200 MW間接空冷機組供熱改造優化設計

肖慧杰 張雪松

與現代大型600MW，1000MW機組相比，帶基本負荷的 200MW凝汽式汽輪發電機組技術經濟指標差、煤耗高、效率低、投運時間長，越來越不符合目前國家節能減排的能源政策，需要逐步關停或進行技術改造來適應當前的發展形勢。在條件具備的電廠實現熱電聯產是節約能源、保護環境、降低投資的有效措施之一。

1 工程概況

華電卓資電廠 4×200MW空冷機組工程位于內蒙古烏蘭察布盟，汽輪機為間接空冷、凝汽式、三缸雙排汽，由東方汽輪機廠制造。根據城市總體規劃、供熱規劃及熱電聯產規劃，對 3號，4號機組進行供熱改造，滿足 3.6×106m2供熱需求。

2 汽輪機供熱改造技術方案

在汽輪機每個中、低壓缸聯通管上打孔抽汽，聯通管上增加蝶閥，適當調整抽汽壓力，鍋爐、發電機等部件原則上不改動，此方案機組改動不大，改造投資少，見效快，技術方案安全[1]。

供熱面積按照 3.6×106m2設計，供熱綜合熱指標按 57W/m2設計，額定供熱抽汽量定為 150 t/h，最大供熱抽汽量定為 200 t/h，對應的抽汽壓力為 0.30MPa左右，抽汽溫度為 253.5℃，考慮汽輪機在低電負荷下供熱的可能，最低的抽汽飽和溫度定為 119℃，對應的抽汽壓力為 0.196MPa[2]。改造后熱、電聯產供熱機組，滿足現行的國際、國家和電力行業標準、規程、規范，設計方案能保證改造后機組在凝汽和抽汽供熱各工況下的運行安全。

2.1 供熱改造內容

更換帶有抽汽口的中低壓聯通管，在中低壓聯通管上增設供熱蝶閥(包括液動驅動機構等)和安全閥，增加供熱抽汽管路(熱網蒸汽管道)。抽汽管道從汽輪機 15.700 m聯通管接出至11.300m，在11.300m彎頭處設彎頭固定支架，分割汽機本體與抽汽管路的相互作用，為汽機本體與抽汽管道應力分析設定界限。汽機本體部分通過裝設彎管、直管壓力自平衡型膨脹節補償軸向熱膨脹值及少量角位移，以保障汽輪機本體運行安全，熱網蒸汽管道增設逆止閥、液動快關閥以及電動隔斷閥(帶中停蝶閥)等滿足供熱工況運行的要求。

2.2 供熱改造后機組安全運行建議措施

1)改造后增加了抽汽管道，在汽輪機組甩負荷時，將產生殘留在抽汽管道內的抽汽，機組“有害容積”增加，汽輪機組可能出現轉速飛升[3]。為機組運行安全起見，建議在抽汽管道上增設抽汽逆止門及安全閥。2)機組進行供熱改造時，增設的抽汽管道、執行機構等，在具體布置時，應結合電廠實際情況妥善考慮，盡量不影響機組的正常檢修，不影響機組的正常運行，或留下事故隱患，危及機組運行安全。3)機組供熱后，需補充提供供熱工況監視參數限制值。4)實際供熱時最大抽汽量不允許超過設計值，同時要求有最低投供熱電負荷，以避免產生零推力或負向推力，確保抽汽管道安全，避免影響機組運行安全。

3 熱網蒸汽管道

1)熱網蒸汽管道敷設。熱網加熱站與主廠房擴建端貼建，與主廠房 A列平行走向的熱網蒸汽管道選擇毗間頂布置，利用已有資源，減少廠區空間占用，節省耗材。主廠房內，熱網蒸汽管道從11.300m橫穿汽機房運轉層至A列，為保障A列前步道正常通行，提至 15.880m穿 A列墻至主廠房毗間頂(毗間頂標高 14.600m)。熱網蒸汽管道毗間頂布置行至主廠房[34]軸(毗間側墻)，沿毗間側墻垂直降至 5 m布置，既節約支墩耗材，又保障地面順暢通行。管道平行熱網加熱站?軸敷設 15m后，至②軸前入熱網加熱站。3號機組熱網蒸汽管道在毗間頂(從[22]軸 ～[34]軸)沿 A列方向管線(中心標高 15.880m)總長 95m，最大軸向熱膨脹值約為 300mm，為使設計更經濟耐用，應減少補償器在管道中的使用，故毗間頂管線中點部位([28]軸線)設置“U”形彎，管道自補償滿足。

熱網站內，管道、設備區為兩層，即 0.000m，7.000m層，加熱器布置在 7.000m層，中心標高 8.500m，值班室、會議室等也在此層。鑒于以往工程大管道低標高布置，人通行時壓抑感、擁堵感強烈，支吊架顯巨、突兀，本加熱站內大管道如熱網蒸汽管道、供回水管道等都貼 7.000m層梁底布置，中心標高 5m。常規兩機熱網蒸汽母管聯絡管布置形式是從 5.000m層熱網母管垂直向上引至 7.000m層上，致使兩加熱器間通道阻斷，閥門布置擁擠。考慮加熱站 7.000m層人員集中，聯絡管移至加熱站?軸側墻，與熱網加熱器最外層輪廓線不交叉，避免影響加熱器抽殼檢修。5.000m母管引出聯絡管貼 7.000 m層樓板下布置，土建7.000m層梁須避開聯絡管軸線設置，7.000 m層上下均消除障礙，視覺上更加簡潔通暢。主廠房內 11.300m標高閥門集中，荷載大，又在島式汽機大平臺外，故需土建在 10.000m層增設荷載支撐，同時增設閥門檢修維護平臺，平臺從基座通至汽機房10.000m層 A列布道。加熱站內閥門統一采用蝶閥，它尺寸最小，可實現流量調節。但常規蝶閥為單向流動[4]，聯絡管蝶閥中介質為雙向流動，需特別注明雙向流動要求。

2)熱網蒸汽管道支吊架規劃。為滿足汽機本體應力分析界限處固定點與熱網加熱器設備接口推力(力矩)要求，長管線方向(主廠房擴建端至固定端方向)考慮設置隔斷措施，位置擇優結果:在 3號，4號機組熱網蒸汽管道出主廠房A列處與熱網加熱站③軸處分別設置 2號，3號徑向限位裝置，見圖 1，圖 2，消除大力臂對設備端口、固定點的不利作用。主廠房 3號機組熱網蒸汽管道管線長，有 2個大“U”形布置，應對 Y向熱膨脹值合理約束，分別設置 4號徑向限位支架、7號軸向限位支架。

熱網蒸汽管道布置共有三個標高，主廠房內 11.300m～15.880m熱膨脹值約 14 mm，15.880m上為 2號徑向限位裝置，距荷載支撐點較遠，不采用彈性支撐。廠區 5.000m～15.880m熱膨脹值約 34mm，必須在編號為 5號或 6號的支架處設置彈簧吸收熱位移，其余可設置為剛性支架(主廠房內、廠區)、剛性雙拉桿吊架(加熱站內)，加熱站內支管熱膨脹值均向上。5號若為彈簧支架，毗間頂總長95m的管線中心標高均需提高一個彈簧高度，整個毗間頂土建支墩都隨之提高，耗材量增大，故規定 6號為彈簧支架，5號為滑動支架。綜上，熱網蒸汽母管(規格 φ1 020×11)約 250m(3號機組母管長度)管線上僅 6號為彈簧形式。在熱網加熱站 7.000m層，熱網蒸汽支管依次設置彈性支架、電動蝶閥。

管系綜合分析及管道支撐統籌規劃設計，管道及支撐簡捷，工程耗材量低，避免直接程序計算，支吊架形式分配盲目，受不當形式牽連，剛性、彈性形式分布散亂。以上分析經 GLIF應力分析軟件計算校驗，在各種工況下，管道應力均在允許范圍內，滿足管道所連設備對接口的推力(力矩)的限制要求，管系穩定可靠。

3)支吊架設計。對于高空布置的廠區管道，耗材量大;不能充分利用軸向平行大管道聯合支墩空間;滑動支架采用的聚四氟乙烯板大板，蠕變率高，易錯位失效。長期運行，由于管道熱膨脹、蠕變等因素，管部有從支墩滑脫而出現懸空的現象。基于管道支架管部以上弊端，本次支架設計參考麥思達石化《復合 PTFT自潤滑滑動支座》中管部及其滑動摩擦副的設計思路。管部支架下基板為長方形，徑向尺寸略小于管道直徑，防止徑向熱位移、蠕變等因素導致管部懸空，利于聯合支墩設計，軸向尺寸小(φ1 020mm×11mm下基板軸線尺寸 A=200mm，徑向尺寸 B=870mm)，鋼支墩即可滿足要求，節省土建耗材量，經濟美觀。管部上基板軸向、徑向尺寸均可依據管道熱位移值加長、加寬。運行時，管部在固定的下基板(滑動摩擦副)上滑動，釋放熱位移，即增加管部尺寸取代了增加土建支墩尺寸，節省投資，經濟美觀。采用滑動摩擦副替代聚四氟乙烯板大板。滑動摩擦副的下基板采用嵌入的多個小直徑的填充聚四氟乙烯板復合夾層板片，其承壓強度大于 60MPa，上基板(管部支架底板)為不銹鋼。填充聚四氟乙烯板復合夾層板片與不銹鋼板干滑摩擦系數不大于 0.05，無論在有油無油、有水無水、有粉塵嵌入或泥沙混雜的情況下，均能在極低的摩擦系數下運行[4]，對于并行布置的管道支架，采用聯合支墩。聯合支架不同底標高時應采用較低值為土建支墩設計頂標高，對于彈簧支架，亦可給定荷載、給定彈簧號使兩支架底標高相同。土建支墩與管道軸線保持相同坡度，便于管道帶坡度安裝，減少支墩上積水、積沙。

4 結語

通過內蒙古卓資發電有限公司 4×200MW凝汽式汽輪發電機組供熱改造，對于此類項目汽輪機改造提出了從汽輪機中低壓聯通管增加抽汽管路的設計方案;對于管道設計，提出利用原有資源自補償敷設、管系統籌規劃荷載支撐的設計思路;對于廠區支架設計，針對典型管部長期運行中出現的管部懸空、聚四氟乙烯大板滑脫失效等問題，采用了新型管部、新型滑動摩擦副化解此難題，為同類機型供熱改造提供優化設計策略，值得推廣。

[1] 楊 雁，葉東平.200、300MW純凝機組改造供熱機組的分析研究[J].熱機技術，2009(3):23-42.

[2] DL/T 5000-2000，火力發電廠設計技術規定[S].

[3] 吳季蘭.汽輪機設備及系統[M].北京:中國電力出版社，2004.

[4] 陸培文，孫曉霞，楊炯良.閥門選用手冊[M].北京:機械工業出版社，2001.