660 MW超臨界直接空冷機(jī)組供熱改造可行性研究

王智剛

（河北國華定洲發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 保定 071003）

660 MW超臨界直接空冷機(jī)組供熱改造可行性研究

王智剛

（河北國華定洲發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 保定 071003）

隨著空氣質(zhì)量下降，國家對環(huán)保越來越重視。逐漸取消地方供熱小鍋爐，采用大型節(jié)能環(huán)保鍋爐或者由發(fā)電廠鍋爐進(jìn)行供熱已成為必然趨勢，其中熱電聯(lián)產(chǎn)是節(jié)能和環(huán)保的重要途徑之一。文中詳細(xì)說明660 MW超臨界直接空冷機(jī)組供熱改造前期可行性，重點闡述供熱改造難點、改造方案、抽汽控制以及空冷島防凍等，并對機(jī)組軸向推力進(jìn)行計算和校核，為同類型機(jī)組的供熱改造提供參考。

汽輪機(jī)；供熱改造；安全性

河北國華定洲發(fā)電有限責(zé)任公司二期機(jī)組為2 ×660 MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)組，于2009年投產(chǎn)并進(jìn)入商業(yè)運行，設(shè)計壽命為30年。為響應(yīng)國家節(jié)能減排相關(guān)政策，同時應(yīng)對目前火力發(fā)電企業(yè)發(fā)展要求以及地方冬季供熱需要，決定進(jìn)行供熱改造，替代原有的小型低效率供熱鍋爐，每年11月15日至次年3月15日以熱電聯(lián)產(chǎn)方式運行。汽輪機(jī)型號為CLZNK660－24.2／566／566，采用超臨界參數(shù)、一次中間再熱、雙缸雙排汽、單軸、直接空冷抽汽凝汽式，具體參數(shù)如表1所示。

1 機(jī)組供熱改造方式

a.降低汽輪機(jī)凝汽器的真空，提高低壓缸的排汽溫度，將凝汽器的循環(huán)水直接作為采暖用水為熱用戶供熱，實現(xiàn)汽輪機(jī)低真空循環(huán)水供暖［1］。

b.將汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子和汽缸全部更換，將凝汽式機(jī)組改為供熱式機(jī)組。

表1 汽輪機(jī)主要參數(shù)

c.利用壓力匹配器（蒸汽噴射壓縮器）將高于抽汽壓力和低于抽汽壓力的2種蒸汽進(jìn)行混合，以滿足供熱抽汽壓力的要求［2］。

d.由于凝汽式汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)布置和軸尺寸的限制，通常在汽缸上設(shè)有非調(diào)整抽汽口，利用抽汽加熱凝結(jié)水。采暖抽汽口采取對稱方式布置，以便使汽流在汽缸內(nèi)對稱流動。開孔尺寸根據(jù)抽汽參數(shù)、抽汽量和蒸汽流速確定。

e.對現(xiàn)有機(jī)組進(jìn)行改造，在汽輪機(jī)高、中壓缸或中、低壓導(dǎo)汽管上開孔抽汽（或更換中、低壓連通管），作為抽汽汽源［3］。

2 改造方案難點分析

a.廠房內(nèi)供熱系統(tǒng)的布置方式受機(jī)組結(jié)構(gòu)和抽汽參數(shù)限制，抽汽口只能布置在中、低壓連通管之間。連通管調(diào)節(jié)蝶閥位于中壓缸側(cè)，會給液壓傳動系統(tǒng)和抽汽管道布置帶來困難。因此，改造工作需根據(jù)現(xiàn)有場地情況來確定熱網(wǎng)站的設(shè)備選型及管路布置方式［4］。

b.機(jī)組甩負(fù)荷后的動態(tài)特性發(fā)生變化，安裝供汽管路后，改變了蒸汽系統(tǒng)的容積時間常數(shù)，機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性也相應(yīng)改變。因此，要求新設(shè)立的抽汽快速調(diào)節(jié)閥盡量靠近抽汽口布置，并設(shè)置開關(guān)調(diào)節(jié)閥門，降低機(jī)組甩負(fù)荷后超速的可能性。

c.機(jī)組運行經(jīng)濟(jì)性降低，連通管上安裝快開調(diào)節(jié)蝶閥后，存在一定壓損，會影響機(jī)組在凝汽工況下運行的經(jīng)濟(jì)性。

d.熱、電負(fù)荷的協(xié)調(diào)機(jī)組改造為供熱機(jī)組后，通常采用以熱定電的方式運行，運行中需考慮熱、電負(fù)荷間的協(xié)調(diào)問題。

e.汽輪機(jī)低壓缸的通流性能在滿足供熱要求的同時，必須考慮低壓缸長期低負(fù)荷下末級、次末級葉片在低流量系數(shù)下的安全性，并根據(jù)允許的流量系數(shù)來確定最大供汽量和最小冷卻流量。

3 機(jī)組改造方案確定與實施

3.1 汽輪機(jī)本體改造

通過對各種方案的經(jīng)濟(jì)性對比，決定更換中、低壓缸連通管，將中、低壓缸連通管水平段標(biāo)高提高900 mm，在垂直管段上安裝連通管抽汽壓力調(diào)節(jié)閥，如圖1所示。在連通管上的中壓缸上部立管處向外引出1根D900 mm×20 mm抽汽管道，作為供熱汽源，抽汽管道自連通管引出后依次加裝安全閥、逆止閥、調(diào)節(jié)抽汽閥（EV）、截止閥等設(shè)備，設(shè)備型號及數(shù)量如表2所示。供熱母管尺寸為D900 mm×20 mm，質(zhì)量為20 g，橫向安裝，并在供熱母管下方增設(shè)浮動支架（包括彈簧支架、立柱組件等）。

圖1 改造后的連通管示意圖

表2 供熱改造主機(jī)增加設(shè)備

3.2 抽汽系統(tǒng)控制策略

抽汽控制是通過調(diào)節(jié)連通管調(diào)節(jié)閥和抽汽調(diào)節(jié)閥來控制的，分為連通管壓力控制和抽汽壓力控制2部分。連通管壓力控制是通過調(diào)節(jié)連通管壓力調(diào)節(jié)閥的開度來控制中壓缸排汽壓力，在滿足抽汽壓力要求的同時，也保護(hù)中壓通流葉片的安全性；抽汽壓力控制是通過調(diào)節(jié)抽汽閥的開度來完成的。

中壓缸排汽一部分經(jīng)過連通管壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)入低壓缸，另一部分經(jīng)過抽汽閥和串聯(lián)的抽汽逆止閥進(jìn)入抽汽系統(tǒng)，中壓缸排汽壓力為P1，低壓缸進(jìn)口壓力為P2，抽汽系統(tǒng)進(jìn)口壓力為P3。用抽汽調(diào)節(jié)閥來控制抽汽系統(tǒng)的進(jìn)口壓力P3，使其等于設(shè)定值。為確保改造抽汽機(jī)組的安全穩(wěn)定性能，本機(jī)組采用雙閥調(diào)節(jié)模式，即在連通管及調(diào)整抽汽口上分別設(shè)有壓力調(diào)節(jié)閥。連通管壓力調(diào)節(jié)閥采用彈簧開啟、油壓關(guān)閉控制方式的優(yōu)質(zhì)蝶閥，并設(shè)有可調(diào)節(jié)的最小流量機(jī)械限位裝置，當(dāng)閥門關(guān)閉時，保證最小流量通過，確保運行穩(wěn)定性，抽汽閥門及管道布置如圖2所示。

圖2 抽汽管道布置示意圖

當(dāng)機(jī)組在純凝汽工況運行時，連通管壓力調(diào)節(jié)閥全開，抽汽調(diào)節(jié)閥全關(guān)，如要投入供熱工況運行，必須先判斷是否具備投入條件。當(dāng)該段壓力小于規(guī)定值時，若要投入抽汽，必須先投入連通管壓力控制，保證中壓缸排汽壓力不低于設(shè)定值，然后再投入抽汽壓力控制；如果該段壓力大于規(guī)定值時，仍須先投入連通管壓力調(diào)節(jié)閥控制，保證中壓缸排汽壓力不低于設(shè)定值，再投入抽汽管上的壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。投入抽汽工況，連通管壓力調(diào)節(jié)閥全開后，當(dāng)進(jìn)口壓力≤設(shè)定壓力時，抽汽閥不得再開，機(jī)組須加負(fù)荷后，方可再加大抽汽量。

3.3 抽汽工況下中壓末級、次末級動葉強(qiáng)度及安全性

電廠660 MW汽輪機(jī)在高壓調(diào)門全開（VWO）工況的最大出力達(dá)735 MW，說明汽輪機(jī)具有較強(qiáng)的通流能力。當(dāng)采取抽汽供熱時，將會導(dǎo)致汽輪機(jī)高、中壓缸蒸汽流量增加，同時低壓缸蒸汽流量相對減少。以弗留格爾公式為基礎(chǔ)，根據(jù)汽輪機(jī)高、中壓缸通流級段的流量變化狀況，對汽輪機(jī)高、中壓缸最末幾個壓力級承擔(dān)的蒸汽壓降、焓降進(jìn)行核算，得知均在安全范圍內(nèi)。

另外，經(jīng)過校核計算得出，汽輪機(jī)能夠承受的軸向推力等方面的變化，不需要任何改造，只需在機(jī)組運行期間加強(qiáng)對推力瓦塊的溫度監(jiān)視，中壓末級、次末級葉片為加強(qiáng)型設(shè)計，大大增加了葉片的抗彎模量，從而減小葉片蒸汽彎應(yīng)力，保證葉片的動強(qiáng)度要求［5－6］。同時采用承載能力較強(qiáng)的樅樹型葉根，以保證葉根和輪緣的強(qiáng)度。

3.4 冬季工況下低壓缸防凍措施實施

當(dāng)ACC系統(tǒng)裝設(shè)2列蒸汽隔離閥門，在環(huán)境溫度不低于－20.3℃，且機(jī)組啟動后系統(tǒng)的進(jìn)汽量在開機(jī)2 h內(nèi)達(dá)到467.5 t／h，即能確保凝汽管束不結(jié)凍。

3.5 機(jī)組軸向推力校核

該機(jī)組由單流高壓缸、單流中壓缸和雙流低壓缸組成。調(diào)節(jié)級為順流布置，與高壓缸汽流方向一致，低壓缸為雙分流布置，推力相互抵消，自然平衡。高、中壓缸軸封左右對稱，推力自然平衡。因此，推力平衡僅為高、中壓缸的推力及高、中、低壓平衡鼓之間的平衡，推力分布如圖3所示。

圖3 高、中壓轉(zhuǎn)子推力分布

汽輪機(jī)軸向推力由以下7個推力單元組成：

a.調(diào)節(jié)級推力

式中 A0——調(diào)節(jié)級面積，m2；

P0——調(diào)節(jié)級前壓力，Pa；

P1——調(diào)節(jié)級后壓力，Pa。

b.高壓平衡鼓推力

式中 A1——高壓平衡鼓面積，m2；

P12——高排壓力，Pa。

c.中壓平衡鼓推力

式中 A2——中壓平衡鼓面積，m2；

P21——中壓第1級噴嘴出口壓力，Pa。

d.低壓平衡鼓推力

式中 A3——低壓平衡鼓面積，m2；

P22——中排壓力，Pa。

e.高壓第1段軸封推力

式中 A4——高壓第1段軸封面積，m2；

Psg——軸封至汽封調(diào)節(jié)站壓力，Pa。

f.中壓第1段軸封推力

式中A5為中壓第1段軸封面積，m2。

g.通流部分推力

通流部分推力包括高壓缸通流部分推力FHP、中壓缸通流部分推力FIP和低壓缸通流部分推力FLP3個部分。

總推力：

推力計算結(jié)果如表3所示。

表3 推力計算結(jié)果

機(jī)組配用金斯伯里可傾瓦推力軸承，由計算結(jié)果可知，機(jī)組在抽汽工況下，軸向推力與軸承比壓均在允許范圍內(nèi)，滿足推力軸承安全性要求［7］。

4 結(jié)束語

660 MW超臨界直接空冷機(jī)組供熱改造技術(shù)上較為成熟，安全性也能夠得到保證，改造過程在運行中比較容易實現(xiàn)。在額定供熱工況下，供電煤耗可降低10 g／kWh，年可節(jié)約標(biāo)煤量超過6萬t，有效降低發(fā)電成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。逐漸取消地方供熱小鍋爐，會減少能源消耗，節(jié)省煤炭資源，提高能源利用率，同時，減少污染物排放量，提高城市環(huán)境質(zhì)量，為實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

［1］楊圣春.凝汽發(fā)電機(jī)組的供熱改造方法研究［J］.電力學(xué)報，2011，26（4）：357－360.

［2］曹桂娟.高、中壓供熱機(jī)組聯(lián)合循環(huán)技術(shù)特點及經(jīng)濟(jì)環(huán)境、效益分析［J］.東北電力技術(shù)，1999，20（11）：39－42.

［3］趙立軍.凝汽式汽輪機(jī)組的供熱改造［J］.節(jié)能技術(shù)，2001，19（2）：37－38.

［4］戴日俊，程海濤.300 MW直接空冷汽輪機(jī)組供熱改造［J］.內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2011，29（2）：35－37.

［5］鄧 楠，吳細(xì)毛，劉景春.800 MW汽輪機(jī)葉片斷裂原因分析［J］.東北電力技術(shù)，2010，31（5）：8－12.

［6］郭 力.汽輪機(jī)葉片—葉輪系統(tǒng)耦合振動研究［J］.東北電力技術(shù)，1998，19（12）：1－4，9.

［7］林閩城.300 MW直接空冷汽輪機(jī)組供熱改造［J］.浙江電力，2010，42（3）：40－43.

Feasibility Study on Heating Transformation of 660 MW Supercritical Direct Air Cooling Unit

WANG Zhi?gang
（Hebei Guohua Dingzhou Power Co.，Ltd.，Baoding，Hebei 071003，China）

With the air quality deteriorated，more and more attention is paid to environmental protection in our country.Small heating boilers are canceled，while large energy conservation and environmental protection boiler heating are applied，it becomes an inevitable trend.Cogeneration is one of the most important ways of energy saving.This paper discusses the prefeasibility study of the heating transformation of 660 MW supercritical direct air cooled unit in detail，F(xiàn)ocus on the difficulties，retrofit scheme，steam and air cool?ing antifreeze，and calculation and verification of unit axial thrust，reasonable suggestions are put forward，it provides some references for the same type of heating transformation.

Steam turbine；Heating transformation；Safety

TM621

A

1004－7913（2015）12－0020－03

王智剛（1982—），男，碩士，工程師，主要從事汽輪機(jī)檢修管理工作。

2015－05－04）