汽輪機(jī)進(jìn)行高背壓工況試驗(yàn)，該工況下135 MW等級(jí)汽輪機(jī)的帶電負(fù)荷最高為113 MW，供熱能力為202.97 MW。由于汽輪機(jī)運(yùn)行于高背壓工況，其原設(shè)計(jì)中的冷水塔和輪機(jī)循環(huán)水泵不需要工作，由熱網(wǎng)循環(huán)泵搭建的“熱-水”交換系統(tǒng)代替其作用，這將使汽輪機(jī)的能耗大為降低，其熱循環(huán)效率被提高到96.67%。綜合考慮汽輪機(jī)采暖期和非采暖期工況發(fā)電煤耗，改進(jìn)后的135 MW 等級(jí)汽輪機(jī)的發(fā)電煤耗為266.3 g/kW·h，較之為改進(jìn)前有質(zhì)的飛躍。改進(jìn)后的汽輪機(jī)平均日供熱1.45 萬吉焦，若采暖期按110 天計(jì)算，可知其在整個(gè)采暖期供熱量為159.9 萬吉焦。

3.2 改進(jìn)后的試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 改進(jìn)后的經(jīng)濟(jì)效益分析

改進(jìn)后的135 MW 等級(jí)汽輪機(jī)高背壓發(fā)電時(shí)發(fā)電功率為112 360.3 kW，而原設(shè)計(jì)發(fā)電功率為140 255 kW。本文在135 MW 等級(jí)汽輪機(jī)改造中總投入為5876 萬元，其他數(shù)據(jù)如表1。

表1 改進(jìn)后的汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益分析

分析表1，可知本文的改進(jìn)可以每年給該火電廠帶來2 837.93萬元的凈利潤(rùn)，同時(shí)考慮固定資產(chǎn)折舊費(fèi)用為293.80 萬元/年，也就是說該改進(jìn)每年可以為該火電廠增加現(xiàn)金流3 131.73 萬元，換句話說也就是該改進(jìn)可在1.88 年后收回投資。由此可見，該改進(jìn)的經(jīng)濟(jì)效益甚為可觀。

3.2.2 改進(jìn)后的社會(huì)效益分析

該火電廠通過對(duì)其135 MW 等級(jí)汽輪機(jī)進(jìn)行改造，可以每年向用戶提供159.9 萬吉焦熱量，而這些熱量可以使城市的供暖面積增加399.75 萬m2，與此同時(shí)可以減少將近5 萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗。改造后的汽輪機(jī)在供暖期提供的熱量相當(dāng)于原先140 臺(tái)小型供熱鍋爐提供的熱量，這類小鍋爐的煤耗較高，大約為65 kg/吉焦，而改造后的汽輪機(jī)的煤耗僅僅為42 kg/吉焦，換句話說就是改造后的135 MW 等級(jí)汽輪機(jī)每個(gè)供暖期相比于小鍋爐要節(jié)約3 萬多噸標(biāo)準(zhǔn)煤。這也意味著采暖期應(yīng)用改造后的135 MW 等級(jí)汽輪機(jī)供暖可以節(jié)約8 萬多標(biāo)準(zhǔn)煤，從而減少了大約600 t 氮氧化合物、近22 萬t 二氧化碳和1 800多噸二氧化硫。由此可見，其社會(huì)效益相當(dāng)可觀。

4 結(jié)語

應(yīng)用雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換循環(huán)水供熱技術(shù)對(duì)135 MW 等級(jí)汽輪機(jī)進(jìn)行改進(jìn)獲得不菲的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為其他等級(jí)汽輪機(jī)的供熱改進(jìn)提供方向和參考，該技術(shù)具有很強(qiáng)的推廣價(jià)值。

文獻(xiàn)參考:

［1］ 趙偉光，李心國(guó)，江敏.東海熱電廠3 號(hào)汽輪機(jī)組低真空供暖改造經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)［J］. 東北電力技術(shù)，2005(10):1-5.

［2］ 張秀琨，鄭剛，劉傳威，等. 抽凝機(jī)組低真空循環(huán)水供熱技術(shù)分析與應(yīng)用［J］. 上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，25(6):543 -546.

［3］ 鄭杰. 汽輪機(jī)低真空運(yùn)行循環(huán)水供熱技術(shù)應(yīng)用［J］. 節(jié)能技術(shù)，2006(4):380 -382.

［4］ 靳智平.電廠汽輪機(jī)原理及系統(tǒng)(第二版)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2007.

［5］ 雍干.1000 MW 抽真空系統(tǒng)優(yōu)化探討［J］.電力科學(xué)與工程，2010，26(11).