電網調峰背景下汽輪機低壓缸零出力技術現狀綜述

左啟堯，唐震，李慧勇，張穎，王江峰*

（1. 西安交通大學能源與動力工程學院，陜西省 西安市710049；2. 國網山西省電力公司電力科學研究院，山西省 太原市030001）

0 引言

隨著風電、光伏電等清潔能源的飛速發展，電網對清潔能源的消納力度日益加大[1-3]。由于電力產能過剩而導致電網調峰的問題十分突出，再加上傳統的“以熱定電”發電模式導致冬季采暖期電網調峰任務十分艱巨，棄風、棄核、棄光情況愈加嚴重[4]。自2016年6 月以來，國家能源局陸續下發了一系列有關火電靈活性改造的政策，用以解決我國冬季電網調峰難題，整體提高我國冬季電網調峰能力并增大對清潔能源的消納量。

在此背景下，國內研究人員提出了低壓缸零出力改造技術，也在在戰爭中被稱作切除低壓缸供熱技術，該技術在發展早期還被稱為汽輪機無/少蒸汽運行技術。由于其他國家并沒有我國這樣的國情需求，故該技術的研究主要集中在國內。

目前針對低壓缸零出力技術的研究較少，為此，本文從低壓缸零出力早期發展、現代技術體系發展和實際應用3 方面進行總結，并指出需要解決的問題，以期對該技術的推廣應用提供參考。

1 低壓缸零出力技術早期發展

1.1 低壓缸零出力技術在20世紀60年代的發展

早在20世紀60年代，就已經出現了有關低壓缸零出力技術探索，此時電廠發電機組并未像現在這樣針對不同參數蒸汽而分為很多缸，就是一臺機汽輪機帶動發電機發電。

該技術起源于蘇聯，早在1955年以前，蘇聯已有針對軸流式汽輪機的無蒸汽運行經驗，而后國內研究人員引入該技術。此時的研究方法主要是實驗研究，用實驗驗證汽輪機無/少蒸汽運行技術的可行性，用以解決汽輪機的防腐問題，同時提高機組靈活性和電網經濟性，并沒有提到使用抽出的蒸汽用于供暖。

國內最早的相關研究是，1957年王允興[5]對5臺輻流式汽輪機進行了改造實驗。實驗中針對可能發生過熱風險的汽封處進行了特別監測，監測結果表明，雖然汽封處溫度相對排汽較高，但對比帶負荷時仍較低，并且機組并未發生異常振動。1959年，顧榮芳[6]用一臺英國茂偉型汽輪機也進行了改造實驗。此機組高壓側采用的是水封技術，本身就具有降溫能力，故實驗中未通入冷卻蒸汽，機組在運行過程中振動、壁溫均在正常范圍內。

早期研究的實驗機組運行均安全可靠，初步證明無蒸汽運行方案是安全可行的，機組并不需要規定機組的最低功率，可以妥善解決備用汽輪機的防腐問題，還能提高電網經濟性。

1.2 低壓缸零出力技術在20世紀80年代的發展

到了20 世紀80年代，我國國民經濟快速崛起，能源需求量大大增加，電網負荷峰谷差也隨之日益增大，如何做好調峰工作被提上日程。這個階段的研究也主要是實驗研究，并且此時該技術也沒有用于加強機組供暖能力。與20世紀60年代不同的是，此時研究人員除了解決機組防腐問題以外，還想加強機組調峰能力，減少機組啟停次數以延長機組壽命。實驗結果也都證明使用無/少蒸汽運行技術能達到上述目的。

王可輝等[7]對雞西發電廠5 號機組(31-25-2型)，李金榮[8]對一臺背壓機組，進行了改造并進行了無蒸汽運行實驗。試驗結果表明：少蒸汽運行作為電力系統調峰的運行方式是切實可行的，機組的主要參數均在規定范圍內。但需注意不能頻繁切換工作模式，因為某些部件切換時金屬溫度的升溫、降溫率有可能超過規定值，會在一定程度影響機組壽命。

徐奇煥[9]對母管制調峰機組無蒸汽運行進行了可行性分析。提出了具體的無蒸汽運行母管制機組的必備技術條件：冷卻汽管、軸封聯絡汽管、噴水減溫裝置、并聯凝結水系統以及增設檢測儀表。這為后來的低壓缸改造實驗研究提供了重要指導。

這個階段使用該技術僅僅是為了在不需要做功或者系統其他部分出現問題需要檢修時，讓汽輪機保持運轉狀態避免停機，實際上僅僅相當于機組暫時停用。但這需要額外蒸汽和電力使其運轉，故雖對電網經濟性有所提升，但是會對電廠的經濟性有所影響。

2 現代低壓缸零出力技術理論發展

自2016年以來，國家能源局陸續出臺了一系列關于火電靈活性改造方面的政策，用以解決我國冬季電網調峰難題，同時提高電網對新能源的消納能力，各大發電集團紛紛響應。尤其對于北方大型抽凝供熱機組，首先，冬季供熱面積不斷增加，機組供暖能力需要提高；其次，我國新能源發展迅猛，需要降低火電機組發電能力，以此降低棄風棄光率。在2017年，首臺機組經改造后成功運行，因此，汽輪機低壓缸零出力技術逐漸受到各方關注。

2.1 低壓缸零出力技術基礎理論研究

許多學者對壓缸零出力技術進行了理論探索，目的是驗證低壓缸零出力技術應用在大功率機組上的可行性。

該技術首先將低壓缸抽至高度真空，并配合使用全密封閥門將低壓缸原進汽管道切斷，終止低壓缸進汽，讓低壓缸保持空轉狀態，不帶動發電機，以此實現低壓缸電負荷為零。并且原本流入低壓缸的蒸汽被直接用于對熱網供熱，供熱能力得到極大提高。與此同時，汽缸溫度會因為低壓缸空轉產生鼓風熱量而升高，為保證低壓缸安全，需要新增旁路管道，將冷卻蒸汽通入低壓缸，降低低壓缸溫度，保證機組安全運行。除此之外，電廠的凝結水、循環水等系統均不需要改造，極大降低改造成本和縮短改造時間。

研究人員采用Ebsilon等軟件建立了低壓缸零出力熱電聯產系統模型，采用變工況熱力計算方法、經濟性分析、能量利用分析等多種方法對模型進行運算，運算結果表明：低壓缸零出力技術在大幅降低機組電負荷的同時，還能使機組的供熱量增大，以此提高機組在冬季的調峰能力，產生巨大節能效益，并且改造成本低。再結合國家電價補償政策，還能讓電廠效益最大化，綜合以上優點，該技術具有十分廣闊的應用前景[10-18]。

針對某330 MW亞臨界機組，通過計算得出，機組最小進汽工況下輸出功率為175 MW，發電負荷率為52.5%，而經過改造以后，機組零出力工況下輸出功率為131 MW，發電負荷率降低為39.3%，大大提升了機組調峰靈活性[11]。針對某350 MW 機組，經改造，不僅可以使發電功率降低90 MW，還能有效降低煤耗[12]。針對某三排汽汽輪機機組，在發電量為200 MW 的情況下，改造前最大熱電比為1.278，改造后最大熱電比大幅提升到2.385[14]。針對某300 MW 供熱機組，文獻[16]研究了供熱負荷以及標煤價格變動對機組經濟效益的影響，結果表明：經過改造后，機組調峰能力大幅增加，熱電比從1.72 提高至2.47，但運行調峰損失電量補償標準需達到0.15元/(kW?h)才能保證繼續運行的效益，并且標煤價格越低，調峰損失電量補償標準也就越低。

典型低壓缸零出力供熱技術改造圖如圖1 所示[13]。僅僅是在低壓缸與中壓缸之間增加了冷卻旁路管道及閥門，在原低壓缸進汽管道上增加了關斷蝶閥而已，改造十分簡單，改造成本低。

圖1 典型低壓缸零出力供熱技術改造圖Fig.1 Typical low-pressure cylinder zero-output heating technology transformation diagram

工質進入鍋爐加熱蒸發并且提高參數，然后高參數蒸汽首先進入高壓缸做功，完成第1 次做功的高壓缸出汽重新回到鍋爐進行再熱，再熱蒸汽之后進入中壓缸進行第2 次做功。改造前的中壓缸出汽分2股，分別進入低壓缸進行第3次做功和抽出進入熱網用于供暖。此時電熱負荷相互耦合，并且一般情況下是以熱定電，這種工況下的機組調峰能力十分有限。

經改造后，增加了低壓缸冷卻旁路，機組能進入零出力運行工況。正常工況下低壓缸關斷蝶閥打開，旁路關斷閥關閉，機組既發電又供熱；零出力工況下，低壓缸關斷蝶閥關閉，冷卻旁路關斷閥打開，旁路調節閥可以調節冷卻蒸汽流量大小，而剩余絕大部分蒸汽全部進入熱網用于供暖，此時低壓缸出力為零，機組不發電，供暖能力劇增，機組調峰能力得到大幅增強。在此基礎上，王建勛[17]還研究了背壓對零出力機組的影響，結果發現，適當降低背壓有利于增大低壓缸流量、提高機組安全性。

學者們[19-20]使用Ebsilon 軟件建立了針對某330 MW機組和某320 MW機組零出力改造前后的熱力計算模型。計算結果表明：在零出力工況下，對于330 MW機組，機組熱電比增加了75.8%，發電標準煤耗率降低了54.5 g/(kW?h)，一個供熱期可節煤4.33萬t；在主汽量相同的情況下，改造后供熱能力提升172.1 MW，供熱能力增加了52%，有效提升了機組調峰能力。對于320 MW 機組，最大抽汽量提升了97%，每年可以節約標準煤約5500 t。

2.2 低壓缸零出力關鍵技術發展情況

以上理論分析得出低壓缸零出力技術有眾多優點，也提出了很多注意事項，但是在具體改造過程中，仍然有很多關鍵技術問題需要解決。學者們針對低壓缸改造過程中出現的各種實際問題提出了眾多解決方案，并且關鍵技術問題主要集中在葉片保護方案、低壓缸冷卻方案、低壓缸閥門控制方案、復雜機組改造等，低壓缸零出力技術體系已經得到初步發展。這些工作為今后的低壓缸改造實踐奠定了理論基礎。

2.2.1 葉片保護方案

對機組而言，安全問題永遠是重中之重，而安全問題首先就要考慮在進行低壓缸改造后，葉片能否安全運行。低壓缸在工質流量很小的情況下容易發生水蝕，原因是缸內汽流會在末級及次末級出現氣流脫離，形成倒渦流區，長期沖刷會導致葉片水蝕，同時形成渦流還會導致自激震顫，即葉片失速震顫，使葉片動應力增大，進而發生危險[13]。

學者們采用多種方法對低壓缸葉片進行了研究，并在提出了讓葉片持久安全平穩運行的方案[21-25]。模擬結果表明：當流量小于30%之后，末級動葉片開始出現分離區；流量小于23%之后，末級葉片進入鼓風狀態，流場溫度開始升高；繼續降低流量，當流量減到5%時，靜葉葉頂出氣邊附近出現溫度極大值，達到342 ℃[17]。

提高改造安全性的要點如下：

首先，應關注葉片動應力，改造前需要計算末級葉片所承受的動應力，除了計算在設計工況和零出力工況下的受力情況，還需要注意在切換過程中葉片是否發生共振，所受動應力是否超過葉片承受能力。為此，需要嚴格控制切換時間，盡量減少切換次數，增加監控測點，并加強對末級葉片的維護和更換。

其次，由于葉片溫度將升高，原廠設計的徑向通流間隙可能不再適用，要重新計算并調整動靜葉片間隙，重點在末級和次末級葉片[17]，以此避免由于鼓風導致的溫度升高從而導致的動靜葉碰磨。

再次，要采用高效去濕裝置或其他方法提高低壓缸內蒸汽干度，盡量避免低壓缸末級葉片水蝕，例如，在末級葉片上噴涂防水蝕涂層，優化噴水裝置的控制邏輯，避免過量噴水，使用霧化效果更好的噴水減溫裝置，使用改進的導流環結構和雙路噴水系統[25]，使用噴射泵[26]提升缸內干度等。

最后，針對零出力工況和切換過程中容易出現的風險，還需要設計合適的控制系統和安保系統，保證機組葉片安全平穩運行。

2.2.2 低壓缸冷卻方案

除了葉片必須安全運行以外，由于低壓缸空轉，低壓缸溫度將會升高，故還需保證低壓缸溫度不能過高，否則也會影響機組安全性，并且若直接使用中壓缸出汽冷卻低壓缸，會導致大量冷源損失，因此需要完善低壓缸的冷卻系統，該系統需要在滿足冷卻需求的情況下，盡可能減少能量損失，在提高電廠效益的同時也能為節能減排做出貢獻。

黃嘉駟等[27]提出了一種針對供熱機組低壓缸零出力工況下的新型低壓缸冷卻系統，該系統使用中壓缸出汽的能量將凝汽器中的凝結水閃蒸轉化為低溫低壓蒸汽，然后用該低溫低壓蒸汽冷卻低壓缸，該系統能穩定控制汽源參數，節約能量并且結構簡單，實用性極強。

而針對中壓缸的排汽參數較高，直接用作低壓缸冷卻蒸汽時無法有效做功，造成大量高溫高參數蒸汽做功能力損失的問題，劉學亮等[28]提出了一種新型低壓缸零出力蒸汽冷卻系統。該系統利用冷卻蒸汽與蒸汽壓力無關的特點，通過壓力匹配器引射給水泵驅動汽輪機乏汽，將乏汽壓力提高后通入低壓缸，作為冷卻蒸汽，減少了高溫高壓蒸汽的使用量，降低了機組整體冷源損失，提升了機組整體經濟性，并可以靈活控制冷卻蒸汽流量。

2.2.3 低壓缸閥門控制方案

在保證了低壓缸安全運行后，需要考慮的就是如何控制低壓缸進汽閥門，使低壓缸得到足夠冷卻，節約能量的同時讓機組能在正常運行工況和低壓缸零出力工況之間自由切換。

對此，針對某600 MW 熱電聯供機組，孫良環[29]提出了零出力改造后低壓缸閥門的控制策略：為了實現只切除一個低壓缸，設置了額外的控制蝶閥，并入機組汽輪機數字電液控制系統(digital electro-hydraulic control system，DEH)中；為滿足機組的緊急停機需求，還設置了能快速反應的液動關閉閥，并入機組的分散控制系統(distribute control system，DCS)中。該策略為以后大規模改造的控制問題提供了指導。

2.2.4 復雜機組改造

實際的供熱電站中，汽輪機的結構并不單一，針對不同的汽缸布置方案，需要有相匹配的低壓缸改造方案，讓低壓缸零出力技術能真正大規模投用以造福社會。學者們針對不同類型的供熱機組進行了研究。

為進行雙背壓供熱機組零出力改造，程東濤等[30]提出了一種針對雙背壓機組改造方法。該方法是在機組2個低壓缸上分別設置2組控制閥門和獨立冷卻系統，可以視情況讓2 個缸單獨或同時零出力運行，并能隨時切換，改造后可大幅增強機組供熱能力，使機組靈活性大大增強。

為解決不同機組的改造問題，例如針對雙排汽200 MW，三排汽200、600 MW 雙低壓缸熱電聯供機組等，學者們提出了與機組結構相匹配零出力改造方案[31-34]，用以緩解熱電聯供機組熱電負荷不匹配的矛盾，提高高品質能源的利用率。這些系統兼具成本低、靈活性強的特點，能有效解決針對汽輪機組日益增長的供熱需求與機組結構限制相矛盾的現狀。并且在供暖需求量較大的區域，可以將中壓缸和低壓缸進行聯合零出力改造，以獲得更大的最大供熱負荷和更低的最小電負荷，使機組調峰能力得到進一步加強。

針對四分流雙低壓缸的低壓缸零出力運行控制及保護方案的空缺，趙衛軍等[35]提出了一種雙低壓缸機組低壓缸零出力改造后的控制及保護方案。該方案提供的保護方法是對所有測點的數據進行實時采集，并經DEH控制系統對各個監測點的監測數據進行比對之后，能夠控制相應的閥門不同開度，以實現2 個低壓缸分別或同時投入/退出低壓缸零出力穩定運行狀態。

3 現代低壓缸零出力技術的實驗研究

隨著我國調峰要求日益增高，各發電集團希望更快將低壓缸零出力技術投入使用。在投產前，研究人員在某些電廠機組上進行了實驗[35-42]，積累了寶貴的經驗和數據，為后續大規模投產提供寶貴參考。

陳建國等[36]針對300 MW 機組進行了零出力改造研究。實施改造后，研究人員通過多項關鍵技術措施保證了機組運行安全性。首先，完善監控測點并將測點全部并入DCS系統；其次，對低壓缸末級葉片噴涂耐磨涂層，保證涂層均勻致密；再次，為了維持汽缸高真空，增設了一臺射汽式真空泵；最后，配置了新的低壓缸冷卻系統，嚴格控制冷卻蒸汽的各項參數。相比于改造前鍋爐最小出力工況，在保證對熱負荷不變的情況下，經改造后可使機組發電功率大幅下降，下降幅度約90 MW，供暖能力大幅上升，每小時采暖抽汽流量提高約185 t。機組調峰能力大大增強，并且經計算，改造后電廠機組煤耗減少約70 g/(kW?h)，每年收入增加約1300萬元。

劉勇等人[37]在華能上安電廠#3 號330 MW 亞臨界濕冷機組上進行了零出力改造實驗。實驗前，先對機組各項參數進行核算，尤其是切缸瞬間的各項參數。實驗過程中，低壓缸末級溫度可以通過減溫水有效控制，軸向位移、軸、瓦振動參數未發生顯著改變，機組輸出功率能降低到100 MW。實驗結果證明，改造后機組在多種工況下均能安全平穩運行，機組隨時可以切換到零出力工況投用，低壓缸參數變化均在可控范圍內，尤其是振動相關參數基本不隨低壓缸排汽壓力變化而變化。

曲大雷等[38]針對某發電公司2臺350 MW亞臨界燃煤機組進行了低壓缸零出力運行應用研究。實驗前先對低壓缸葉片強度進行了校核，結果表明，零出力運行期間可能存在的葉片應力超標、震顫、水蝕等都是可控的。并且完善了機組的檢測系統、優化了控制系統。實驗結果表明：在對外供熱負荷不變的前提下，與鍋爐最小處理工況相比，低壓缸零出力工況可降低發電功率約90 MW，電負荷出力系數能降低約26%，大大提高了機組調峰能力，具體參數對比如表1 所示。并且項目施工工期經過優化調整可降低至18 d 以內，投資小，見效快。在機組零出力運行450 h之后，通過解體低壓缸發現，低壓葉片并無異常。作者認為，低壓缸零出力運行從低負荷到頂尖峰靈活切換是滿足電網調度要求的最佳運行方式。

表1 某350 MW機組不同工況下定供熱負荷調峰參數對比Tab.1 Comparison of constant heat supply inaccordance with peak regulation parameters of a 350 MW unit under different working conditions

2017年10 月，以遼寧東方發電有限公司1 號機組為改造對象(該機組是哈爾濱鍋爐廠有限責任公司制造的350 MW 亞臨界凝汽式汽輪機)，通過實踐總結出改造工程前中后的經驗[39]。例如：機組停機冷卻后，檢查低壓缸噴水減溫裝置的噴頭是否堵塞，霧化效果是否良好，噴頭方向是否指向低壓缸排汽汽流方向；減溫水管道在低壓缸內的走向是否有泄漏點；如果減溫水系統不需要改造，還要試驗減溫水調節門調節是否滿足設計需要、系統隔離門是否嚴密；流量計前后保證足夠的管段長度；施工階段仔細檢查低壓缸末級葉片，消除缺陷隱患；冷卻蒸汽管道法蘭螺栓選擇耐高溫的合金螺栓，保證足夠的緊力；關注低壓缸改造后系統內各化學指標的變化；切換運行狀態的注意事項等。這些經驗對之后的低壓缸改造工程有重要的指導意義。

張繼文等[40]針對某135 MW 機組，比較了光軸改造技術和低壓缸零出力改造技術，發現零出力技術改造成本低，靈活性高，但可靠性稍低。不過通過安全性校核、噴水減溫和加涂耐磨涂層等手段，零出力改造安全性也得到了保證，最后選擇使用低壓缸零出力改造方案。實驗改造了中低壓連接管道、供熱蝶閥，加裝了調節閥，完善了監控測點，安裝了噴水減溫系統，對熱網水泵以及凝結水泵也進行了改造。表2 為改造后不同額定工況下增加的供熱量和減少的煤耗量對比，表明了改造對機組的調峰能力提升十分顯著。

表2 某135 MW機組不同工況供熱量和煤耗量對比Tab.2 Comparison of heat supply and coal consumption of a 135 MW unit under different working conditions

史衛剛等[41]針對某330 MW 機組，提出了具體改造方案：1）改造供熱蝶閥以及供熱管道，使其能夠滿足供熱需求；2）增設監測點，尤其是葉片的末級和次末級；3）對末兩級葉片噴涂耐磨涂層，防止水蝕發生；4）為低壓缸加裝冷卻蒸汽系統，帶走由于空轉產生的鼓風熱量；5）為了增強降溫效果，為低壓缸加裝了噴水減溫裝置。實驗結果證明，改造后的機組抽汽供熱能力大約增加了87 MW，在主蒸汽流量為400 t/h的情況下，發電功率可降低至80 MW，調峰能力提升顯著。

李文林[42]對寧夏西夏電廠2 臺機組的改造可能性進行了理論分析，并實施行了改造。運行中應注意：若機組零出力運行時關鍵參數異常，需及時回到正常運行狀態；零出力運行時，冷卻蒸汽流量應保證大于10 t/h；在切換過程中需加強壓力監視，防止超壓；長期零出力運行時，需保證循環水供水溫度不低于10 ℃；零出力運行過程中必須嚴格監視低壓缸溫度，防止因溫度過高而造成安全隱患。經過改造后的機組供熱面積增加約180 萬m2，發電煤耗率降低30～40 g/(kW?h)，約1.5年收回投資。

4 尚待解決的問題

目前，我國電力產能過剩，隨著光電、風電、核電等清潔能源消納力度加大，電網調峰需求日益增高，低壓缸零出力技術在調峰方面有顯著優勢，但是未能大規模運用推廣，主要有以下5 個問題需要解決：

1）理論研究還未能與實際應用完全匹配。理論研究多集中在單獨一個低壓缸上，而實際電廠中汽輪機配置方式多樣，情況復雜，雖然已經有部分學者進行了研究，但還不足以滿足實際需求，需要研究人員結合實際進行方案改進和優化。

2）零出力工況與汽輪機設計工況不同。在每個缸實施切缸操作前，都需要對低壓葉片的安全性進行校核，需要重點關注葉片動應力，還需要考慮葉片的水蝕和震顫問題，保證改造后機組能安全平穩運行，計算復雜并且都需要實驗。若能在設計階段就設計出在2 種工況下均能良好工作的葉片，便能使本技術更快更好投產。

3）附屬系統研究還未完善。在實際應用中還有許多問題，例如：控制系統、旁路系統、冷卻系統、監控系統的匹配問題。完善的附屬系統能讓機組更穩定運行，并能提高機組經濟性。對此，需要企業加強和研究機構的合作，共同解決問題。需要特別注意的是，當電廠進行了低壓缸零出力改造后，電廠供熱能力會大幅提升，當熱負荷最大時，還需要考慮原本熱網系統內的設備是否能承受零出力情況下的負荷，這也是需要完善的輔助系統。

4）冷卻工質選取。零出力工況下低壓缸的冷卻是保證機組安全運行的關鍵，現在大部分使用的是蒸汽冷卻，有葉片水蝕的風險，是否可以采用別的工質進行冷以卻避免水蝕風險，還需要研究人員進行進一步探索。

5）結構改進。低壓缸葉片在經過改造后會由于葉片空轉而產生可觀的鼓風熱量，使低壓缸有超溫風險。實際上部分熱量被冷卻蒸汽帶走，但未進行利用，可以探討將這部分蒸汽并入主汽的可能性(此時低壓缸起到預熱作用)，以進一步提高電廠經濟性、節約能源。

5 結論

隨著我國對清潔能源的消納力度加大，需要提升電網中火電機組的調峰能力，低壓缸零出力技術應運而生。經過對前人研究的分析總結，得出如下結論：

1）低壓缸零出力技術作為一種電廠運行方案，具有調峰能力顯著、改造成本低、經濟性高的特點；

2）需要采用高效除濕裝置、控制葉片溫度、控制葉片應力等方法保證葉片安全；

3）需要采用新型高效冷卻系統等方法保證低壓缸不超溫；

4）對于復雜的發電系統，可以定制有針對性的改造方案來采用低壓缸零出力技術，提升機組熱經濟性等。