600 MW超臨界供熱汽輪機(jī)及供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

邱云峰

(江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇南京211102)

南京熱電廠在拆除老廠6臺(tái)機(jī)組后騰出的場(chǎng)地上，建設(shè)2×600 MW超臨界燃煤發(fā)電供熱機(jī)組，不考慮再擴(kuò)建。機(jī)組采用600 MW超臨界供熱汽輪機(jī)。汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的600 MW超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式、8級(jí)回?zé)?、兩?jí)可調(diào)整抽汽供熱汽輪機(jī)，每臺(tái)機(jī)組中壓最大抽汽量和低壓最大抽汽量均為150 t/h。該工程汽輪機(jī)為國(guó)內(nèi)首臺(tái)采用雙抽可調(diào)600 MW超臨界汽輪機(jī)。

1 汽輪機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

汽輪機(jī)設(shè)計(jì)采用三缸四排汽總體設(shè)計(jì)方案，高中壓缸、低壓缸、軸承和閥門均采用東方汽輪機(jī)廠成熟的600 MW超臨界純凝機(jī)型的總體結(jié)構(gòu)。針對(duì)機(jī)組雙抽供熱的設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)，汽輪機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除抽汽級(jí)葉片（高壓末級(jí)葉片、中壓末級(jí)葉片）進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計(jì)外，對(duì)高中壓缸抽汽口強(qiáng)度也進(jìn)行核算加強(qiáng)。

1.1 高中壓缸可靠性設(shè)計(jì)

高中壓缸的工作條件比較復(fù)雜：工作壓力較高，最高使用溫度可能達(dá)到580℃；進(jìn)汽、排汽及抽汽管集中。特別是供熱機(jī)組，由于中壓排汽壓力（抽汽壓力）、溫度的降低以及抽汽管道的加大使問(wèn)題更加突出。東汽應(yīng)用大型結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)汽缸應(yīng)力、變形、中分面螺栓強(qiáng)度、法蘭的密封性能等進(jìn)行詳細(xì)校核的計(jì)算分析，同時(shí)消化吸收日立300 MW，600 MW汽輪機(jī)汽缸的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)原則，保證汽缸結(jié)構(gòu)更加合理，使用更加安全。

1.2 供熱汽輪機(jī)供熱可靠性設(shè)計(jì)

目前，大型供熱汽輪機(jī)可以作為一般純凝汽機(jī)組帶基本負(fù)荷或調(diào)峰負(fù)荷運(yùn)行，也可以在熱網(wǎng)中按熱電聯(lián)供工況運(yùn)行。因此就可靠性設(shè)計(jì)而言，它既有常規(guī)凝汽機(jī)組的共同性，又有供熱壓力大范圍可調(diào)的供熱型機(jī)組的特殊性[1]。

供熱機(jī)組可靠性設(shè)計(jì)主要滿足下列方面的特殊要求：

（1）供熱抽汽點(diǎn)前的葉片在正常允許運(yùn)行工況范圍內(nèi)強(qiáng)度足夠，不超溫；

（2）低壓末級(jí)葉片在最小允許冷卻流量下不噴水，附加動(dòng)應(yīng)力不超限；

（3）蝶閥及其油動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)壓差及全行程范圍內(nèi)不卡澀，開關(guān)靈活自如；

（4）甩電負(fù)荷時(shí)，保證不發(fā)生危險(xiǎn)超速。

1.2.1 供熱抽汽點(diǎn)前的葉片可靠性

大型供熱機(jī)組供熱抽汽點(diǎn)前的葉片，由于受到抽汽壓力和流量變化的影響，將受到抽汽口脈動(dòng)激振力的作用，對(duì)葉片產(chǎn)生很大的動(dòng)應(yīng)力；當(dāng)抽汽級(jí)壓差增大時(shí)，抽汽壓力達(dá)最低，供熱抽汽點(diǎn)前幾級(jí)，特別是最近級(jí)，輪周功率將大大增加，最大供熱工況與凝汽工況相比可能大一倍多。因此在葉片強(qiáng)度設(shè)計(jì)上必須作特殊考慮。通過(guò)各種設(shè)計(jì)技術(shù)和運(yùn)行限制措施，能保證葉片安全可靠的工作。

1.2.2 低壓末級(jí)葉片可靠性

在最大供熱工況時(shí)，低壓缸只通過(guò)用來(lái)冷卻缸內(nèi)零件的流量，流動(dòng)狀況十分惡劣。末級(jí)葉片處于小容積流量鼓風(fēng)工況，出現(xiàn)倒流，旋渦，并可能誘發(fā)葉片顫振自激振動(dòng)，使動(dòng)應(yīng)力大幅度升高。因此，供熱機(jī)組低壓缸末級(jí)葉片設(shè)計(jì)一般選擇剛度好、阻尼大、氣動(dòng)性能優(yōu)良的高可靠性長(zhǎng)葉片。汽輪機(jī)采用成熟的1 016 mm末級(jí)葉片，保證該機(jī)組能長(zhǎng)期安全可靠地運(yùn)行。

供熱機(jī)組低壓末級(jí)葉片（1 016 mm末級(jí)葉片）在可靠性方面具有以下特點(diǎn)：（1）在設(shè)計(jì)工況下有較高的根部反動(dòng)度，能推遲小容積流量工況下根部倒流的出現(xiàn)，保證在最小冷卻工況下排汽不超溫，不需要投噴水減溫；（2）具有高剛度和高強(qiáng)度，在正常背壓及最小允許冷卻流量工況下附加動(dòng)應(yīng)力很小，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)既不會(huì)發(fā)生疲勞破壞，更不可能發(fā)生顫振破壞，因此具有足夠的安全可靠性。

1.2.3 調(diào)壓系統(tǒng)可靠性

調(diào)壓系統(tǒng)包括蝶閥及其油動(dòng)機(jī)、動(dòng)力油、調(diào)壓控制系統(tǒng)等，其可靠性是保證自動(dòng)供熱的前提，同時(shí)也是在事故工況（如甩負(fù)荷）時(shí)影響機(jī)組安全性的主要原因之一。因此，大型供熱機(jī)組調(diào)壓系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)，這些技術(shù)使得調(diào)壓系統(tǒng)的可靠性得到足夠的保證：

（1）動(dòng)力油采用高壓抗燃油，它既減少油動(dòng)機(jī)體積又大大提高了提升力；

（2）控制系統(tǒng)采用全電調(diào)系統(tǒng)，使控制邏輯更合理、更嚴(yán)密；

（3）核準(zhǔn)油動(dòng)機(jī)最大舉力，并將安全系數(shù)放大到K＝3,以便將更多的不確定因素（如蝶閥發(fā)生少量變形，特殊工況下閥前壓力瞬間提高等）考慮進(jìn)去，使蝶閥在任何工況下都能靈活開、關(guān)；

（4）在抽汽管道上加裝抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥，滿足機(jī)組在供熱工況下運(yùn)行在“超壓區(qū)”時(shí)實(shí)現(xiàn)外部自動(dòng)調(diào)節(jié)的需要。此閥只在較大的進(jìn)汽量、較小的抽汽量工況下起調(diào)節(jié)作用。此閥兼有甩負(fù)荷工況下快關(guān)的功能，因此不用再設(shè)快關(guān)閥。

1.2.4 甩電負(fù)荷時(shí)可靠性

熱電聯(lián)供時(shí)甩電負(fù)荷的事故工況對(duì)機(jī)組安全可靠性是最嚴(yán)峻的考驗(yàn)，也是用戶最關(guān)心的問(wèn)題，原因是大機(jī)組轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)小，而供熱機(jī)組甩電負(fù)荷后有害容積大，正常動(dòng)態(tài)超速最大，若抽汽管道上的閥門因故障不能關(guān)閉，供熱系統(tǒng)蒸汽大量倒灌，足以引起嚴(yán)重超速，后果不堪設(shè)想。

東方汽輪機(jī)廠分析比較了國(guó)外大型供熱機(jī)組有關(guān)甩電負(fù)荷可靠性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，最終采用了具有多重冗余安全功能的設(shè)計(jì)方案，使可靠性獲得切實(shí)的保證。

每根供熱抽汽管道上除按常規(guī)要求設(shè)置一個(gè)逆止閥及一個(gè)電動(dòng)閥外，還串聯(lián)一個(gè)具有快關(guān)功能的抽汽調(diào)節(jié)閥，其主要目的是為甩負(fù)荷（包括只甩熱負(fù)荷）時(shí)快關(guān)而設(shè)。

甩電負(fù)荷信號(hào)既聯(lián)動(dòng)抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥快關(guān)，也聯(lián)動(dòng)蝶閥暫關(guān)，使高、中壓缸短時(shí)做負(fù)功，以阻止機(jī)組超速。

1.2.5 甩熱負(fù)荷時(shí)可靠性

甩熱負(fù)荷時(shí)可靠性系指維持鍋爐工況不變，將供熱工況快速可靠地轉(zhuǎn)變?yōu)榧兡r。

甩熱負(fù)荷信號(hào)聯(lián)動(dòng)抽汽管道上抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥與逆止閥快關(guān)，迅速切除供熱抽汽。

同時(shí)聯(lián)動(dòng)蝶閥快開，讓抽汽快速改道進(jìn)入低壓缸做功，將供熱工況轉(zhuǎn)為純凝汽工況。

1.3 中壓調(diào)節(jié)閥參與供熱調(diào)節(jié)可靠性分析

中壓供熱抽汽從再熱熱段抽出，供熱壓力要求4.2 Mpa；而設(shè)計(jì)中再熱熱段壓力在純凝THA工況下僅能達(dá)到4 Mpa，抽汽后將會(huì)更低，因而必須有調(diào)節(jié)手段才能滿足參數(shù)要求，為此，該工程采用了中壓調(diào)節(jié)閥參與調(diào)節(jié)的方式實(shí)現(xiàn)該段可調(diào)供熱。

中壓調(diào)節(jié)閥原設(shè)計(jì)在啟動(dòng)及低負(fù)荷下參與調(diào)節(jié)，在高負(fù)荷下閥門開度增加，主要為整流作用。保持閥門穩(wěn)定性良好的最根本措施是盡可能削弱汽流對(duì)閥蝶和閥桿的激振。因此，在閥內(nèi)設(shè)置整流濾網(wǎng)，合理設(shè)計(jì)濾網(wǎng)孔徑分布及閥蝶型線從而合理地組織閥內(nèi)流道是改善閥門內(nèi)部汽流流動(dòng)有效的途徑。

通過(guò)吹風(fēng)試驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合的方法，不斷優(yōu)化閥門型線和結(jié)構(gòu)，使閥門流量特性、提升力特性及穩(wěn)定性達(dá)到了非常完美的程度。優(yōu)化后在80%負(fù)荷以上，中調(diào)門在相對(duì)行程5%～15%以內(nèi)時(shí)，對(duì)流量具有調(diào)節(jié)作用。同時(shí)在該區(qū)域內(nèi)，流量變化較平緩，表明調(diào)節(jié)特性較好。調(diào)節(jié)曲線連續(xù)、光滑，表明該閥門全行程下的調(diào)節(jié)特性及操控特性良好，即中壓調(diào)節(jié)閥參與壓力調(diào)節(jié)的方式是可行的。

1.4 機(jī)組供熱控制方案設(shè)計(jì)

1.4.1 雙抽供熱機(jī)組描述

雙抽機(jī)組由中壓調(diào)節(jié)閥、連通管蝶閥、高中低壓缸組成。

雙抽機(jī)組有2個(gè)抽汽口，一個(gè)在中壓缸下部排汽口處，靠聯(lián)通管蝶閥控制低壓抽汽壓力。一個(gè)在再熱器和中壓調(diào)節(jié)閥之間，靠中壓調(diào)節(jié)閥來(lái)控制中壓抽汽壓力。

1.4.2 控制設(shè)計(jì)方案描述

（1）汽輪機(jī)自動(dòng)控制方式下的分調(diào)和牽連2種模式。

①自動(dòng)牽連：各被控量分別實(shí)行閉環(huán)控制，各閥之間按照相互影響關(guān)系發(fā)生聯(lián)系。運(yùn)行人員操作被控量完成對(duì)機(jī)組輸出量的調(diào)整。

②自動(dòng)分調(diào)：各被控量分別實(shí)行閉環(huán)控制,各閥之間的控制信號(hào)沒(méi)有聯(lián)系。 運(yùn)行人員操作被控量給定值完成對(duì)機(jī)組輸出量的調(diào)整。

（2）手動(dòng)控制方式下分調(diào)模式。當(dāng)機(jī)組部分設(shè)備有缺陷時(shí)可選擇手動(dòng)分調(diào)方式，運(yùn)行人員設(shè)置高壓調(diào)節(jié)閥給定，設(shè)置中壓調(diào)節(jié)閥給定，設(shè)置操作蝶閥給定來(lái)調(diào)整機(jī)組功率和抽汽壓力。

2 供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

南京熱電廠2臺(tái)600 MW超臨界雙抽供熱機(jī)組作為供熱工業(yè)用汽汽源，供熱介質(zhì)為過(guò)熱蒸汽。參數(shù)分別為4.2 MPa（a），420℃和1.0 MPa（a），330℃。每臺(tái)600 MW超臨界機(jī)組最大供熱量為300 t/h。熱網(wǎng)補(bǔ)水由化學(xué)處理車間來(lái)，直接進(jìn)入凝汽器除氧，不設(shè)低壓除氧器。熱網(wǎng)不考慮回水。

中、低壓供熱蒸汽分別從再熱熱段及四級(jí)抽汽上抽取。中壓供熱蒸汽從再熱熱段上引出，抽汽經(jīng)過(guò)布置在汽機(jī)房毗屋運(yùn)轉(zhuǎn)層的減溫器減溫后接至A排外4.2 MPa（a）供熱母管，單機(jī)額定供熱量為150 t/h。低壓供熱蒸汽從汽機(jī)中壓缸排汽即四級(jí)抽汽上引出，管徑D N500，再接至A排外1.0 MPa（a）供熱母管，單機(jī)額定供熱量為150 t/h。中壓供熱抽汽利用中壓進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥整定供熱壓力，經(jīng)減溫后向熱用戶供汽；低壓供熱抽汽采用供熱蝶閥控制整定供熱壓力，供熱蝶閥布置在汽輪機(jī)中、低壓連通管上。在中低壓供熱抽汽管道還裝有液動(dòng)逆止閥、電動(dòng)快關(guān)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)隔斷閥，以及作為超壓保護(hù)用的安全閥。在蒸汽管道上另外設(shè)有流量測(cè)量裝置，便于計(jì)量供熱蒸汽量。

中壓供熱原則性熱力系統(tǒng)如圖1所示。低壓供熱原則性熱力系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 中壓供熱原則性熱力系統(tǒng)

圖2 低壓供熱原則性熱力系統(tǒng)

為提高供熱系統(tǒng)的可靠性，該工程供熱母管與鄰近的華能南京電廠供熱母管聯(lián)通，供熱互為備用。由于2個(gè)電廠供熱參數(shù)不同，2個(gè)廠供熱系統(tǒng)聯(lián)通的設(shè)計(jì)方案如下：該工程的中壓汽源減溫減壓后作為華能南京電廠的供熱備用汽源（約1.5 MPa）；而華能南京電廠供熱汽源減溫減壓后作為該工程低壓汽源的備用汽源。

南京熱電廠供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足以上要求，目前機(jī)組已經(jīng)投運(yùn)，實(shí)踐證明是安全可靠的。

3 結(jié)束語(yǔ)

南京熱電廠600 MW超臨界雙抽供熱機(jī)組，在純凝工況下發(fā)電廠熱效率為44.26%，對(duì)應(yīng)發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率277.5 g/（kW·h）；在額定供熱工況下發(fā)電廠熱效率為57.47%，對(duì)應(yīng)發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率僅為260.5 g/（kW·h）。該工程性能指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于同類純凝機(jī)組，甚至也優(yōu)于1 000 MW超超臨界機(jī)組，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

目前，300 MW級(jí)供熱汽輪機(jī)為國(guó)內(nèi)熱電廠的主流機(jī)型，而效率更高的600 MW超臨界雙抽供熱汽輪機(jī)很少見，該機(jī)型在南京熱電廠的成功應(yīng)用，將大大拓寬熱電廠供熱機(jī)型的選擇范圍。

[1]康 松，楊建明，胥建群.汽輪機(jī)原理[M].北京：中國(guó)電力出版社，2000.