某600 MW機組汽輪機低壓缸切除改造

王 騏， 劉亞南， 劉網扣

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

隨著新能源發電的大量并網, 2016年開始國家能源局陸續出臺政策要求開展火電機組靈活性和深度調峰的改造,給新能源發電讓路。我國的新能源發電機組主要分布在北方，而北方的火電機組目前供熱機組居多，進入冬季往往采用熱電聯產的方式運行，如何實現熱電解耦，即在保證供熱的同時又實現深度調峰，成為擺在火電企業面前的一道難題[1-3]。

德國、丹麥等國家通過改造蒸汽旁路、儲熱、采用電鍋爐等技術使部分供熱機組的調節能力達到60%～80%額定負荷[4-6]。熱電解耦的改造技術存在投資高、占地多等特點；而近幾年出現的低壓缸切缸改造技術，具有投資低、改造范圍小、運行靈活等特點，成為近幾年實施供熱機組熱電解耦改造的主要技術之一。

1 總體技術方案

1.1 機組概況

某發電公司2臺600 MW機組分別于2008年、2009年投產，并于2013年對2臺機組進行中低壓連通管打孔抽汽改造，單機采暖供汽最大能力為420 t/h，并成為城市唯一供熱熱源點。根據城市集中供熱規劃，該發電公司至“十三五”末的供熱面積要達到3 790萬m2，機組的抽汽量應進一步增加以滿足供熱需求。

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

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

1.2 技術方案

切除低壓缸進汽供熱技術在低壓缸高真空運行條件下，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汽后的鼓風發熱量。

與改造前相比，切除低壓缸進汽供熱改造技術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，可顯著降低機組發電功率，實現深度調峰。同樣在電負荷不變的情況下，可以大幅增加供熱量。

600 MW機組有A、B 2個低壓缸，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個低壓缸的連通管進汽支路上分別設置蝶閥，可以實現A、B低壓缸分別切除或同時切除的功能；方式二，在對原有連通管的排出口蝶閥進行更換的同時，增加進入B低壓缸連通管的蝶閥，可以實現同時切除A、B低壓缸或單獨切除B低壓缸的目的；方式三，僅更換原中壓排汽出口蝶閥，只能同時切除A、B低壓缸，無法實現單獨切除一個低壓缸的功能。

從運行的靈活性來看，方式三只能同時切除2個低壓缸，中壓缸排汽供熱量較大，當外部供熱需求無法消耗較大供熱量時，切缸方式只能在低負荷運行，靈活性大幅度降低。而方式一、方式二可根據供熱負荷、調峰負荷的變化選擇切除低壓缸，運行靈活性好。采用方式一須要同時控制A、B低壓缸入口蝶閥，增加了控制的難度，同時2個低壓缸的進汽量也很難相同，對低壓缸的安全運行造成一定風險。該機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，達到同時切除A、B低壓缸和單獨切除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行，汽輪機的葉片強度、流場、葉片動頻特性、動應力等均會發生變化，必須對切除工況的葉片特性進行安全性校核，明確切缸改造后葉片能否安全運行，同時為切缸改造方案的參數選擇提供理論依據。低壓缸切除安全性校核內容為：

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

圖1 流場校核計算

(2) 對低壓缸末兩級長葉片的強度、葉根槽強度在葉片溫度升高、鼓風發熱等特殊工況下進行計算分析，滿足強度要求。

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

圖2 長葉片動頻校核計算

圖3 長葉片動應力校核計算

低壓缸切除安全性校核的計算結果表明：

(1) 低壓缸在小流量工況下，末兩級葉片會進入鼓風狀態，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才能抑制鼓風發熱量，保證末幾級長葉片溫度控制在一定范圍內。

(3) 汽輪機末級葉片溫度控制在80 ℃以內、次末級葉片溫度控制在150 ℃以內，長葉片的強度、動頻、動應力等均能控制在設計規范許可范圍內，可長期安全運行。

2 工程實施方案

2.1 連通管改造

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

改造中對中排出口蝶閥進行更換，更換的蝶閥采用液動三偏心金屬密封蝶閥，閥門關閉能夠達到六級泄漏要求，閥門具備調節功能和快關功能。同時在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節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整等。

2.2 旁路冷卻蒸汽系統改造

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發熱量，冷卻蒸汽量控制在汽輪機額定流量的5%以內。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，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死，連通管不進汽，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發熱的熱量。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行冷卻后通入低壓缸，同時增加汽水分離裝置，避免低壓缸冷卻蒸汽出現水滴造成水蝕影響。旁路管路上增設調節閥、流量計及壓力、溫度測點等， 用于對冷卻蒸汽流量的精確控制和監視。

2.3 汽輪機本體改造

汽輪機本體改造的主要目的是增加相關的監視測點和調整手段，監視和減緩低壓缸尤其是長葉片區域的鼓風發熱情況，避免在切缸工況下對汽輪機本體造成損壞，主要包括：

(1) 增加末兩級長葉片健康監視系統，對低壓缸長葉片的鼓風發熱進行監視，根據葉片溫度情況進行切缸運行參數的調試，保證長葉片溫度控制在合理范圍內。葉片健康監視系統的布置見圖6，次末級監測點放在第6級靠近靜葉出汽邊葉頂的內缸上，末級動葉的測點放在動葉出口的外排汽導流環上布置溫度測點，所有測點均布置在汽輪機下半缸，每個排汽口布置4個測點，共計16個。溫度測點采用Pt100微型熱電阻，測溫探頭頭部直徑為6 mm，測點的引線見圖6，采用在內缸內表面打孔的方式固定并引出至內缸外，所有測點沿內缸外壁面匯總在同一位置后在外缸開孔引至缸外。

圖6 葉片健康監視系統

(2) 為減少低壓缸末級葉片的鼓風發熱情況，通過低壓缸末級的噴水來給通流部分降溫，并帶走鼓風發熱產生的熱量。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，同時調整噴嘴布置和角度，避免大量噴水直接卷入長葉片區域，提高噴水降溫效果。在噴水管路上增加調節閥和流量測點，根據長葉片的溫度變化調節噴水流量，優化噴水控制邏輯。低壓缸末級噴水系統改造見圖7。

圖7 低壓缸末級噴水系統改造

2.4 控制系統改造

控制系統的改造包括：

(1) 增加控制相關測點及增加測點的控制優化。

(2) 對汽輪機數字電液控制(DEH)系統改造，包括本體保護邏輯優化、中排供熱邏輯優化、旁路冷卻蒸汽系統控制、低壓缸噴水系統邏輯優化。

(3) 對分布式控制系統(DCS)改造，包括疏水系統控制優化、凝結水系統控制優化、熱網首站控制優化。

改造后的控制系統滿足了機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。單個低壓缸的冷卻蒸汽質量流量按30 t/h計算，低壓缸全切工況的冷卻蒸汽質量流量為60 t/h。

表1計算了典型負荷切缸改造前后機組供熱能力的變化，因切缸之后機組的發電能力發生較大變化，這里的額定負荷是指與鍋爐額定蒸發量與熱耗率驗收(THA)工況對應的負荷。

表1 切雙缸前后機組運行參數變化

從表1可以看出：改造前后供熱抽汽質量流量均隨主蒸汽質量流量增加，隨機組負荷降低供熱蒸汽質量流量增加部分增大，機組在30%額定負荷時能夠增加供熱蒸汽質量流量296.4 t/h。采用低壓缸切除方式進行供熱，機組調峰的能力大幅度提高，供熱蒸汽質量流量相同的情況下機組負荷可以進一步降低。在相同供熱蒸汽質量流量條件下，低壓缸零出力供熱改造前后，隨著供熱蒸汽質量流量的增加，機組發電功率逐漸增大，且低壓缸零出力供熱改造后可使汽輪機發電功率降低67～133 MW；切缸改造后低壓缸排汽質量流量大幅度減少，冷源損失隨之減少，機組發電煤耗大幅度降低，切缸改造后可使汽輪機的熱耗率降低800～900 kJ/(kW·h)，對應發電煤耗降低量為35～48 g/(kW·h)。

圖8、圖9為切雙缸、切單缸前后低壓缸監視參數的變化。低壓缸在切缸狀態下的振動、差脹變化很小，僅在切雙缸狀態下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視參數變化

圖9 切單缸前后低壓缸監視參數變化

4 結語

采用低壓缸切缸技術實施改造，通入少量的冷卻蒸汽系統，汽輪機本體、控制系統等進行相應改造，汽輪機可以在低壓缸切除狀態下長期安全運行。該改造能大幅提升機組的調峰能力和供熱能力，是實現機組熱電解耦的合適方案。改造的成功實施將會給行業內同類型機組在深度供熱和靈活性調峰改造工程上提供技術參考，并起到積極的示范作用。