某600 MW機(jī)組汽輪機(jī)低壓缸切除改造

王 騏， 劉亞南， 劉網(wǎng)扣

(1. 河南電力有限公司開封發(fā)電分公司， 河南開封 475000； 2. 河南電力檢修工程有限公司，鄭州 450016； 3. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

隨著新能源發(fā)電的大量并網(wǎng), 2016年開始國家能源局陸續(xù)出臺政策要求開展火電機(jī)組靈活性和深度調(diào)峰的改造,給新能源發(fā)電讓路。我國的新能源發(fā)電機(jī)組主要分布在北方，而北方的火電機(jī)組目前供熱機(jī)組居多，進(jìn)入冬季往往采用熱電聯(lián)產(chǎn)的方式運(yùn)行，如何實(shí)現(xiàn)熱電解耦，即在保證供熱的同時(shí)又實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰，成為擺在火電企業(yè)面前的一道難題[1-3]。

德國、丹麥等國家通過改造蒸汽旁路、儲熱、采用電鍋爐等技術(shù)使部分供熱機(jī)組的調(diào)節(jié)能力達(dá)到60%～80%額定負(fù)荷[4-6]。熱電解耦的改造技術(shù)存在投資高、占地多等特點(diǎn)；而近幾年出現(xiàn)的低壓缸切缸改造技術(shù)，具有投資低、改造范圍小、運(yùn)行靈活等特點(diǎn)，成為近幾年實(shí)施供熱機(jī)組熱電解耦改造的主要技術(shù)之一。

1 總體技術(shù)方案

1.1 機(jī)組概況

某發(fā)電公司2臺600 MW機(jī)組分別于2008年、2009年投產(chǎn)，并于2013年對2臺機(jī)組進(jìn)行中低壓連通管打孔抽汽改造，單機(jī)采暖供汽最大能力為420 t/h，并成為城市唯一供熱熱源點(diǎn)。根據(jù)城市集中供熱規(guī)劃，該發(fā)電公司至“十三五”末的供熱面積要達(dá)到3 790萬m2，機(jī)組的抽汽量應(yīng)進(jìn)一步增加以滿足供熱需求。

隨著新能源發(fā)電比例的逐年增加，機(jī)組的利用小時(shí)數(shù)呈下降趨勢，且參與深度調(diào)峰的幅度范圍不斷增長；但隨著城市供熱需求的增長，機(jī)組的采暖抽汽量也呈逐年增長的趨勢，供熱與深度調(diào)峰相互矛盾，機(jī)組無法實(shí)現(xiàn)熱電解耦，這也成為了該發(fā)電企業(yè)面臨的需要迫切解決的問題。

為滿足調(diào)峰需求以及供熱需求，筆者提出以該發(fā)電公司2號機(jī)組作為試點(diǎn)，采用低壓缸切除運(yùn)行的方式，開展靈活性供熱改造，提升機(jī)組的供熱能力和調(diào)峰能力。

1.2 技術(shù)方案

切除低壓缸進(jìn)汽供熱技術(shù)在低壓缸高真空運(yùn)行條件下，采用可完全密封的液壓蝶閥切除低壓缸中低壓連通管進(jìn)汽，通過新增旁路管道通入少量的冷卻蒸汽，用于帶走切除低壓缸進(jìn)汽后的鼓風(fēng)發(fā)熱量。

與改造前相比，切除低壓缸進(jìn)汽供熱改造技術(shù)突破了低壓缸最小蒸汽流量的制約，在供熱量不變的情況下，可顯著降低機(jī)組發(fā)電功率，實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰。同樣在電負(fù)荷不變的情況下，可以大幅增加供熱量。

600 MW機(jī)組有A、B 2個(gè)低壓缸，連通管上不同的蝶閥布置方式會形成不同的切缸方式：方式一，在2個(gè)低壓缸的連通管進(jìn)汽支路上分別設(shè)置蝶閥，可以實(shí)現(xiàn)A、B低壓缸分別切除或同時(shí)切除的功能；方式二，在對原有連通管的排出口蝶閥進(jìn)行更換的同時(shí)，增加進(jìn)入B低壓缸連通管的蝶閥，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)切除A、B低壓缸或單獨(dú)切除B低壓缸的目的；方式三，僅更換原中壓排汽出口蝶閥，只能同時(shí)切除A、B低壓缸，無法實(shí)現(xiàn)單獨(dú)切除一個(gè)低壓缸的功能。

從運(yùn)行的靈活性來看，方式三只能同時(shí)切除2個(gè)低壓缸，中壓缸排汽供熱量較大，當(dāng)外部供熱需求無法消耗較大供熱量時(shí)，切缸方式只能在低負(fù)荷運(yùn)行，靈活性大幅度降低。而方式一、方式二可根據(jù)供熱負(fù)荷、調(diào)峰負(fù)荷的變化選擇切除低壓缸，運(yùn)行靈活性好。采用方式一須要同時(shí)控制A、B低壓缸入口蝶閥，增加了控制的難度，同時(shí)2個(gè)低壓缸的進(jìn)汽量也很難相同，對低壓缸的安全運(yùn)行造成一定風(fēng)險(xiǎn)。該機(jī)組的切缸改造采用了方式二，即在中壓缸出口和B低壓缸入口增加蝶閥，達(dá)到同時(shí)切除A、B低壓缸和單獨(dú)切除B低壓缸的目的。

1.3 低壓缸切除安全性校核

低壓缸切除工況在極低的容積流量運(yùn)行，汽輪機(jī)的葉片強(qiáng)度、流場、葉片動頻特性、動應(yīng)力等均會發(fā)生變化，必須對切除工況的葉片特性進(jìn)行安全性校核，明確切缸改造后葉片能否安全運(yùn)行，同時(shí)為切缸改造方案的參數(shù)選擇提供理論依據(jù)。低壓缸切除安全性校核內(nèi)容為：

(1) 低壓缸在小流量工況下通流部分流場校核，數(shù)值計(jì)算采用低壓缸整缸建模的方式(結(jié)果見圖1)，對包含7級葉片的低壓缸完整通流部分進(jìn)行計(jì)算。對小流量工況下脫流情況、末幾級長葉片鼓風(fēng)發(fā)熱進(jìn)行理論計(jì)算，對冷卻蒸汽流量、參數(shù)對低壓缸葉片的影響進(jìn)行計(jì)算分析。

圖1 流場校核計(jì)算

(2) 對低壓缸末兩級長葉片的強(qiáng)度、葉根槽強(qiáng)度在葉片溫度升高、鼓風(fēng)發(fā)熱等特殊工況下進(jìn)行計(jì)算分析，滿足強(qiáng)度要求。

(3) 低壓缸末兩級葉片在葉片溫度升高、鼓風(fēng)發(fā)熱等特殊工況下的動頻、動應(yīng)力的計(jì)算分析見圖2、圖3，其中動頻計(jì)算針對整圈自鎖葉片及輪系進(jìn)行分析。

圖2 長葉片動頻校核計(jì)算

圖3 長葉片動應(yīng)力校核計(jì)算

低壓缸切除安全性校核的計(jì)算結(jié)果表明：

(1) 低壓缸在小流量工況下，末兩級葉片會進(jìn)入鼓風(fēng)狀態(tài)，隨著低壓缸流量的減小，末級葉片的溫度逐漸升高，末三級葉片溫度最高值出現(xiàn)在末級靜葉片葉頂出汽邊附近。

(2) 通入冷卻蒸汽的流量必須在合理的范圍內(nèi)才能抑制鼓風(fēng)發(fā)熱量，保證末幾級長葉片溫度控制在一定范圍內(nèi)。

(3) 汽輪機(jī)末級葉片溫度控制在80 ℃以內(nèi)、次末級葉片溫度控制在150 ℃以內(nèi)，長葉片的強(qiáng)度、動頻、動應(yīng)力等均能控制在設(shè)計(jì)規(guī)范許可范圍內(nèi)，可長期安全運(yùn)行。

2 工程實(shí)施方案

2.1 連通管改造

機(jī)組原供熱方式為中低壓連通管打孔抽汽，在中壓缸出口設(shè)置供熱蝶閥采用可調(diào)方式對外供熱。該供熱蝶閥為電動閥，采用常規(guī)的單偏心中心密封，閥門具有機(jī)械限位，閥門關(guān)死對應(yīng)15%閥門開度，保證任何工況下低壓缸進(jìn)汽量大于機(jī)組額定進(jìn)汽量的20%。

改造中對中排出口蝶閥進(jìn)行更換，更換的蝶閥采用液動三偏心金屬密封蝶閥，閥門關(guān)閉能夠達(dá)到六級泄漏要求，閥門具備調(diào)節(jié)功能和快關(guān)功能。同時(shí)在B低壓缸入口增加單切B低壓缸的控制蝶閥，該蝶閥同樣采用具備調(diào)節(jié)性能的液動三偏心金屬密封蝶閥。

改造后的連通管示意圖見圖4。

圖4 連通管改造示意圖

連通管整體抬高，連通管與蝶閥及缸口之間增加法蘭短接，短接上開口用于冷卻蒸汽旁路接入低壓缸；法蘭連接的連通管便于安裝檢修及調(diào)整等。

2.2 旁路冷卻蒸汽系統(tǒng)改造

在低壓缸切除工況下中壓缸的絕大部分排汽去供熱，但仍然須要通入少量的冷卻蒸汽帶走低壓缸的鼓風(fēng)發(fā)熱量，冷卻蒸汽量控制在汽輪機(jī)額定流量的5%以內(nèi)。采用原有的中低壓連通管通入冷卻蒸汽，因蝶閥口徑(DN1400)很大，要控制流量在如此小的范圍內(nèi)，閥門前后壓差很大，目前市場上的蝶閥無法滿足要求。改造采用旁路冷卻的方式，即原有的連通管蝶閥關(guān)死，連通管不進(jìn)汽，中排出口開口采用小管路將少量中壓缸排汽通入低壓缸，用以帶走低壓缸鼓風(fēng)發(fā)熱的熱量。冷卻蒸汽汽源取自中壓缸排汽的供熱抽汽管道，接入點(diǎn)為中低壓缸連通管低壓缸入口垂直管段。

改造后旁路冷卻蒸汽系統(tǒng)見圖5。

P—壓力；T—溫度信號；M—電動閥

為提高冷卻效果、控制末級的排汽溫度，采用帶減溫的旁路冷卻蒸汽方案，即采用減溫裝置對中壓缸排汽進(jìn)行冷卻后通入低壓缸，同時(shí)增加汽水分離裝置，避免低壓缸冷卻蒸汽出現(xiàn)水滴造成水蝕影響。旁路管路上增設(shè)調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)及壓力、溫度測點(diǎn)等， 用于對冷卻蒸汽流量的精確控制和監(jiān)視。

2.3 汽輪機(jī)本體改造

汽輪機(jī)本體改造的主要目的是增加相關(guān)的監(jiān)視測點(diǎn)和調(diào)整手段，監(jiān)視和減緩低壓缸尤其是長葉片區(qū)域的鼓風(fēng)發(fā)熱情況，避免在切缸工況下對汽輪機(jī)本體造成損壞，主要包括：

(1) 增加末兩級長葉片健康監(jiān)視系統(tǒng)，對低壓缸長葉片的鼓風(fēng)發(fā)熱進(jìn)行監(jiān)視，根據(jù)葉片溫度情況進(jìn)行切缸運(yùn)行參數(shù)的調(diào)試，保證長葉片溫度控制在合理范圍內(nèi)。葉片健康監(jiān)視系統(tǒng)的布置見圖6，次末級監(jiān)測點(diǎn)放在第6級靠近靜葉出汽邊葉頂?shù)膬?nèi)缸上，末級動葉的測點(diǎn)放在動葉出口的外排汽導(dǎo)流環(huán)上布置溫度測點(diǎn)，所有測點(diǎn)均布置在汽輪機(jī)下半缸，每個(gè)排汽口布置4個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)16個(gè)。溫度測點(diǎn)采用Pt100微型熱電阻，測溫探頭頭部直徑為6 mm，測點(diǎn)的引線見圖6，采用在內(nèi)缸內(nèi)表面打孔的方式固定并引出至內(nèi)缸外，所有測點(diǎn)沿內(nèi)缸外壁面匯總在同一位置后在外缸開孔引至缸外。

圖6 葉片健康監(jiān)視系統(tǒng)

(2) 為減少低壓缸末級葉片的鼓風(fēng)發(fā)熱情況，通過低壓缸末級的噴水來給通流部分降溫，并帶走鼓風(fēng)發(fā)熱產(chǎn)生的熱量。為了避免噴水造成的水蝕影響，更換霧化效果更好的噴嘴，減小噴水液滴的直徑，同時(shí)調(diào)整噴嘴布置和角度，避免大量噴水直接卷入長葉片區(qū)域，提高噴水降溫效果。在噴水管路上增加調(diào)節(jié)閥和流量測點(diǎn)，根據(jù)長葉片的溫度變化調(diào)節(jié)噴水流量，優(yōu)化噴水控制邏輯。低壓缸末級噴水系統(tǒng)改造見圖7。

圖7 低壓缸末級噴水系統(tǒng)改造

2.4 控制系統(tǒng)改造

控制系統(tǒng)的改造包括：

(1) 增加控制相關(guān)測點(diǎn)及增加測點(diǎn)的控制優(yōu)化。

(2) 對汽輪機(jī)數(shù)字電液控制(DEH)系統(tǒng)改造，包括本體保護(hù)邏輯優(yōu)化、中排供熱邏輯優(yōu)化、旁路冷卻蒸汽系統(tǒng)控制、低壓缸噴水系統(tǒng)邏輯優(yōu)化。

(3) 對分布式控制系統(tǒng)(DCS)改造，包括疏水系統(tǒng)控制優(yōu)化、凝結(jié)水系統(tǒng)控制優(yōu)化、熱網(wǎng)首站控制優(yōu)化。

改造后的控制系統(tǒng)滿足了機(jī)組在切缸工況和原抽汽工況相互切換的控制要求，兼容兩種供熱模式。

3 改造后運(yùn)行效果

低壓缸切缸供熱改造后，除少量蒸汽用于低壓缸的冷卻外，其余中壓缸排汽均去供熱。單個(gè)低壓缸的冷卻蒸汽質(zhì)量流量按30 t/h計(jì)算，低壓缸全切工況的冷卻蒸汽質(zhì)量流量為60 t/h。

表1計(jì)算了典型負(fù)荷切缸改造前后機(jī)組供熱能力的變化，因切缸之后機(jī)組的發(fā)電能力發(fā)生較大變化，這里的額定負(fù)荷是指與鍋爐額定蒸發(fā)量與熱耗率驗(yàn)收(THA)工況對應(yīng)的負(fù)荷。

表1 切雙缸前后機(jī)組運(yùn)行參數(shù)變化

從表1可以看出：改造前后供熱抽汽質(zhì)量流量均隨主蒸汽質(zhì)量流量增加，隨機(jī)組負(fù)荷降低供熱蒸汽質(zhì)量流量增加部分增大，機(jī)組在30%額定負(fù)荷時(shí)能夠增加供熱蒸汽質(zhì)量流量296.4 t/h。采用低壓缸切除方式進(jìn)行供熱，機(jī)組調(diào)峰的能力大幅度提高，供熱蒸汽質(zhì)量流量相同的情況下機(jī)組負(fù)荷可以進(jìn)一步降低。在相同供熱蒸汽質(zhì)量流量條件下，低壓缸零出力供熱改造前后，隨著供熱蒸汽質(zhì)量流量的增加，機(jī)組發(fā)電功率逐漸增大，且低壓缸零出力供熱改造后可使汽輪機(jī)發(fā)電功率降低67～133 MW；切缸改造后低壓缸排汽質(zhì)量流量大幅度減少，冷源損失隨之減少，機(jī)組發(fā)電煤耗大幅度降低，切缸改造后可使汽輪機(jī)的熱耗率降低800～900 kJ/(kW·h)，對應(yīng)發(fā)電煤耗降低量為35～48 g/(kW·h)。

圖8、圖9為切雙缸、切單缸前后低壓缸監(jiān)視參數(shù)的變化。低壓缸在切缸狀態(tài)下的振動、差脹變化很小，僅在切雙缸狀態(tài)下6號軸振略增加，其他軸振、差脹等幾乎沒有變化。

圖8 切雙缸前后低壓缸監(jiān)視參數(shù)變化

圖9 切單缸前后低壓缸監(jiān)視參數(shù)變化

4 結(jié)語

采用低壓缸切缸技術(shù)實(shí)施改造，通入少量的冷卻蒸汽系統(tǒng)，汽輪機(jī)本體、控制系統(tǒng)等進(jìn)行相應(yīng)改造，汽輪機(jī)可以在低壓缸切除狀態(tài)下長期安全運(yùn)行。該改造能大幅提升機(jī)組的調(diào)峰能力和供熱能力，是實(shí)現(xiàn)機(jī)組熱電解耦的合適方案。改造的成功實(shí)施將會給行業(yè)內(nèi)同類型機(jī)組在深度供熱和靈活性調(diào)峰改造工程上提供技術(shù)參考，并起到積極的示范作用。