火電機組供熱改造中的動葉安全性考慮

賀偉， 謝蘇燕， 靳亞峰， 江南

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000 )

0 引言

隨著社會進步和經濟快速發展, 冬季采暖需求不斷增加。 即使在南方, 冬季采暖也成了近年來的一個熱議話題。 除居民采暖之外, 許多工業園區也存在大量工業用汽需求。 如化工、 紡織、制糖等行業都需要大量蒸汽用于生產。

在滿足居民采暖和工業用汽方面, 利用火電機組進行熱電聯產是一種較為經濟環保的方式。一方面, 從機組抽出一定參數的蒸汽用于供熱,可降低低壓缸排汽量, 減少冷源損失, 提高機組的循環熱效率。 國家發改委文件指出“熱電聯產與熱、 電分產相比, 熱效率提高30%, 集中供熱比分散小鍋爐供熱效率高50%”[1]。 另一方面, 利用火電機組進行抽汽供熱, 可以替代分散的燃煤小鍋爐等低效設備供熱, 能夠減少溫室氣體的排放, 具有非常好的節能減排效益。

《電力發展“十三五” 規劃》 指出, “十三五” 期間, 取消和推遲煤電建設項目1.5 億千瓦以上。 到2020 年, 全國煤電裝機規模力爭控制在11億千瓦以內, 占比降至55%[2]。 基于目前我國火電裝機容量基本飽和, 要大量建設新的火電機組用于居民和工業園區供熱已不現實, 對城市和工業園區周邊的存量機組進行供熱改造是一種較好的解決措施。

由于居民采暖和工業用汽所需蒸汽參數差別較大, 通常供熱壓力在0.5～5 MPa。 圖1 給出了某典型600 MW 等級超臨界機組不同回熱抽汽位置、進排汽位置的蒸汽參數水平。 對機組進行供熱改造時, 需要分析不同用戶具體的供熱需求。 根據供熱蒸汽量、 所需蒸汽參數確定合理的抽汽方式、抽汽位置。 汽源位置與用戶需求參數相匹配, 滿足能量的梯級利用原則。

圖1 600 MW 超臨界機組通流中不同位置蒸汽參數水平

與純凝工況相比, 抽汽工況下通流中相關級次通過的蒸汽流量、 參數都會發生明顯變化。 這些變化將導致級焓降、 動葉工作環境的壓力、 溫度, 所承受的輪周功都會發生大幅變化。 本文針對不同供熱抽汽方式的特點, 詳細分析了不同抽汽方式對動葉安全性的影響以及可采取的措施。

1 可采取的抽汽方式及特點

根據汽機自身能否對抽汽參數進行調節, 可將供熱抽汽方式分為可調整抽汽和非調整抽汽。可調整抽汽參數可不受機組負荷直接影響, 在一定工況范圍內可保持抽汽參數恒定。 而非調整抽汽參數會隨機組負荷發生變化, 工況適用范圍相對較窄。

可調整抽汽常見的方案有中聯門參調、 座缸閥調節、 旋轉隔板調節、 中低壓聯通管蝶閥調節、壓力匹配器方式等[3]。 其中, 由于座缸閥和旋轉隔板方式可調抽汽壓力范圍分別在2.0～5.0 MPa 和1.0～1.5 MPa, 主要應用于中壓缸。 同時, 這2 種方式的結構對通流長度影響很大, 一般不適用于改造項目, 否則會造成通流效率急劇下降。 壓力匹配器方式通過高參數的工作流體抽吸低參數的引射流體, 2 股流體混合后滿足供熱需求, 但這種方式一般只用于出口蒸汽流量在100 t/h 以下的場合[4], 不適用于大供熱量需求。 再熱冷段抽汽量要受到鍋爐再熱器安全性的限制, 一般最大為再熱流量的5%。 因此, 在進行供熱改造時, 一般只有中聯門參調熱段抽汽和聯通管蝶閥調整抽汽2 種方式用于供熱量需求比較大的情況。

與可調整抽汽方式相對應, 非調整抽汽方案通常包括汽缸打孔抽汽, 再熱冷段、 再熱熱段管道, 回熱抽汽管道, 中低壓聯通管打孔抽汽等方式。 由于受汽缸強度、 抽汽管道流速等限制, 汽缸和回熱抽汽管道打孔抽汽量非常有限, 一般不超過50 t/h。 因此, 要滿足供熱量需求比較大的項目, 通常只有再熱壓力和中壓缸排汽壓力2 個等級可供選擇。 同時非調整抽汽時, 抽汽壓力隨抽汽量的增大會逐步下降, 要在部分負荷下供熱壓力依然滿足用戶需求, 必然對供熱量帶來限制。

除此之外, 在中壓缸排汽這個供熱壓力等級上, 近年來新出現了1 種低壓缸切除技術。 為了消納風電、 光伏發電等新能源, 火電機組需要具備深度調峰能力。 而低壓缸切除技術可以明顯提高機組的調峰能力而受到廣泛關注[5-6]。 此時, 中壓缸排汽除了極少量蒸汽進入低壓通流外, 幾乎全部用于供熱。

根據以上各種抽汽供熱方式的特點, 下文將詳細分析各供熱方式對相關動葉安全性的影響。

2 對上游動葉的影響及措施

以中聯門參調供熱為例, 在機組負荷發生變化時, 可通過調整閥門開度保證對外供熱參數維持不變。 當進汽量保持為THA 工況主汽量, 再熱壓力維持不變, 即使對外抽汽量發生變化, 抽汽位置上游各級仍然與THA 為相似工況變化。 此時, 高壓各級動葉輪周功不會發生明顯變化, 不存在安全性問題。 圖2 和圖3 給出了進汽量相同,不同供熱壓力時高壓相關級次動葉輪周功和級出口壓力的變化及與VWO 工況下參數的對比。 由圖中可見, 當供熱壓力降低時, 供熱位置上游各級出口壓力相應降低, 各級動葉輪周功明顯升高。上游距離抽汽位置越遠的級次影響程度越小, 高壓末級（第8 級） 為輪周功上升幅度最大的級次。通常在此方案下, 校核抽汽位置上游相鄰的三級動葉蒸汽力作用下的強度即可滿足安全性需求。另一方面, 供熱壓力相對降低, 抽汽位置上游焓降段加大, 相鄰的動葉工作溫度有所降低, 動葉材料強度有所上升, 有利于其安全性。 供熱參數對上游動葉安全性的影響特點同樣適用于蝶閥調整抽汽等可調方式。

圖2 不同抽汽參數下各級輪周功

圖3 不同抽汽參數下各級出口壓力

根據極限供熱工況條件, 對相關動葉進行強度校核。 如果強度不合格, 需要對動葉葉型進行改造, 增大截面抗彎特性。 使葉型更寬、 更厚,動葉只數有所減少。 此種改造方式適用于T 型、菌型葉根, 但不適用于樅樹型、 叉型葉根。 叉型葉根輪緣上的銷孔位置和樅樹型葉根的輪槽數量都是不可調整的。 當動葉只數無法調整時, 可以考慮通過對動葉材料進行升檔、 調整動葉連接型式進行加強。 在溫度相當的條件下, 可以明顯增大應力許用值, 滿足安全系數。 如果改造前動葉為單只結構, 增強為成圈結構可以大幅降低其共振狀態下的動應力, 僅有單只結構時的20%； 在相同激振力作用下, 成圈結構葉片位移響應僅為單只結構的8%[7]。 這幾種方式都是供熱改造時對動葉進行加強的有效措施。 對動葉進行加強設計后, 其振動特性會發生明顯變化, 需要重新評估,滿足頻率避開率要求。 由于調頻的需要, 可能調整動葉所在級的導葉只數。 導葉只數和其強度直接相關, 需要結合導葉強度和調頻需要綜合考慮,以確定最終合理的調頻方案。

3 對末級動葉片的影響及措施

供熱工況下, 特別是供熱量較大時, 由于抽取了一定數量的蒸汽對外供熱, 會導致進入低壓缸的蒸汽量減少。 當通過末級動葉片的流量過小時, 會使其進入小容積流量工況。 此問題在部分負荷供熱工況下尤為突出。

為了滿足末葉的安全性, 在進行供熱改造時,必須對進入低壓缸的流量進行控制, 保證通過末葉的相對容積流量不落在圖4 中的高動應力區域。通常將最小冷卻流量作為進入低壓缸流量的下限值, 其對應的相對容積流量約為0.3。 由于低壓缸入口壓力與進汽量成正比關系, 一般將低壓缸進入最小冷卻流量的入口壓力作為報警壓力, 以保護末葉片。 冷卻流量為質量流量, 即使對同一只末葉片, 當運行背壓差異較大時, 冷卻流量的數值應有所區別。

值得一提的是, 供熱工況下最小冷卻流量的限制近年來遇到了突破。 在上文提到的低壓缸切除工況下, 低壓通流中仍然保持不超過單側10 t/h的少量蒸汽, 但整體輸出功率為零。 此時相對容積流量小于0.1, 處于動應力較低的區域。 由圖4可見, 雖然此時低壓通流中蒸汽量大幅低于傳統的最小冷卻流量, 但避開高動應力區間的原則沒有變。 在工況過渡時, 不宜在高動應力區間長時間停留。

在低壓缸切除工況下, 由于蒸汽流量極小,低壓末兩級動葉必然處于鼓風工況, 級排汽溫度升高100 ℃以上。 排汽溫度大幅上升不僅導致末葉片及相應輪緣的材料強度性能明顯下降, 而且將帶來葉片材料彈性模量明顯變化, 其振動特性發生改變。 因此, 在改造方案設計時需要對末兩級動葉在切缸狀態下的工作溫度進行具體分析。根據此溫度條件, 詳細分析其強度能否滿足安全性需要, 振動特性是否仍然滿足避開“三重點”共振。 如果校核結果無法滿足, 則需要對相應葉片進行加強新設。 同時, 針對末葉根部在切缸狀態下的回流沖刷問題, 需要對動葉出汽邊進行相應的表面處理措施。 除了設計上的措施, 在運行時要盡可能維持低背壓運行, 同時密切監測末兩級長葉片的工作溫度, 收集運行數據進行分析,根據分析結果對切缸運行方案進行完善。 盡管采取了一系列保障措施,低壓缸切除技術在國內的運行業績和經驗積累較少,安全性有待驗證。

4 結論

本文針對火電機組, 分析了各種供熱改造方案的特點和不同供熱改造方案對相關動葉片安全性的影響, 并提出相應的解決措施。 結論如下：

（1）相同進汽量下, 如果供熱抽汽壓力低于純凝工況下該位置的壓力, 則將對上游相鄰級次動葉安全性造成不利影響, 需要校核分析；

（2）相同抽汽量下, 可調整抽汽對上游動葉安全性的不利影響要小于非調整抽汽方式；

（3）當供熱抽汽量較大時, 將導致下游低壓末葉片進入小容積流量工況, 制定運行方案時要避開高動應力區域；

（4）低壓缸切除方案還需要進一步積累運行經驗, 開展相應的分析工作, 對方案進行完善。