光軸和切缸改造技術在供熱機組的應用

奚守譜

（華電能源股份有限公司富拉爾基發電廠，黑龍江齊齊哈爾 161041）

0 引言

隨著區域范圍內供熱面積的不斷增大，通過新建電廠滿足供熱要求，不僅增加了電廠的投資，也是對環境保護的一個考驗。因此在現有設備上對汽輪機進行技術改造，以提高機組的供熱能力，參與深度調峰，既滿足供熱需要，又為企業創造效益。

華電能源股份公司富拉爾基發電廠（以下簡稱“富發電廠”）有6臺200 MW燃煤機組，總裝機容量1200 MW，分別于1982年至1989年投產。3大主機均為20世紀80年代產品，其中汽輪機為沖動式3缸3排汽凝汽式汽輪機。2016年，富發電廠完成對廠內4#，5#，6#機組的供熱改造（其中4#機組光軸抽汽改造，5#，6#機組打孔抽汽改造）。改造后，富發電廠承擔富拉爾基區供熱面積約200萬m2，并為富熱電廠提供400萬m2熱負荷的備用熱源[1]。

本項目是在富拉爾基區供熱工程的基礎上進行的，擬對富發電廠1#機組進行光軸抽汽供熱改造，對2#，3#號機組進行背壓機升級改造，對已改的5#，6#打孔抽汽機組進行切缸供熱改造。項目投產后富發電廠將實現對齊齊哈爾市中心城區供熱，承擔的供熱面積為2000萬m2。因此，項目投產后富發電廠總承擔的供熱面積為2200萬m2。

1 機組改造技術分析

根據廠內機組實際運行情況，結合國內外供熱改造新技術，對機組改造方案進行優化。

1.1 背壓改造機組從5#和6#機組變為2#和3#機組

2#和3#機組在1983—1984年投產，是哈汽廠最早一批34型200 MW機組，工藝水平相對落后，服役時間已超過30 a，從富發廠近年運行情況來看，發電效率較低，夏季運行時間較短。改為背壓后，機組只在采暖期運行，能有效提高機組效率。5#和6#機組在1988—1989年投產，屬于優化后的55型200 MW機組，較34型機組發電效率高，夏季運行時間長。調整為光軸/切缸，機組能夠在冬夏季進行供熱/純凝切換，保障了發電廠的經營利潤。因此綜合來看，將2#和3#機組改造為背壓機更為安全經濟。

具體方案：2#和3#機組重新設計中壓缸中部，上部抽汽口為2個DN900 mm抽汽口，將2根DN900 mm管道連接到一根DN1400 mm的抽汽管道，在抽汽管道設置安全閥、調節閥、快關閥、逆止閥等；下部變為一個DN900 mm的抽汽口，蒸汽由DN900 mm管道引出，并設置安全閥、調節閥、快關閥、逆止閥等。

此外，2#和3#機組末級葉片為彎制拱型圍帶鉚釘連接結構，安全性較差，借改造機會拆除低壓部分葉片，有助于提高機組安全性。

1.2 將光軸改造技術更換為切缸改造技術

功率改造是近年新開發的機組供熱改造技術，一次性對機組低壓缸葉片及中低壓缸連通管（包含閥門）及進行改造。冬季供暖時，通過關閉蝶閥切斷通往2#和3#低壓缸蒸汽，直接從連通管抽出去供熱，對低壓缸僅通入約10 t/h的冷卻蒸汽；夏季時蝶閥開啟，恢復至純凝機組狀態，靈活性較高，在國外已有成功運行案例。

在1.1的方案基礎上，將5#和6#機組由光軸改造優化為切缸改造（1#機組同時改為切缸作為供熱備用），可減少每年2次的機組低壓缸換軸工作，同時可在冬季調節機組靈活性，適應電網/熱網的調峰需求。

切缸機組1#低壓缸流量還有150 t/h左右，冷源損失可觀，但對于目前以及近3 a供熱負荷的需求，暫時不需要回收此部分冷源損失。如果日后供熱負荷增加，可考慮回收此部分冷源損失。

1.3 將1#機組由打孔抽汽改造機組調整為光軸改造抽汽機組

原有1#機組打孔改造后，供熱能力未能完全釋放，但光軸改造后，能大幅提高全廠供熱能力。

經過此次方案優化后，富發電廠最終形成“2光軸+2背壓+2切缸”的全廠機組格局。

2 光軸改造與切缸技術應用

機組改造方案優化后，擬采用技術成熟的全背壓升級技術和光軸抽汽技術以及切缸技術的組合方案對機組供熱改造。

本項目光軸抽汽方案是將機組的2#低壓缸內的雙分流的全部通流拆除，更換成光軸，并改造連通管，成為供熱機組。富發電廠2016年供熱改造工程4#機組采用光抽抽汽模式，現已在建設中。

2.1 光軸改造

新設計中壓轉子保留原中壓部分通流，低壓部分轉子為無葉片光軸轉子，只起到傳遞扭矩的作用。新設計中壓轉子的低壓5級葉輪由配重套筒代替，仍采用套裝結構，這樣能夠保證套筒重量及位置與原葉輪基本相同，使得改造后的轉子重量、揚度和臨界轉速與原低壓轉子接近。主軸軸徑處尺寸與原中壓轉子軸徑尺寸相同，轉子動平衡槽及配重塊安裝位置維持原有結構位置。由于取消1#低壓缸通流部分，機組正向推力減小，為維持機組推力不發生變化，需要對中壓缸前汽封改造。將機組的中壓轉子調端軸封直徑減小，即可增加正向推力，以平衡1#低壓缸停運減小的軸向推力。改造后機組軸向推力將維持與改造前基本相同，完全滿足機組安全運行需要。

2.2 切缸改造

切缸改造是近年來新開發的機組供熱改造技術，一次性對機組低壓缸葉片及中低壓缸連通管（包含閥門）及進行改造，更換末級葉輪級動葉片，轉子返廠，將原末級葉輪和末級葉片進行拆除，對低壓轉子進行檢測，安裝新的末級葉輪。冬季供暖時，通過關閉蝶閥切斷通往2#和3#低壓缸蒸汽，直接從連通管抽出去供熱，對低壓缸僅通入約10 t/h的冷卻蒸汽；夏季，蝶閥開啟，恢復至純凝機組狀態，靈活性較高。該改造技術可減少每年2次的機組低壓缸換軸工作，同時可在冬季更好的調節機組靈活性以適應電網/熱網的調峰需求。

富發電廠5#和6#汽輪機組，是哈爾濱汽輪機廠有限責任生產的3缸3排汽200 MW超高壓一次再熱機組。根據業主要求，要對機組進行切缸改造，改造方案如下：

（1）利用舊轉子進行改造，拆除低壓正、反向末級葉輪和動葉片，安裝新的低壓正、反向末級葉輪，采用哈汽公司新型加強版600 mm末葉片。

（2）增加低壓末級、次末級測溫元件和葉片振動在線監測系統。

（3）連通管使用波紋膨脹節式連通管(曲管壓力平衡室)，加裝蝶閥、適當抬高連通管標高，并進行打孔抽汽。

（4）對控制系統進行相應的優化。

（5）極小流量運行工況，2#低壓加熱器停用，與1#低加的8抽管道需進行相關預防改造。

（6）增加低壓缸冷卻系統。由于2#和3#低壓缸中的轉子空轉會產生一部分鼓風熱量，運行中需通入冷卻蒸汽（10 t/h），疏水引入凝汽器中。

（7）原機低壓缸噴水為3路，其中一路對中壓側低壓排汽缸進行冷卻。改造后，對中壓側低壓排汽缸的噴水與低壓部分排汽缸的兩路噴水分開，以滿足對2#低壓排汽缸超溫噴水需要。

3 切缸技術改造的關鍵點

3.1 低壓轉子

更換末級葉輪級動葉片，轉子返廠，將原末級葉輪和末級葉片進行拆除，對低壓轉子進行檢測，安裝新的末級葉輪。

3.2 低壓末級采用600 mm末葉片

600 mm葉片為哈汽公司針對空冷200 MW機組開發的低壓末級葉片。新型600 mm末葉片自帶圍帶、自帶凸臺拉筋結構，葉根為叉型，安全性優于拱形圍帶和穿孔松拉筋，且動應力遠小于原葉片。并且在葉片出汽邊進行了噴涂加強處理，提高了葉片抗水蝕沖刷性能；葉片增加了噴丸處理，可以提高葉片耐振強度50%，提高葉片抵抗振動的能力。

600 mm葉片是為直接空冷開發的葉片，設計時充分考慮了空冷機組背壓變化大、高背壓小流量等情況。為防止小容積流量下的顫振，葉片設計強度留有足夠余量。裝有600 mm葉片的機組投運至今，未發生過葉片斷裂事故。如達賚湖電廠運行已經超過11 a，該葉片經歷了直接空冷機組背壓和負荷頻繁變化的考驗，運行穩定。

3.3 連通管改造

新設計的連通管采用波紋膨脹節式連通管（曲管壓力平衡室），連通管與汽缸之間的脹差完全通過波紋膨脹節的柔性來吸收。連通管與汽缸相聯管段所受彎矩的大小，除連通管自重引起的固定量外，完全取決于膨脹節柔性的大小：膨脹節柔性大，管段所受彎矩小；膨脹節柔性小，彎管所受彎矩大。為了減小波紋膨脹節承受的由內壓引起的軸向力，通常在連通管上增加一組相同波數的膨脹節。這樣，內壓引起的軸向力由管道及拉桿來承受，波形只需承受由內壓及差脹引起的負荷。由于改造前采用的是蝦腰結構，增加了在管道內的流動阻力。

3.4 冷卻蒸汽系統

供熱系統非抽汽工況或允許排汽量較大時，連通管蝶閥處于開啟或半開啟狀態，蒸汽進入低壓缸；當機組供熱量大、需要減小排汽量時，連通管蝶閥關閉，蒸汽從連通管采暖抽汽管道全部引出進入熱網供熱，僅引部分冷卻蒸汽進入低壓缸冷卻低壓轉子，帶走鼓風產生的熱量，與中壓缸相連的低壓缸正常工作。進入“切缸”的冷卻蒸汽從中排引出，經過一個調節特性好的閥門進入低壓缸。根據計算，10 t/h左右即可滿足冷卻需要。

3.5 低壓缸噴水系統優化

對低壓缸噴水系統進行優化，全部采用不銹鋼產品，保證系統穩定運行，并保證噴水減溫效果。

原機低壓缸噴水為3路，其中一路對中壓側低壓排汽缸進行冷卻。供熱改造后，需要對中壓側低壓排汽缸的噴水與低壓部分排汽缸的2路噴水分開，以滿足對2#低壓排汽缸超溫噴水需要。

3.6 增加葉片振動在線監測系統

葉片振動在線監測系統是一款進行葉片振動數據的采集、存儲、分析，可用于葉片裂紋識別和疲勞風險的評估軟件。

4 結束語

汽輪機光軸改造技術和切缸改造技術是機組供熱改造的關鍵技術，對熱電廠深度調峰和供熱能力有著積極意義。主要對這2種技術進行了對比分析，重點闡述了切缸改造的相關技術問題。