汽輪機低壓缸光軸運行熱電解耦能力分析

郭容赫 樊 芮

（1 華電電力科學研究院有限公司東北分公司 遼寧沈陽 110000 2 國網湖南省電力有限公司供電服務中心（計算中心）智能電氣量測與應用技術湖南省重點實驗室 湖南長沙 410004）

引言

近幾年來，三北地區火電廠供熱機組容量和供熱面積增幅較大，同時風電等新能源機組也大規模并網運行，為了最大限度消納清潔能源，電網要求供熱機組提升調峰能力，但對現有的供熱機組而言，機組負荷率只有在60～70%以上，才能滿足采暖期間的供熱需求，無法進行深度調峰，特別是冬季供熱期間，電熱耦合矛盾十分突出。為實現熱電解耦，采用不同方案對傳統的供熱機組進行技術改造，低壓缸光軸改造就是其中之一，該方案有效地提高了供熱期間調峰能力和促進新能源消納，不但滿足了供熱的需求，還可以參與電網深度調峰，按照當地電力輔助服務市場運營規則，增加了電廠收益，很好地實現了熱電解耦[1,2,4]。

1 熱電解耦方法對比

傳統的供熱機組即要發電，又要供熱，由于供熱能力的限制，冬季采用以熱定電的方式運行，調峰能力受到熱負荷的制約，運行方式存在熱電耦合現象，既要滿足供熱，也要滿足調峰，需要對熱電解耦。熱電解耦的本質是實現電、熱負荷相互轉移，即熱電比的大幅度調節，以達到削峰填谷、滿足負荷的目的。常用的熱電解耦方法有以下幾種：

1.1 電鍋爐供熱

利用電作為電鍋爐供熱熱源，電鍋爐可直接供熱也可儲熱，電制熱鍋爐將所發的電能直接轉化為熱能儲存并對外供熱。通過這種方式，將熱電廠的熱電產出解耦，在供暖季將發電的空間騰挪出來，給新能源機組創造電能消納的條件。技術特點是熱電解耦能力強，但機組經濟性較差。

1.2 儲熱供熱

在熱網側設置儲熱罐，利用蓄熱對外供熱。電負荷高、熱負荷小時進行蓄熱，反之進行放熱，熱量的轉移，實現了“移峰填谷”。技術特點是低負荷調峰適應性差，但供熱經濟性較好。

1.3 汽機旁路供熱

通過汽機旁路系統，將高參數蒸汽減溫減壓后對外供熱。技術特點是機組供熱量大，蒸汽不通過汽缸做功，負荷調整靈活，熱電解耦能力強，但經濟性較差。

1.4 高背壓循環水供熱

利用機組排汽的汽化潛熱加熱熱網循環水對外供熱。技術特點是可以達到冷源損失為零，但熱網水通常達不到要求，需要二次加熱。高背壓運行，機組有效焓降減小，在同樣的主蒸汽流量下，發電機端功率減少。

1.5 低壓缸近零出力

將少量的中壓缸排汽蒸汽引入到低壓缸作為冷卻蒸汽，余下大部分蒸汽對外供熱。技術特點是機組供熱量大，低壓缸做功近似為零，負荷調整靈活，但需要解決末級葉片水蝕問題，葉片的安全性也需要評估及工業驗證。

1.6 低壓缸光軸

將低壓缸轉子改成無葉片光軸轉子，中壓缸排汽全部對外供熱。在供暖期采用光軸轉子，供暖期結束后換回純凝低壓轉子的供熱方式。技術特點是大大增加機組供熱量，深度降低機組供電煤耗，低壓缸脫缸運行，低壓缸出力為零。

2 光軸改造措施

2.1 本體改造

加工一根低壓轉子，轉子上無葉片，是一根整鍛轉子（即光軸）。在幾何尺寸方面，如轉子的長度、軸頸以及軸承跨距等，光軸與原轉子基本一致；在重量以及臨界轉速特性方面，兩根轉子也基本相同。兩根轉子能夠互換，互換時對低壓轉子支撐軸承沒有影響。為減小葉輪鼓風摩擦產生的熱量，光軸轉子在葉輪處為等直徑結構[3、5]。低壓轉子改造前、后結構示意圖如圖1所示。

圖1 低壓轉子改造前、后結構示意圖

2.2 系統改造

取消中低壓聯通管，在中壓缸排汽口上部加裝一個供熱抽汽管道，中壓缸排汽不進入低壓缸，使之全部進入熱網加熱器。

增加低壓缸冷卻系統，防止低壓缸光軸產生鼓風。將循環水流量改小，利用原有的凝汽器，冷卻低壓缸的少量蒸汽。由于凝結水流量減小，原汽封冷卻器及汽封加熱器退出運行，新增加一套汽封冷卻器及汽封加熱器。

3 解耦能力分析

某電廠的一臺中間再熱、三缸、雙排汽、凝汽沖動式汽輪機，額定功率為210MW，設置7段抽汽，分別送至對應的加熱器，其中高壓缸有2段抽汽、中壓缸有4段抽汽、低壓缸有1段抽汽。

蒸汽在高壓缸做膨脹功，發出的功率為：

蒸汽在中壓缸做膨脹功，發出的功率為：

蒸汽在低壓缸做膨脹功，發出的功率為：

新蒸汽在高、中、低壓缸做膨脹功，三缸發出的總功率為：

式中：

WG— 發電機端功率，kW；

WHP— 高壓缸內功率，kW；

WIP— 中壓缸內功率，kW；

WLP— 低壓缸內功率，kW；

Dr— 各段抽汽流量，kg·h-1；

DnH、DnI、DnL— 高、中、低壓汽缸的純凝汽流量，kg·h-1；

hrH、hrI、hrL— 各段抽汽分別在高、中、低壓汽缸的焓降，kJ·kg-1；

hH、hI、hL— 純凝汽流分別在高、中、低壓汽缸的焓降，kJ·kg-1；

r — 抽汽段數編號；

ηjd— 機電效率，%。

以額定工況的設計參數為計算依據，計算表明：高、中、低壓缸做功能力分別占發電機總功率的29%、46%、25%。低壓缸光軸運行與純凝工況相比，在主蒸汽流量以及壓力、溫度等初參數相同情況下，發電機負荷可減少25%，但供熱量隨著負荷變動而變動，不能單獨變動。

采用熱量法對機組的總熱耗量進行分配。發電方面的熱耗量等于總熱耗量減去供熱方面的熱耗量，由于供熱減少的冷源損失帶來的熱經濟效益，都歸于發電方面，也就是“好處歸電法”，其發電熱耗率為：

式中：HR — 發電熱耗率，kJ·（kW·h）-1；

QM— 主蒸汽在鍋爐吸收的熱量，kJ·h-1；

QR— 再蒸汽在鍋爐吸收的熱量，kJ·h-1；

QO— 對外供出的熱量，kJ·h-1。

汽輪機耗熱量以及功率的變化，引起發電熱耗率的改變量為：

計算表明：在主蒸汽流量以及壓力、溫度等初參數相同情況下，由于機組供熱使得發電熱耗率比純凝工況下降約57%。

光軸供熱運行方式，增加了供熱量，滿足了供熱需求，可獲得供熱效益；同時負荷率有所降低，滿足電網負荷需求，可獲得電網電價補償。

4 試驗對比

利用現場的儀器、儀表進行了純凝運行工況與低壓缸光軸運行工況的對比試驗。低壓缸光軸運行工況的主要參數是以純凝額定工況參數為基準，試驗時將流量、壓力、溫度等參數盡量調到純凝工況，試驗數據及結果見表1。

表1 試驗數據及經濟指標匯總表

4.1 發電能力對比

低壓缸光軸運行，汽輪機由原三缸變成兩缸運行，在同樣初參數時，做功能力下降。結果表明：在主蒸汽流量基本相同，試驗工況下，光軸運行比純凝運行，發電能力減少了56.5MW；將試驗的新汽壓力和溫度參數修正到基準工況時，發電能力減少了50.5MW。

4.2 供熱能力對比

機組負荷與主蒸汽流量成正比，發電負荷隨著主蒸汽流量的增加而升高，主蒸汽流量的增加，中壓缸排汽流量也隨之增加，即供熱熱量增加。低壓缸采用光軸運行，鍋爐額定蒸發量時，供熱能力為305.3MW。

4.3 發電煤耗對比

低壓缸光軸運行，中壓缸排汽全部對外供熱，沒有冷源損失，機組負荷率越高，熱耗率越低，煤耗率下降幅度也越大。結果表明：在主蒸汽流量基本相同，試驗工況下，光軸運行比純凝運行，發電煤耗率下降了170.9 g·（kW·h）-1。

結語

在主蒸汽流量基本相同，試驗工況下，光軸運行比純凝運行，發電能力減少了56.5MW；將試驗的新汽壓力和溫度參數修正到基準工況時，發電能力減少了50.5MW。

在主蒸汽流量基本相同，試驗工況下，光軸運行比純凝運行，對外供熱能力達305.3MW，發電煤耗下降了170.9 g·（kW·h）-1。

低壓缸光軸方式下運行時，中壓缸排汽全部對外供熱，滿足供熱需求，沒有冷源損失，提高了機組經濟性，增加了供熱能力，減少了發電能力，實現了熱電解耦。