125 MW抽汽凝汽式機組改造為背壓機組的可行性分析

李強華

(河北華電石家莊熱電有限公司，石家莊 050041)

國家對一次能源消耗的經濟效益要求和減排要求的提高，在不同階段對火電設備生產廠家的火力發電設備提出了不同的政策規定和要求。汽輪機組的改造是火電設備生產廠家具有中國特色的一項工作，由于政策上和機組結構上的原因，目前100 MW以上的汽輪機組的供熱改造僅停留在聯通管上打孔抽汽的方式。這樣的改造限制了供熱壓力的需求，難以滿足熱力市場的需求。

1 機組概況

某電廠機組是2004年生產的NC125-8.83/0.883型高壓沖動、雙缸、單軸、兩排汽，具有一級調整抽汽的抽汽凝汽式汽輪機組，額定抽汽量100 t/h。汽輪機高壓部分級數為1單列調節級+11個壓力級+1調節級+3個壓力級，低壓部分級數為2×5壓力級。該機組2005年安裝投運，目前，該機組作為“上大壓下”替代機組即將關停。為了緩解區域供熱緊張局面，提高供熱能力，計劃對該機組實施背壓改造，擬通過保留汽輪機原有高、中壓部分不動，拆除低壓通流部分和凝汽器，改造低壓轉子，將其改造為背壓機組(設計改造背壓排汽壓力0.2 MPa)，并配套建設廠內熱網及熱網首站。

2 汽輪機改造方案

2.1 改造原則

改造后的機組應滿足電廠的基本要求，發電廠對該機組提出的改造原則如下：

a. 保證改造后機組的共振頻率遠離機組的運行轉速，軸向推力在許可的范圍內和熱膨脹在原機組設計范圍內，這是汽輪機改造的關鍵問題。

b. 尊重原機組設計的基本數據。由于機組的改造牽扯到機組的結構變化，必定影響到機組運行參數的變化。因此，在改造機組設計時，盡可能保證結構的變化導致原機組運行參數的變化最小。

c. 分缸壓力基本不變。

2.2 改造方案的比較

方案一：由于該機組設計背壓供熱壓力為0.20 MPa，此壓力正好在原機組16級后的高中壓缸至低壓缸的連通管處，因此在此處斷開，用二根φ900 mm排汽管將汽輪機背壓排汽引出至供熱站供熱。低壓汽缸停用，低壓汽缸內的轉子僅作力矩傳遞用。

方案二：在第一方案的基礎上，改造高中壓汽缸的通流尺寸，提高中壓缸的通流能力，以滿足到機組改造后最大進汽量條件下純背壓運行的改造要求，最大程度提高機組供熱能力。

2.2.1 中壓汽缸通流改造

中壓汽缸通流改造與否的參數比較，見表1。

表1 中壓汽缸通流改造與否的參數比較

項 目方案一(不改造)方案二(改造)進汽量/(t·h-1)330417進汽溫度/℃535535進汽焓/(kJ·kg-1)3 4703 470進汽壓力/MPa8.838.83排汽量/(t·h-1)277.46330.43排汽溫度/℃128120排汽焓/(kJ·kg-1)2 732.82 710.1排汽壓力/MPa0.20.2發電汽耗/(kg·kWh-1)5.3655.275發電熱耗/(kJ·kWh-1)3 810.33 782.8發電量/kWh65 343.781 080.6

采用通流改造方案，機組發電、供熱能力、機組效率均有提高；在技術可靠性方面，隨著計算機技術的發展和設計理論的更新，汽輪機通流部分三元流氣動設計、葉片動強度設計及有限元分析方法等已被廣泛運用，通流部分改造技術成熟，對汽輪機的固有頻率和軸系推力的影響有限，只是改造周期要延長一些。

2.2.2 低壓轉子軸系改造

低壓轉子改造采用原軸方案：除去原低壓轉子上的葉片、葉輪，并重新加以配重，使改造后的軸與原低壓轉子具有同樣的質量和質量分配。軸兩端連接高中壓缸的轉子與發電機轉子。該方案利用了原機組低壓轉子的軸、聯軸器等元件，由汽輪機廠拖回后拔出葉輪并加裝配重塊做動平衡。

低壓轉子改造采用新軸方案：重新設計和加工一根新軸，使該軸與原低壓轉子具有同樣的連接結構、質量和質量分配。軸兩端連接高中壓缸的轉子與發電機轉子。低壓轉子采用新軸和原軸情況的比較見表2。

表2 低壓轉子采用新軸和原軸的比較

項目新軸原軸結構形式完全相同完全相同質量/t1818傳動軸最小截面(力矩)/mm342342最大傳遞功率/MW80.782 6280.782 62一階臨界轉速/(r·min-1)1 8111 811使用壽命25年設計壽命計算按本機剩余使用壽命計算費用/萬元100 0工期合同簽訂后4個月合同簽訂后2個月增加工序拔除原軸所有的葉輪、聯接法蘭

2.3 改造方案的確定

原機組高中壓汽缸后最大傳遞功率為93.494 2 MW，改造后為81.682 62 MW,改造后機組的高中壓汽缸后最大傳遞功率小于原機組高中壓汽缸最大傳遞功率。因此，采用與原機組相同結構的傳動系統(軸和聯軸器等)是完全可行的。如使用原軸，可節省約100萬元的初投資，并可縮短供貨周期，因此推薦在原低壓轉子的基礎上進行改造。通過以上方案的論證與分析，為最大程度提高機組的供熱能力，最終確認使用低壓轉子原軸、對中壓汽缸進行通流改造的方案，即方案二。

2.4 改造方案的內容

2.4.1 熱力計算

該機組改造的熱力計算，按保留回熱系統的一個低壓加熱器的要求進行，熱力計算結果見表3。

表3 熱力計算結果

參數額定進汽額定背壓高背壓進汽量/(t·h-1)424424進汽溫度/℃535535進汽焓/(kJ·kg-1)3 4753 475進汽壓力/MPa8.838.83背壓排汽量/(t·h-1)332.59340.77背壓排汽溫度/℃132155.4背壓排汽焓/(kJ·kg-1)2 710.12 772.1背壓排汽壓力/MPa0.20.299 8發電汽耗/(kg·kWh-1)5.2955.704發電熱耗/(kJ·kWh-1)3 789.83 796發電量/kWh80 080.674 336.8

2.4.2 汽輪機本體

a. 斷開在原機組16級后的高中壓缸至低壓缸的連通管處，用2根φ900 mm排汽管引出至供熱站供熱。拆除低壓內缸，拆除低壓轉子上的動葉片，改造后的低壓轉子僅用于傳遞力矩。

b. 改造中壓汽缸的通流部分，使之滿足原機組最大進汽條件下純背壓運行的要求。

c. 更換高中壓汽缸的后三級隔板、葉輪葉片。

d. 低壓轉子兩端分別連接高中壓缸的轉子與發電機轉子。

e. 高、低壓轉子返廠加工改造完成后，必須進行靜、動平衡工序，保證新轉子達到出廠標準要求。

f. 重新計算、校核低壓轉子和整個軸系，保證改造后機組軸系和軸瓦的達到出廠標準和有關規范要求。

g. 旋轉隔板設定為全開并鎖定。

h. 重新設計和校核汽封系統和回熱系統等。

i. DEH和DCS系統將根據背壓機的要求進行改造和重新設定。

j. 校核和調整機組的頂軸油和潤滑油壓力。

2.4.3 汽輪機輔助系統

a. 軸封系統：改造實施后，汽封自平衡消失，進入汽封冷卻器的蒸汽量增大。擬將原冷卻器更換為面積更大的汽封冷卻器。原低壓缸軸封供汽和軸封漏汽管道、閥門和附件擬全部拆除。

b. 回熱系統：目前有低壓加熱器全部拆除和拆除1、2、3號低壓加熱器并保留4號低壓加熱器兩種方案。保留4號低壓加熱器可以起到對化學除鹽水補水或熱網加熱器疏水進行預熱的作用，可降低機組發電熱耗，提高機組運行經濟性。因此，擬采用拆除1、2、3號低壓加熱器并保留4號低壓加熱器的回熱系統配置方案。

c. 低壓缸輔助系統：拆除凝汽器，封堵原低壓汽缸的進、排汽口，同時監測低壓汽缸內的溫度，缸內通空氣冷卻，杜絕因軸承標高的變化可能引起的軸系振動。

d. 汽輪機背壓排汽管路：汽輪機背壓排汽管路接自從原機組中壓缸排汽聯通管接口，并在接口附近增設波紋補償器。從汽缸排汽接口引出的兩根支管在基座范圍內合并為一根排汽母管，在排汽母管上加裝蝶閥及操縱裝置，保證供熱蒸汽壓力的穩定。另外在排汽管道上加裝逆止閥、安全閥、速關閥、排空管路及閥門等。

3 改造后機組性能變化的情況及改造效益

該機組由抽汽凝汽式機組改為背壓式機組后，將只能在冬季采暖期運行，沒有冷端損失，機組熱效率將提高到83.6%。相對于新建熱水爐供熱，背壓機組能夠實現熱電聯產，實現能源的梯級利用，符合國家的節能減排政策。機組技術改造后，年均發電標煤耗率降至171 g/kWh，采暖期相對于熱電分產節省標煤約5.5萬t，污染物排放量減少45%，具有良好的節能降耗效益。

3.1 改造后機組的性能

3.1.1 中壓汽缸強度

改造后的中壓汽缸受力最大部位為12級級后處，該處最高溫度為280 ℃時，壓力為883.5 kPa。該值遠遠低于原汽缸使用材料(ZG230-450)在溫度為300 ℃時的屈服極限160 MPa和抗拉強度380 MPa。因此，通流改造后不會影響原汽缸的強度。

3.1.2 中壓轉子推力

高中壓汽缸通流部分改造后，由于改造后的各級壓力變化不大，受力面積因汽缸截面的限制，轉子軸向推力經過計算和校核在許可的范圍內。

3.1.3 低壓轉子推力

由于低壓轉子是對稱結構設計，改造后的低壓轉子也是對稱結構設計，因此改造后的低壓轉子在運行中軸向推力不會變化。

3.1.4 機組膨脹變化

高中壓汽缸的通流部分改造后，由于各級間溫度變化較小，因此不會影響汽缸和轉子的膨脹。改造后機組低壓缸部分溫度遠遠低于原汽缸的溫度，因此膨脹比原來小很多，運行狀況會比原機組要好。

3.2 改造效益

由于該機組承擔某市城區熱網采暖供熱，機組改造前，額定供熱能力為工業蒸汽100 t/h，可供采暖供熱面積145萬m2。隨著城市建設快速發展，熱源建設相對滯后，區域內供熱缺口巨大，嚴重影響城市工業和居民正常生產生活。機組改造為背壓供熱機組后，額定采暖排汽量將達到330 t/h，可供區域采暖供熱面積445萬m2，其中，替代原機組的汽網采暖面積約145萬m2(改造為水網供熱)，新增采暖供熱能力約300萬m2。進行設備改造后，將有效緩解該城區采暖供需矛盾緊張的局面，可取得良好的經濟效益和社會效益。

4 結束語

我國的火電生產廠家為了順應政策導向，以最小的代價，對已在使用的設備采用了技術改造措施，可延長已不能滿足政策要求的設備和電廠的壽命，使即將被關閉設備的生命得以延伸。但目前國內將125 MW抽汽凝汽式機組改造為背壓機組先例不多。該文以某125 MW抽汽凝汽式機組為例，通過對相關方案的技術經濟比較、綜合論證，提供了一個解決此問題的方法，并對改造的重點步驟、關鍵工序進行簡要介紹。通過分析改造后機組的性能變化情況及效益評價，認為使用低壓轉子原軸，采用中壓汽缸通流改造的方案將125 MW抽汽凝汽式機組改造為背壓機組具有可行性。對于那些不能滿足政策要求，符合改造條件的抽汽凝汽式機組可參考該文提出的方案進行改造。

參考文獻：

[1] DL 5011-1992，電力建設施工及驗收技術規范(汽輪機機組篇)[S].