330 MW汽輪機(jī)高低壓旁路聯(lián)合供熱應(yīng)用探究

蔣春雷，劉永利

(遼寧沈煤紅陽(yáng)熱電有限公司 ，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

0 引 言

按照《遼陽(yáng)市中心城區(qū)熱電發(fā)展總體規(guī)劃》，遼寧沈煤紅陽(yáng)熱電有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“紅陽(yáng)熱電”)向遼陽(yáng)市中心城區(qū)提供采暖及工業(yè)供熱，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱，改善遼陽(yáng)市中心城區(qū)的供熱條件和環(huán)境條件。遼陽(yáng)市主城區(qū)現(xiàn)有供熱面積2 380×104m2，到2020年末規(guī)劃供熱面積2 680×104m2。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，遼陽(yáng)地區(qū)綜合供熱指標(biāo)約為54.64 W/m2，折合成近期熱負(fù)荷為1 300 MW，2020年末為1 464 MW。

為保障遼陽(yáng)市供熱發(fā)展需要，響應(yīng)國(guó)家關(guān)于新能源消納、提高火電機(jī)組運(yùn)行靈活性的政策要求，及滿(mǎn)足東北電網(wǎng)電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則要求，紅陽(yáng)熱電2號(hào)機(jī)組已完成汽輪機(jī)低壓缸“零出力”的改造工作。雖一定程度上提高了機(jī)組低負(fù)荷供熱能力和電調(diào)峰能力，但仍然不能滿(mǎn)足供熱期間電廠參與電網(wǎng)低負(fù)荷期間深度調(diào)峰的需求。因此，需進(jìn)一步通過(guò)汽輪機(jī)高低壓旁路供熱改造來(lái)提高機(jī)組供熱期深度調(diào)峰的能力[1]。

1 電廠概況

紅陽(yáng)熱電現(xiàn)裝機(jī)容量為2臺(tái)330MW，為遼寧省電網(wǎng)直調(diào)火電廠。配套鍋爐型號(hào)為HG1125-17.5-L.MG46；汽輪機(jī)型號(hào)為CC275/N330-16.7/537/537/0.981/0.294。紅陽(yáng)熱電1、2號(hào)機(jī)組分別于2010年8月和2010年9月投產(chǎn)[2]。2臺(tái)汽輪機(jī)旁路容量為30%BMCR，為高、低壓二級(jí)串聯(lián)形式布置。機(jī)組主要技術(shù)規(guī)范見(jiàn)表1。

表1 汽輪機(jī)主要技術(shù)規(guī)范Table 1 Main technical specifications of steam turbine

2 汽輪機(jī)高低壓旁路聯(lián)合供熱改造

2.1 供熱改造系統(tǒng)原則性熱力系統(tǒng)

汽輪機(jī)高低壓旁路聯(lián)合供熱改造系統(tǒng)原則性熱力系統(tǒng)如圖1所示。改造采用高低壓旁路聯(lián)合供汽方案，即部分過(guò)熱蒸汽經(jīng)高壓旁路排至高壓缸排汽管道，經(jīng)過(guò)鍋爐再熱器之后排至低壓旁路母管。此次改造在原低壓旁路母管上開(kāi)孔，新加管道連接至采暖抽汽母管，在該段管道上安裝2個(gè)電動(dòng)蝶閥，流經(jīng)該蒸汽管道的部分蒸汽即作為供熱抽汽的補(bǔ)充汽源。為保證高低旁路的嚴(yán)密性，改造過(guò)程中在原高壓旁路電動(dòng)調(diào)整閥前、高壓旁路入口設(shè)置電動(dòng)截止閥(電動(dòng)球閥)[3]。

圖1 供熱改造后系統(tǒng)原則性熱力系統(tǒng)圖Fig.1 Principled thermal system diagram of the system after heating reform

2.2 改造后機(jī)組典型供熱工況熱力特性分析

對(duì)于汽輪機(jī)高低壓旁路聯(lián)合供熱改造后，汽輪機(jī)軸向推力平衡、高壓缸末級(jí)葉片運(yùn)行安全性(主要受高壓缸排汽壓力影響)、供熱蒸汽參數(shù)、高低壓旁路蒸汽流量平衡、汽輪機(jī)高/中壓缸電出力平衡、汽輪機(jī)低壓缸最小運(yùn)行方式、再熱冷段/再熱熱段管道通流能力等因素均會(huì)影響機(jī)組供熱抽汽能力[4]。為了保證機(jī)組運(yùn)行安全性，在進(jìn)行供熱抽汽能力核算時(shí)，基于以下基礎(chǔ)核算條件：

1)高低壓旁路流量匹配基于“高旁入口蒸汽流量=低旁入口蒸汽流量-高旁減溫水流量”，以保證高旁蒸汽流量與低旁蒸汽流量的恰當(dāng)匹配。

2)低壓缸排汽流量需大于20 t/h，即保證主機(jī)要求的低壓缸最小冷卻蒸汽流量，并留有一定裕量。

3)高壓缸排汽壓力取高壓缸實(shí)際進(jìn)汽量對(duì)應(yīng)的純凝工況的高壓缸排汽壓力，并根據(jù)再熱冷段管道和再熱熱段管道通流需求，適當(dāng)調(diào)整高排壓力。

4)中壓缸排汽壓力取中壓缸實(shí)際進(jìn)汽量對(duì)應(yīng)純凝工況中壓缸排汽壓力，并根據(jù)供熱需求，適當(dāng)調(diào)整中排壓力。

5)再熱冷段管道和再熱熱段管道通流能力按照《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定DLT 5054-1996》規(guī)定的流速上限確定。

機(jī)組高低旁路聯(lián)合供熱時(shí)典型工況熱力特性校核結(jié)果見(jiàn)表2，THA為汽輪機(jī)熱效率驗(yàn)收工況，MS為鍋爐額定主蒸汽流量。

表2 高低壓旁路聯(lián)合供熱汽水平衡校核結(jié)果Table 2 Steam-water balance check results for combined heating of high-pressure and low-pressure bypass

2.3 改造后機(jī)組調(diào)峰效果分析

若按照由1號(hào)機(jī)組接帶吸收式熱泵機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，則改造后2號(hào)機(jī)組低壓缸“零出力”復(fù)合高低旁路聯(lián)合供熱運(yùn)行，2號(hào)機(jī)組有條件參與電網(wǎng)調(diào)峰至50%THA的天數(shù)約為134天(較單純低壓缸零出力供熱增加58天)，參與電網(wǎng)調(diào)峰至40%THA的天數(shù)約為117天(較單純低壓缸零出力供熱增加43天)，參與電網(wǎng)調(diào)峰至30%THA的天數(shù)約為81天(較單純低壓缸零出力供熱增加32天)。采暖期2號(hào)機(jī)組調(diào)峰匯總結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 采暖期2號(hào)機(jī)組調(diào)峰匯總Table 3 Summary of peak shaving for No.2 unit during heating period

3 汽輪機(jī)高低旁路聯(lián)合供熱改造安全性分析

采用高低壓旁路聯(lián)合供熱方案時(shí)，機(jī)組運(yùn)行方式較改造前產(chǎn)生較大變化，需著重從以下方面采取措施，以確保汽輪機(jī)的安全運(yùn)行[5]。

3.1 高低旁路對(duì)汽輪機(jī)軸向推力的影響及控制措施

對(duì)于高低旁路聯(lián)合供汽方案，高旁蒸汽流量與低旁蒸汽流量的匹配方式是影響汽輪機(jī)軸向推力平衡和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的的關(guān)鍵因素。只有高旁蒸汽流量與低旁蒸汽流量適當(dāng)匹配，才能保證機(jī)組的運(yùn)行的安全性。故采用使“高旁入口蒸汽流量=低旁入口蒸汽流量-高旁減溫水流量”的運(yùn)行策略，以保證旁路高旁蒸汽流量與低旁蒸汽流量的恰當(dāng)匹配。

為實(shí)現(xiàn)該運(yùn)行策略，改造后通過(guò)增加控制邏輯，依據(jù)調(diào)節(jié)級(jí)壓力與高壓缸排汽壓力及中壓缸進(jìn)汽壓力的關(guān)系，以調(diào)節(jié)級(jí)壓力、高壓缸排汽壓力、中壓缸進(jìn)汽壓力始終保持在恰當(dāng)匹配的范圍內(nèi)為控制目標(biāo)，調(diào)整高旁閥、低旁閥及中壓聯(lián)合調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，確保汽輪機(jī)軸向推力平衡。

在運(yùn)行調(diào)整過(guò)程中，采用高低旁路供熱時(shí)，首先通過(guò)調(diào)整低壓旁路抽汽，隨著抽汽流量的增加，當(dāng)汽輪機(jī)軸向推力或高壓缸排汽壓力變化至運(yùn)行限值附近時(shí)，通過(guò)調(diào)整增加高壓旁路流量調(diào)整軸向推力平衡；當(dāng)供熱抽汽流量進(jìn)一步增加時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)中壓缸進(jìn)汽調(diào)門(mén)，調(diào)整高壓缸排汽至安全運(yùn)行范圍內(nèi)。

此外，改造中在高旁減溫器后蒸汽管道、低旁減溫器后蒸汽管道及減溫水管道上增加了流量測(cè)點(diǎn)，作為高壓旁路閥、低壓旁路閥及中壓聯(lián)合主汽門(mén)的控制參考與反饋。

3.2 高低旁路對(duì)高壓缸排汽溫度的影響及控制措施

高壓缸排汽溫度是影響汽輪機(jī)安全運(yùn)行的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)之一。在汽輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，建立相關(guān)控制邏輯控制高旁減溫水的流量，維持汽輪機(jī)高壓缸排汽溫度始終處于限值范圍內(nèi)。此外，高壓缸排汽溫度還是調(diào)節(jié)鍋爐過(guò)熱器和再熱器熱量匹配的手段之一，即通過(guò)調(diào)節(jié)高壓缸排汽溫度(再熱冷端蒸汽溫度)，改變鍋爐再熱器吸熱量，實(shí)現(xiàn)鍋爐過(guò)熱器和再熱器的熱量平衡。

高壓旁路減溫水的流量控制采用溫度閉環(huán)反饋控制方式，采用減溫減壓后蒸汽溫度為控制目標(biāo)，減溫減壓后蒸汽溫度的設(shè)定值，可根據(jù)鍋爐過(guò)熱器和再熱器溫度控制狀態(tài)參與機(jī)組協(xié)調(diào)控制。

3.3 高低旁路對(duì)高壓缸末級(jí)葉片運(yùn)行安全性的的影響及控制策略

高低旁路抽汽供熱時(shí)會(huì)引起高壓缸排汽壓力降低，對(duì)高壓缸末級(jí)葉片安全性造成一定影響。目前考慮采取中壓調(diào)門(mén)調(diào)節(jié)高壓缸排汽壓力，確保高壓缸排汽壓力始終在制造廠給定的運(yùn)行限值范圍內(nèi)。

中調(diào)門(mén)基本控制策略是高排壓力根據(jù)保護(hù)條件設(shè)置控制死區(qū)，當(dāng)高排壓力降低超出保護(hù)限制死區(qū)后啟動(dòng)中調(diào)門(mén)控壓保護(hù)模式，在極端條件下保護(hù)高排壓力，保護(hù)死區(qū)設(shè)置遲滯回調(diào)函數(shù)，即高排壓力高于一定值后才退出中調(diào)門(mén)的保護(hù)控制，中調(diào)門(mén)控壓保護(hù)模式設(shè)置報(bào)警光字牌以提示運(yùn)行人員注意。

4 高低壓旁路供熱系統(tǒng)的投入

4.1 高低壓旁路供熱系統(tǒng)的投入方法

首先，開(kāi)啟低壓旁路閥門(mén)至5%開(kāi)度，同時(shí)開(kāi)啟高壓旁路閥門(mén)至5%開(kāi)度。然后，檢查閥門(mén)后的蒸汽溫度開(kāi)始緩慢上升(如閥后溫度不變，則可以將閥門(mén)增加2%～3%的開(kāi)度)，并保持低壓旁路閥后溫度不低于245℃，高壓旁路閥后溫度不低于300℃。在此過(guò)程中應(yīng)盡量躲開(kāi)高壓或低壓旁路閥門(mén)的開(kāi)度在3%左右，因?yàn)楫?dāng)閥門(mén)的開(kāi)度降至3%以下時(shí)，會(huì)觸發(fā)高低壓旁路閥門(mén)的聯(lián)鎖關(guān)閉。最后，再繼續(xù)緩慢開(kāi)啟高壓和低壓旁路閥，直至閥門(mén)的開(kāi)度均≥20%。

4.2 高低壓旁路供熱系統(tǒng)投入注意事項(xiàng)

由于當(dāng)高壓和低壓旁路閥門(mén)的開(kāi)度≤20%時(shí)，閥后蒸汽流量偏低、蒸汽流速慢，因此閥后的蒸汽溫度不好控制，蒸汽溫度波動(dòng)大。所以高壓旁路閥和低壓旁路閥門(mén)盡量不要在20%開(kāi)度以下長(zhǎng)時(shí)間停留，否則高壓旁路閥和低壓旁路閥后的蒸汽溫度很難控制平穩(wěn)。

為保證汽輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定，保證汽輪機(jī)推力瓦溫度和軸向位移處于安全運(yùn)行范圍之內(nèi)，必須保證高、低旁路閥門(mén)通過(guò)的蒸汽流量相匹配。因此在高壓旁路閥和低壓旁路閥開(kāi)啟的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)保持高壓旁路閥和低壓旁路閥的開(kāi)度保持一致或接近，閥門(mén)開(kāi)度差不要超過(guò)5%。同時(shí)，檢測(cè)高壓旁路閥后的蒸汽流量和低壓旁路閥后的蒸汽流量是否匹配，即高壓旁路入口蒸汽流量+高旁減溫水流量=低壓旁路后蒸汽流量-低壓旁路減溫水流量。

投入高壓旁路閥后減溫水的閥門(mén)自動(dòng)及低壓旁路閥后減溫水的閥門(mén)自動(dòng)時(shí)，應(yīng)盡量保持高壓旁路閥后的蒸汽溫度與高壓缸排汽溫度差不要過(guò)大，并保持高壓旁路閥后蒸汽溫度不得高于350 ℃[6]。同時(shí)保持低壓旁路閥后的蒸汽溫度在250～270 ℃為宜(不得高于280 ℃)，并保持低壓旁路閥后蒸汽壓力不得高于0.35 MPa。依據(jù)采暖供熱的蒸汽量需要，對(duì)高壓旁路閥和低壓旁路閥的開(kāi)度進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。

在調(diào)整高、低壓旁路供熱系統(tǒng)過(guò)程中，應(yīng)密切監(jiān)視汽輪機(jī)的推力瓦溫度和高排壓比。汽輪機(jī)推力軸瓦的正負(fù)側(cè)溫度差不得超過(guò)15℃；汽輪機(jī)的高排壓比不得低于2.0。

在正常運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)密切監(jiān)視高低壓旁路的蒸汽流量，為了防止再熱器蒸汽超流速，通過(guò)系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算，對(duì)高、低旁路閥后的最大供熱蒸汽流量進(jìn)行了限制，并在旁路操作界面中對(duì)高、低壓旁路的最大允許蒸汽流量進(jìn)行了實(shí)時(shí)顯示。因此,在高低壓旁路供熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)高、低壓旁路的最大蒸汽流量不應(yīng)超過(guò)最大允許蒸汽流量值。

5 結(jié) 語(yǔ)

在國(guó)家大力倡導(dǎo)火電機(jī)組靈活性改造，消納新能源前提下，紅陽(yáng)熱電適時(shí)對(duì)機(jī)組進(jìn)行改造，以2號(hào)機(jī)組高低壓旁路改造為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用分析得出以下結(jié)論：

1)通過(guò)對(duì)改造后的汽輪機(jī)高低壓旁路聯(lián)合抽汽供熱系統(tǒng)熱力特性分析和效果分析，證明旁路供熱改造后大幅度提高了機(jī)組在深度調(diào)峰期間的供熱能力。2號(hào)機(jī)組低壓缸“零出力”復(fù)合高低旁路聯(lián)合供熱較單純低壓缸“零出力”供熱在調(diào)峰至50%THA、40%THA、30%THA分別增加58天、43天、32天。取得了良好的調(diào)峰效果。

2)通過(guò)實(shí)際運(yùn)用汽輪機(jī)高低壓旁路聯(lián)合抽汽供熱，證明該系統(tǒng)實(shí)用可靠、操作方便。同時(shí)，在汽輪機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，總結(jié)出相關(guān)注意事項(xiàng)及控制措施，對(duì)其他同類(lèi)型機(jī)組改造有借鑒作用。