125 MW抽汽凝汽式機(jī)組改造為背壓機(jī)組的可行性分析

李強(qiáng)華

(河北華電石家莊熱電有限公司，石家莊 050041)

國家對(duì)一次能源消耗的經(jīng)濟(jì)效益要求和減排要求的提高，在不同階段對(duì)火電設(shè)備生產(chǎn)廠家的火力發(fā)電設(shè)備提出了不同的政策規(guī)定和要求。汽輪機(jī)組的改造是火電設(shè)備生產(chǎn)廠家具有中國特色的一項(xiàng)工作，由于政策上和機(jī)組結(jié)構(gòu)上的原因，目前100 MW以上的汽輪機(jī)組的供熱改造僅停留在聯(lián)通管上打孔抽汽的方式。這樣的改造限制了供熱壓力的需求，難以滿足熱力市場的需求。

1 機(jī)組概況

某電廠機(jī)組是2004年生產(chǎn)的NC125-8.83/0.883型高壓沖動(dòng)、雙缸、單軸、兩排汽，具有一級(jí)調(diào)整抽汽的抽汽凝汽式汽輪機(jī)組，額定抽汽量100 t/h。汽輪機(jī)高壓部分級(jí)數(shù)為1單列調(diào)節(jié)級(jí)+11個(gè)壓力級(jí)+1調(diào)節(jié)級(jí)+3個(gè)壓力級(jí)，低壓部分級(jí)數(shù)為2×5壓力級(jí)。該機(jī)組2005年安裝投運(yùn)，目前，該機(jī)組作為“上大壓下”替代機(jī)組即將關(guān)停。為了緩解區(qū)域供熱緊張局面，提高供熱能力，計(jì)劃對(duì)該機(jī)組實(shí)施背壓改造，擬通過保留汽輪機(jī)原有高、中壓部分不動(dòng)，拆除低壓通流部分和凝汽器，改造低壓轉(zhuǎn)子，將其改造為背壓機(jī)組(設(shè)計(jì)改造背壓排汽壓力0.2 MPa)，并配套建設(shè)廠內(nèi)熱網(wǎng)及熱網(wǎng)首站。

2 汽輪機(jī)改造方案

2.1 改造原則

改造后的機(jī)組應(yīng)滿足電廠的基本要求，發(fā)電廠對(duì)該機(jī)組提出的改造原則如下：

a. 保證改造后機(jī)組的共振頻率遠(yuǎn)離機(jī)組的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，軸向推力在許可的范圍內(nèi)和熱膨脹在原機(jī)組設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，這是汽輪機(jī)改造的關(guān)鍵問題。

b. 尊重原機(jī)組設(shè)計(jì)的基本數(shù)據(jù)。由于機(jī)組的改造牽扯到機(jī)組的結(jié)構(gòu)變化，必定影響到機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的變化。因此，在改造機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能保證結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致原機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的變化最小。

c. 分缸壓力基本不變。

2.2 改造方案的比較

方案一：由于該機(jī)組設(shè)計(jì)背壓供熱壓力為0.20 MPa，此壓力正好在原機(jī)組16級(jí)后的高中壓缸至低壓缸的連通管處，因此在此處斷開，用二根φ900 mm排汽管將汽輪機(jī)背壓排汽引出至供熱站供熱。低壓汽缸停用，低壓汽缸內(nèi)的轉(zhuǎn)子僅作力矩傳遞用。

方案二：在第一方案的基礎(chǔ)上，改造高中壓汽缸的通流尺寸，提高中壓缸的通流能力，以滿足到機(jī)組改造后最大進(jìn)汽量條件下純背壓運(yùn)行的改造要求，最大程度提高機(jī)組供熱能力。

2.2.1 中壓汽缸通流改造

中壓汽缸通流改造與否的參數(shù)比較，見表1。

表1 中壓汽缸通流改造與否的參數(shù)比較

項(xiàng) 目方案一(不改造)方案二(改造)進(jìn)汽量/(t·h-1)330417進(jìn)汽溫度/℃535535進(jìn)汽焓/(kJ·kg-1)3 4703 470進(jìn)汽壓力/MPa8.838.83排汽量/(t·h-1)277.46330.43排汽溫度/℃128120排汽焓/(kJ·kg-1)2 732.82 710.1排汽壓力/MPa0.20.2發(fā)電汽耗/(kg·kWh-1)5.3655.275發(fā)電熱耗/(kJ·kWh-1)3 810.33 782.8發(fā)電量/kWh65 343.781 080.6

采用通流改造方案，機(jī)組發(fā)電、供熱能力、機(jī)組效率均有提高；在技術(shù)可靠性方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和設(shè)計(jì)理論的更新，汽輪機(jī)通流部分三元流氣動(dòng)設(shè)計(jì)、葉片動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)及有限元分析方法等已被廣泛運(yùn)用，通流部分改造技術(shù)成熟，對(duì)汽輪機(jī)的固有頻率和軸系推力的影響有限，只是改造周期要延長一些。

2.2.2 低壓轉(zhuǎn)子軸系改造

低壓轉(zhuǎn)子改造采用原軸方案：除去原低壓轉(zhuǎn)子上的葉片、葉輪，并重新加以配重，使改造后的軸與原低壓轉(zhuǎn)子具有同樣的質(zhì)量和質(zhì)量分配。軸兩端連接高中壓缸的轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。該方案利用了原機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子的軸、聯(lián)軸器等元件，由汽輪機(jī)廠拖回后拔出葉輪并加裝配重塊做動(dòng)平衡。

低壓轉(zhuǎn)子改造采用新軸方案：重新設(shè)計(jì)和加工一根新軸，使該軸與原低壓轉(zhuǎn)子具有同樣的連接結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和質(zhì)量分配。軸兩端連接高中壓缸的轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。低壓轉(zhuǎn)子采用新軸和原軸情況的比較見表2。

表2 低壓轉(zhuǎn)子采用新軸和原軸的比較

項(xiàng)目新軸原軸結(jié)構(gòu)形式完全相同完全相同質(zhì)量/t1818傳動(dòng)軸最小截面(力矩)/mm342342最大傳遞功率/MW80.782 6280.782 62一階臨界轉(zhuǎn)速/(r·min-1)1 8111 811使用壽命25年設(shè)計(jì)壽命計(jì)算按本機(jī)剩余使用壽命計(jì)算費(fèi)用/萬元100 0工期合同簽訂后4個(gè)月合同簽訂后2個(gè)月增加工序拔除原軸所有的葉輪、聯(lián)接法蘭

2.3 改造方案的確定

原機(jī)組高中壓汽缸后最大傳遞功率為93.494 2 MW，改造后為81.682 62 MW,改造后機(jī)組的高中壓汽缸后最大傳遞功率小于原機(jī)組高中壓汽缸最大傳遞功率。因此，采用與原機(jī)組相同結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)(軸和聯(lián)軸器等)是完全可行的。如使用原軸，可節(jié)省約100萬元的初投資，并可縮短供貨周期，因此推薦在原低壓轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。通過以上方案的論證與分析，為最大程度提高機(jī)組的供熱能力，最終確認(rèn)使用低壓轉(zhuǎn)子原軸、對(duì)中壓汽缸進(jìn)行通流改造的方案，即方案二。

2.4 改造方案的內(nèi)容

2.4.1 熱力計(jì)算

該機(jī)組改造的熱力計(jì)算，按保留回?zé)嵯到y(tǒng)的一個(gè)低壓加熱器的要求進(jìn)行，熱力計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 熱力計(jì)算結(jié)果

參數(shù)額定進(jìn)汽額定背壓高背壓進(jìn)汽量/(t·h-1)424424進(jìn)汽溫度/℃535535進(jìn)汽焓/(kJ·kg-1)3 4753 475進(jìn)汽壓力/MPa8.838.83背壓排汽量/(t·h-1)332.59340.77背壓排汽溫度/℃132155.4背壓排汽焓/(kJ·kg-1)2 710.12 772.1背壓排汽壓力/MPa0.20.299 8發(fā)電汽耗/(kg·kWh-1)5.2955.704發(fā)電熱耗/(kJ·kWh-1)3 789.83 796發(fā)電量/kWh80 080.674 336.8

2.4.2 汽輪機(jī)本體

a. 斷開在原機(jī)組16級(jí)后的高中壓缸至低壓缸的連通管處，用2根φ900 mm排汽管引出至供熱站供熱。拆除低壓內(nèi)缸，拆除低壓轉(zhuǎn)子上的動(dòng)葉片，改造后的低壓轉(zhuǎn)子僅用于傳遞力矩。

b. 改造中壓汽缸的通流部分，使之滿足原機(jī)組最大進(jìn)汽條件下純背壓運(yùn)行的要求。

c. 更換高中壓汽缸的后三級(jí)隔板、葉輪葉片。

d. 低壓轉(zhuǎn)子兩端分別連接高中壓缸的轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。

e. 高、低壓轉(zhuǎn)子返廠加工改造完成后，必須進(jìn)行靜、動(dòng)平衡工序，保證新轉(zhuǎn)子達(dá)到出廠標(biāo)準(zhǔn)要求。

f. 重新計(jì)算、校核低壓轉(zhuǎn)子和整個(gè)軸系，保證改造后機(jī)組軸系和軸瓦的達(dá)到出廠標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)規(guī)范要求。

g. 旋轉(zhuǎn)隔板設(shè)定為全開并鎖定。

h. 重新設(shè)計(jì)和校核汽封系統(tǒng)和回?zé)嵯到y(tǒng)等。

i. DEH和DCS系統(tǒng)將根據(jù)背壓機(jī)的要求進(jìn)行改造和重新設(shè)定。

j. 校核和調(diào)整機(jī)組的頂軸油和潤滑油壓力。

2.4.3 汽輪機(jī)輔助系統(tǒng)

a. 軸封系統(tǒng)：改造實(shí)施后，汽封自平衡消失，進(jìn)入汽封冷卻器的蒸汽量增大。擬將原冷卻器更換為面積更大的汽封冷卻器。原低壓缸軸封供汽和軸封漏汽管道、閥門和附件擬全部拆除。

b. 回?zé)嵯到y(tǒng)：目前有低壓加熱器全部拆除和拆除1、2、3號(hào)低壓加熱器并保留4號(hào)低壓加熱器兩種方案。保留4號(hào)低壓加熱器可以起到對(duì)化學(xué)除鹽水補(bǔ)水或熱網(wǎng)加熱器疏水進(jìn)行預(yù)熱的作用，可降低機(jī)組發(fā)電熱耗，提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。因此，擬采用拆除1、2、3號(hào)低壓加熱器并保留4號(hào)低壓加熱器的回?zé)嵯到y(tǒng)配置方案。

c. 低壓缸輔助系統(tǒng)：拆除凝汽器，封堵原低壓汽缸的進(jìn)、排汽口，同時(shí)監(jiān)測低壓汽缸內(nèi)的溫度，缸內(nèi)通空氣冷卻，杜絕因軸承標(biāo)高的變化可能引起的軸系振動(dòng)。

d. 汽輪機(jī)背壓排汽管路：汽輪機(jī)背壓排汽管路接自從原機(jī)組中壓缸排汽聯(lián)通管接口，并在接口附近增設(shè)波紋補(bǔ)償器。從汽缸排汽接口引出的兩根支管在基座范圍內(nèi)合并為一根排汽母管，在排汽母管上加裝蝶閥及操縱裝置，保證供熱蒸汽壓力的穩(wěn)定。另外在排汽管道上加裝逆止閥、安全閥、速關(guān)閥、排空管路及閥門等。

3 改造后機(jī)組性能變化的情況及改造效益

該機(jī)組由抽汽凝汽式機(jī)組改為背壓式機(jī)組后，將只能在冬季采暖期運(yùn)行，沒有冷端損失，機(jī)組熱效率將提高到83.6%。相對(duì)于新建熱水爐供熱，背壓機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，符合國家的節(jié)能減排政策。機(jī)組技術(shù)改造后，年均發(fā)電標(biāo)煤耗率降至171 g/kWh，采暖期相對(duì)于熱電分產(chǎn)節(jié)省標(biāo)煤約5.5萬t，污染物排放量減少45%，具有良好的節(jié)能降耗效益。

3.1 改造后機(jī)組的性能

3.1.1 中壓汽缸強(qiáng)度

改造后的中壓汽缸受力最大部位為12級(jí)級(jí)后處，該處最高溫度為280 ℃時(shí)，壓力為883.5 kPa。該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原汽缸使用材料(ZG230-450)在溫度為300 ℃時(shí)的屈服極限160 MPa和抗拉強(qiáng)度380 MPa。因此，通流改造后不會(huì)影響原汽缸的強(qiáng)度。

3.1.2 中壓轉(zhuǎn)子推力

高中壓汽缸通流部分改造后，由于改造后的各級(jí)壓力變化不大，受力面積因汽缸截面的限制，轉(zhuǎn)子軸向推力經(jīng)過計(jì)算和校核在許可的范圍內(nèi)。

3.1.3 低壓轉(zhuǎn)子推力

由于低壓轉(zhuǎn)子是對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改造后的低壓轉(zhuǎn)子也是對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此改造后的低壓轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中軸向推力不會(huì)變化。

3.1.4 機(jī)組膨脹變化

高中壓汽缸的通流部分改造后，由于各級(jí)間溫度變化較小，因此不會(huì)影響汽缸和轉(zhuǎn)子的膨脹。改造后機(jī)組低壓缸部分溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原汽缸的溫度，因此膨脹比原來小很多，運(yùn)行狀況會(huì)比原機(jī)組要好。

3.2 改造效益

由于該機(jī)組承擔(dān)某市城區(qū)熱網(wǎng)采暖供熱，機(jī)組改造前，額定供熱能力為工業(yè)蒸汽100 t/h，可供采暖供熱面積145萬m2。隨著城市建設(shè)快速發(fā)展，熱源建設(shè)相對(duì)滯后，區(qū)域內(nèi)供熱缺口巨大，嚴(yán)重影響城市工業(yè)和居民正常生產(chǎn)生活。機(jī)組改造為背壓供熱機(jī)組后，額定采暖排汽量將達(dá)到330 t/h，可供區(qū)域采暖供熱面積445萬m2，其中，替代原機(jī)組的汽網(wǎng)采暖面積約145萬m2(改造為水網(wǎng)供熱)，新增采暖供熱能力約300萬m2。進(jìn)行設(shè)備改造后，將有效緩解該城區(qū)采暖供需矛盾緊張的局面，可取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)束語

我國的火電生產(chǎn)廠家為了順應(yīng)政策導(dǎo)向，以最小的代價(jià)，對(duì)已在使用的設(shè)備采用了技術(shù)改造措施，可延長已不能滿足政策要求的設(shè)備和電廠的壽命，使即將被關(guān)閉設(shè)備的生命得以延伸。但目前國內(nèi)將125 MW抽汽凝汽式機(jī)組改造為背壓機(jī)組先例不多。該文以某125 MW抽汽凝汽式機(jī)組為例，通過對(duì)相關(guān)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較、綜合論證，提供了一個(gè)解決此問題的方法，并對(duì)改造的重點(diǎn)步驟、關(guān)鍵工序進(jìn)行簡要介紹。通過分析改造后機(jī)組的性能變化情況及效益評(píng)價(jià)，認(rèn)為使用低壓轉(zhuǎn)子原軸，采用中壓汽缸通流改造的方案將125 MW抽汽凝汽式機(jī)組改造為背壓機(jī)組具有可行性。對(duì)于那些不能滿足政策要求，符合改造條件的抽汽凝汽式機(jī)組可參考該文提出的方案進(jìn)行改造。

參考文獻(xiàn)：

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