超臨界再熱型雙抽背壓式汽輪機(jī)高壓缸夾層加熱系統(tǒng)優(yōu)化研究

王 勇 ，馬 聰，魏 光，劉立成，羅 方

(1.華電國際電力股份有限公司天津開發(fā)區(qū)分公司，天津 300270；2.西北電力設(shè)計院,陜西 西安 710075；3.東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽 618000)

天津華電南港某熱電廠為中沙石化、澄星化工、中俄石化、先達(dá)(天津)海水資源開發(fā)有限公司、渤海兩化搬遷項目等提供化工生產(chǎn)所需的蒸汽，同時按照以熱定電的原則，為工業(yè)區(qū)提供部分電力供應(yīng)。其中一期工程主機(jī)型式為3×350 MW CFB鍋爐+3×170 MW超臨界再熱型雙抽背壓機(jī)熱電機(jī)組。主蒸汽壓力為24.2 MPa、溫度為566 ℃，中壓蒸汽額定壓力為5 MPa，低壓蒸汽額定壓力為1.8 MPa。汽輪機(jī)排汽額定背壓為0.15 MPa(a)，允許背壓范圍為0.1～0.35 MPa，同時對外提供中壓蒸汽參數(shù)：4.4～4.7 MPa(g)，440～450 ℃，最大流量1400 t/h；低壓蒸汽參數(shù)：1.3～1.6 MPa(g)，320～330 ℃，最大流量600 t/h。該機(jī)組為雙缸背壓式，高、中壓部分采用分缸結(jié)構(gòu),具有獨立的高壓缸和中壓缸。高壓部分設(shè)計為雙層缸，將內(nèi)、外缸夾層空間分為2個板塊，該結(jié)構(gòu)可適應(yīng)進(jìn)汽參數(shù)高,減小承壓力和熱應(yīng)力，提高啟停及變負(fù)荷靈活的特點。汽缸夾層設(shè)置加熱系統(tǒng)[1-4]，既可大大縮小高壓內(nèi)缸內(nèi)外壁溫度的差值，又可提高外缸的溫度，有利于汽缸熱膨脹。高壓缸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高壓內(nèi)、外缸結(jié)構(gòu)

1 夾層加熱系統(tǒng)的作用

夾層加熱的作用是將主蒸汽引入高壓內(nèi)、外缸之間的夾層,加熱內(nèi)、外缸減少高壓缸正脹差，減少高壓內(nèi)缸內(nèi)外壁溫差,并使高壓外缸溫度沿軸向趨于均勻。要實現(xiàn)這一功能，其方法就是需要通過調(diào)整汽缸夾層進(jìn)汽箱的進(jìn)汽壓力,開大或關(guān)小閥門來調(diào)節(jié)進(jìn)汽流量，從而達(dá)到控制溫升速率的目的。高壓缸夾層加熱系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 夾層加熱系統(tǒng)構(gòu)成

2 夾層加熱系統(tǒng)投入的前提

在高壓缸倒暖投入后才可投入夾層加熱，而要到達(dá)預(yù)暖最佳，可行的途徑就是在高壓缸中通入蒸汽使汽缸內(nèi)蒸汽壓力升高，從而使汽缸金屬溫度升高至蒸汽對應(yīng)的飽和溫度或更高[5-8]。通常規(guī)定此壓0.39～0.49 MPa(g),超高壓內(nèi)缸進(jìn)汽室內(nèi)表面金屬溫度低于150 ℃時應(yīng)進(jìn)行高壓缸預(yù)暖，當(dāng)高壓內(nèi)缸調(diào)節(jié)級后內(nèi)壁金屬溫度比這一值高時，則不需要預(yù)暖。在預(yù)暖期間的主要依據(jù)有2個：一是依據(jù)內(nèi)缸金屬溫升率限制；二是依據(jù)是缸內(nèi)壓力。通過調(diào)整電動節(jié)流閥(倒暖閥)、疏水閥的開度來調(diào)整內(nèi)缸金屬溫升率，金屬表面的溫度升高率不應(yīng)大于金屬表面允許的溫度。高壓缸預(yù)暖系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 高壓缸預(yù)暖系統(tǒng)

3 夾層加熱系統(tǒng)優(yōu)化的必要性

汽輪機(jī)高壓缸夾層加熱系統(tǒng)中，夾層加熱汽源來自輔汽聯(lián)箱，加熱蒸汽溫度約為350 ℃，加熱蒸汽壓力為0.98～4.9 MPa，其排汽排到冷段[9-10]。低負(fù)荷暖機(jī)后高壓缸下半外壁溫達(dá)到350 ℃后才停運高壓缸夾層加熱系統(tǒng)。另外，根據(jù)主機(jī)啟動曲線，冷態(tài)啟動時汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)主蒸汽溫度為380 ℃，壓力為8.83 MPa。參照熱平衡圖估算，在低負(fù)荷暖機(jī)高壓缸下半外壁溫達(dá)到350 ℃階段時，主蒸汽溫度約為500 ℃，壓力為10.79 MPa。

通過分析表明，在高壓缸夾層加熱系統(tǒng)投運階段，來自輔汽聯(lián)箱夾層加熱溫度偏低，不利于汽輪機(jī)脹差控制，達(dá)不到最佳的啟動效果。夾層加熱系統(tǒng)(簡稱原方案)，原方案未設(shè)計減溫減壓器且原方案為傳統(tǒng)設(shè)計方案，經(jīng)調(diào)研某些電廠實際運行情況，其應(yīng)用效果較差，同時考慮該機(jī)組為首次設(shè)計的170 MW超臨界背壓汽輪機(jī)，設(shè)備廠家對高壓缸夾層加熱系統(tǒng)要求以及機(jī)組實際情況，對原方案進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，確定在原方案基礎(chǔ)上增加1路由主蒸汽管道來的汽源，同時每臺機(jī)組增加1臺高壓缸夾層加熱減溫減壓器，其型式為直通型，即水平進(jìn)、水平出，流量調(diào)節(jié)范圍為10%～100%，具有完全關(guān)斷功能，并做到零泄漏，出口蒸汽溫度偏差小于2 ℃，出口蒸汽壓力波動小于0.01 MPa。高壓缸夾層加熱減溫減壓器參數(shù)見表1所示，減溫減壓裝置結(jié)構(gòu)型式如圖4所示。

表1 高壓缸夾層加熱減溫減壓器參數(shù)

圖4 減溫減壓裝置結(jié)構(gòu)型式

減溫水則取自給水系統(tǒng)，減溫水調(diào)節(jié)閥采用直行程調(diào)節(jié)閥。高壓缸夾層加熱系統(tǒng)優(yōu)化后的系統(tǒng)圖如圖5所示。

圖5 夾層加熱系統(tǒng)優(yōu)化

為防止某種原因引起減溫水壓力突然降低，高溫蒸汽經(jīng)噴嘴倒流入減溫水管道，在減溫水通向噴嘴的管道上配備止回閥。為縮短在機(jī)組冷態(tài)啟動時間，設(shè)計有汽缸預(yù)暖系統(tǒng)，即在冷態(tài)啟動時由輔汽聯(lián)箱引1路汽源由高排逆止閥前進(jìn)入高壓缸，經(jīng)疏水口排出，原夾層加熱汽源可作為配合汽源對內(nèi)、外缸夾層進(jìn)行預(yù)暖，更有利于機(jī)組脹差的控制。

4 結(jié)語

高壓缸設(shè)置夾層加熱裝置不僅可以縮小高壓內(nèi)缸內(nèi)、外壁溫值又可提高外缸的溫度，有利于汽缸熱膨脹，由于汽源來自輔汽聯(lián)箱夾層加熱溫度偏低，達(dá)不到最佳的啟動效果。為實現(xiàn)這一效果，對高壓缸夾層加熱系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化調(diào)整。通過增加1路由主蒸汽管道來的汽源進(jìn)入夾層加熱裝置，同時每臺機(jī)組配置1臺直通型減溫減壓器，可有利于汽輪機(jī)脹差的控制并達(dá)到最佳的啟動效果。其次保留輔汽汽源，考慮在機(jī)組滑參數(shù)停機(jī)時原夾層加熱汽源可作為冷卻汽源協(xié)同控制機(jī)組脹差，使機(jī)組滑停溫度進(jìn)一步降低，縮短機(jī)組冷卻時間。