300 MW濕冷汽輪機(jī)雙轉(zhuǎn)子互換高背壓供熱改造應(yīng)用

邵建明+陳鵬帥+周勇

文章編號(hào)： 1008-8857(2014)02-0100-05 DOI:10.13259/j.cnki.eri.2014.02.009

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摘 要： 隨著用戶需求增加及國(guó)家節(jié)能減排政策要求,對(duì)亞臨界300 MW濕冷汽輪機(jī)組進(jìn)行高背壓供熱改造成為火力發(fā)電廠滿足對(duì)外供熱需求和提高機(jī)組效率的重要措施之一,而汽輪機(jī)在供熱期和非供熱期雙低壓轉(zhuǎn)子互換是實(shí)現(xiàn)高背壓供熱改造一個(gè)行之有效的手段.以某電廠2號(hào)機(jī)300 MW機(jī)組采用雙低壓轉(zhuǎn)子互換技術(shù)進(jìn)行高背壓循環(huán)水供熱改造為例,簡(jiǎn)述了汽輪機(jī)在改造過(guò)程中需要考慮的主要問(wèn)題及相應(yīng)的改造方案.

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關(guān)鍵詞：

雙轉(zhuǎn)子互換; 高背壓; 供熱改造; 汽輪機(jī)

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中圖分類號(hào)： TK 264.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

An application of doublerotor interchange technology in the retrofit for a 

high back pressure heat supply system with 300 MW condensing turbine

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SHAO Jianming1, CHEN Pengshuai2, ZHOU Yong2

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(1.Shanghai Electric Power Generation Group,Shanghai 201108,China;

2.Shanghai Electric Power Generation Service Company,Shanghai 201612,China)

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Abstract： With the increasing demand of the clients and the request of national energysaving and emission reduction, retrofitting the high back pressure heat supply system with 300 MW condensing turbine has been one of the most important measures to meet the heat supply demand and improve the unit efficiency in thermal power plants. Double LP rotor interchange in heating period and nonheating period is an effective method to retrofit the high back pressure heat supply systems. The aim of this article is to elaborate the main problems and corresponding scheme base on the retrofit for high back pressure circulating water heat supply system of the No.2 300 MW unit in a power plant with double LP rotor interchange technology.

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Key words：

doublerotor interchange; high back pressure; heat supply system retrofit; turbine

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隨著國(guó)家能源政策的不斷調(diào)整,對(duì)電廠的二氧化碳排放量及循環(huán)效率的要求不斷提高,不但中小火電機(jī)組基本上失去了生存空間［1］,而且以前屬于大功率發(fā)電機(jī)組的亞臨界300 MW濕冷機(jī)組面臨越來(lái)越大的生存壓力.而熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱方式,不僅可以解決大中城市的供熱問(wèn)題,還可以大幅提高機(jī)組的熱效率［2］.因此300 MW濕冷機(jī)組只有進(jìn)行供熱改造,才能避免被越來(lái)越多的“上大壓小”發(fā)電項(xiàng)目所替代.

對(duì)于亞臨界300 MW火電汽輪機(jī)的供熱改造,近幾年來(lái)學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)供熱改造的方法和存在的問(wèn)題都進(jìn)行了深入的研究.譚旭東［3］在理論上分析了典型亞臨界純冷凝300 MW汽輪機(jī)改造時(shí)可能采用的供熱方式,并提出在改造后可能遇到的通流問(wèn)題、系統(tǒng)調(diào)節(jié)問(wèn)題和循環(huán)水問(wèn)題.對(duì)于供熱抽汽點(diǎn)的選擇,在不同的工程實(shí)例中有不同的選擇.許琦等［4］和林閩城［5］分別結(jié)合國(guó)電諫壁發(fā)電廠和溫州發(fā)電廠的工程實(shí)例,在技術(shù)層面上對(duì)從高壓排汽段進(jìn)行供熱改造方式的前期論證及具體實(shí)施情況進(jìn)行了詳細(xì)分析;胡萬(wàn)利［6］?jiǎng)t講述了通過(guò)加裝蝶閥在連通管上進(jìn)行供熱改造的技術(shù)方案.而高背壓供熱改造,由于徹底改變了汽輪機(jī)的運(yùn)行模式,技術(shù)難度大,一般150 MW以下機(jī)組采用得比較多［7］.

華電青島發(fā)電有限公司為青島市最大的熱源基地,現(xiàn)有4臺(tái)供熱機(jī)組,其中:1號(hào)、2號(hào)機(jī)組為N30016.7/538/538型純冷凝式汽輪機(jī),分別于1995年12月和1996年10月投產(chǎn);3號(hào)、4號(hào)機(jī)組為C30016.7/0.981/538/538抽汽凝汽式汽輪機(jī),單臺(tái)機(jī)組額定抽汽量400 t?h-1,分別于2005年12月和2006年7月投產(chǎn).雖然1號(hào)、2號(hào)機(jī)組曾進(jìn)行抽汽供熱改造,但是由于青島市的供熱需求快速增長(zhǎng),抽汽供熱方式已經(jīng)不能滿足需要.而高背壓改造可以大幅提高熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱能力,節(jié)能效果也較為顯著,因此華電青島發(fā)電有限公司300 MW機(jī)組的高背壓循環(huán)水供熱改造應(yīng)運(yùn)而生.該公司300 MW機(jī)組高背壓改造后供熱系統(tǒng)如圖1所示.熱網(wǎng)循環(huán)水主要通過(guò)凝汽器的高背壓首次加熱和機(jī)組中低壓連通管抽汽二次加熱,成為供用戶使用的高溫?zé)崴?熱網(wǎng)水釋放熱量后再回到機(jī)組凝汽器,構(gòu)成一個(gè)完整的循環(huán)水路.

圖1 高背壓供熱系統(tǒng)示意圖

Fig.1

The schematic diagram of high back pressure heat supply system

該公司300 MW機(jī)組高背壓供熱改造主要通過(guò)汽輪機(jī)雙低壓轉(zhuǎn)子互換實(shí)現(xiàn).汽輪機(jī)在采暖供熱期使用葉片級(jí)數(shù)較少的低壓轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)高背壓和非采暖供熱期使用原純凝轉(zhuǎn)子低背壓運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)采暖期對(duì)外高背壓循環(huán)水供熱和非采暖供熱期常規(guī)純凝運(yùn)行.

1 雙轉(zhuǎn)子互換高背壓改造需考慮的主要問(wèn)題及改造措施

機(jī)組采用雙轉(zhuǎn)子互換技術(shù)進(jìn)行高背壓改造,為實(shí)現(xiàn)采暖供熱期高背壓和非采暖供熱期常規(guī)純凝低背壓運(yùn)行功能,在汽輪機(jī)的改造設(shè)計(jì)過(guò)程中,需綜合考慮汽輪機(jī)通流、本體、軸系、輔助及回?zé)嵯到y(tǒng)、控制系統(tǒng)及其它方面存在的主要問(wèn)題并進(jìn)行相應(yīng)的改造或改進(jìn).

1.1 通流部分

機(jī)組原低壓轉(zhuǎn)子葉片級(jí)數(shù)為2×7級(jí),汽輪機(jī)常規(guī)純凝額定背壓為4.9 kPa.在采暖供熱期,背壓要求提高至54 kPa,由于原汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子按常規(guī)純凝背壓進(jìn)行設(shè)計(jì),葉片的級(jí)數(shù)和末級(jí)葉片強(qiáng)度不能滿足高背壓工況需求,否則將引起葉片的顫振及背壓不可控的提高,故需考慮重新設(shè)計(jì)通流,選擇合適的葉片級(jí)數(shù)及末級(jí)葉片長(zhǎng)度.通過(guò)計(jì)算分析,新設(shè)計(jì)高背壓轉(zhuǎn)子為2×5級(jí)比較合適.同時(shí),考慮到高背壓工況中低壓連通管位置需要進(jìn)行大量抽汽對(duì)循環(huán)水進(jìn)行二次加熱及機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性,新設(shè)計(jì)葉片及隔板需采用最新技術(shù)設(shè)計(jì)相對(duì)較小的通流.

1.2 本體部分

由于需要實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)采暖供熱期和非采暖供熱期的反復(fù)切換運(yùn)行功能,且兩種工況下汽輪機(jī)的通流結(jié)構(gòu)大小及形式差別較大,故考慮將采暖供熱期的五級(jí)隔板(共五級(jí))和非采暖供熱期的前五級(jí)隔板(共七級(jí))分別設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)可與低壓內(nèi)缸(采暖供熱期和非采暖供熱期共用)裝配的對(duì)應(yīng)的低壓靜葉持環(huán)中,為此,需重新設(shè)計(jì)采暖供熱期和非采暖供熱期的(前)五級(jí)的隔板和持環(huán),同時(shí)非采暖供熱期后兩級(jí)隔板需要改造成現(xiàn)場(chǎng)可裝配的結(jié)構(gòu)形式.新設(shè)計(jì)的共用低壓內(nèi)缸也由雙層內(nèi)缸更換為整體內(nèi)缸結(jié)構(gòu),首次安裝時(shí)需要割除抽汽管道并重新焊接(今后無(wú)需對(duì)抽汽管道進(jìn)行割除和焊接).高背壓供熱工況運(yùn)行時(shí),考慮到汽輪機(jī)排汽溫度的升高,低壓缸下機(jī)座向上的膨脹量增大,故在調(diào)整低壓缸汽封(包括葉頂、隔板汽封)時(shí),要充分考慮下部預(yù)留間隙,避免汽封摩擦.

在首次采暖供熱期,采用新設(shè)計(jì)的低壓?jiǎn)螌诱w內(nèi)缸替代原低壓內(nèi)缸,配套裝配裝有五級(jí)供熱隔板的低壓持環(huán),在低壓末兩級(jí)隔板槽處安裝帶有隔板槽保護(hù)功能的導(dǎo)流板,同時(shí)采用新設(shè)計(jì)的高背壓供熱轉(zhuǎn)子運(yùn)行.之后再進(jìn)入采暖供熱期時(shí),僅需更換靜葉持環(huán)及隔板、導(dǎo)流板及轉(zhuǎn)子即可.此外,需進(jìn)行控制策略和保護(hù)的修改和增加.

在非采暖供熱期,拆除采暖供熱期靜葉持環(huán)及隔板、導(dǎo)流板及轉(zhuǎn)子,采用新設(shè)計(jì)的裝有五級(jí)純凝隔板的靜葉持環(huán)、末兩級(jí)隔板及機(jī)組原純凝轉(zhuǎn)子即可,并恢復(fù)原純凝運(yùn)行的控制策略和保護(hù).

1.3 軸系部分

由于高背壓轉(zhuǎn)子重新設(shè)計(jì)及排汽溫度的升高,需考慮機(jī)組軸系的穩(wěn)定性和標(biāo)高變化的影響.

1.3.1 軸系的穩(wěn)定性

改造后低壓轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與改造前相比,由于高背壓工況全新設(shè)計(jì)的小通流低壓轉(zhuǎn)子由2×7級(jí)改為2×5級(jí)(轉(zhuǎn)子的這一結(jié)構(gòu)變化對(duì)轉(zhuǎn)子的剛度分布和質(zhì)量分布都會(huì)產(chǎn)生較大的影響),從而使得整個(gè)軸系的動(dòng)力學(xué)特性發(fā)生一定變化,需對(duì)改造前后軸承油膜特性、軸系臨界轉(zhuǎn)速、穩(wěn)定性及扭振性能進(jìn)行對(duì)比分析.

1.3.2 標(biāo)高變化

該機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子采用的是座缸式軸承座,高背壓改造后,低壓軸承的標(biāo)高將隨著排汽溫度的變化而變化,使得軸系中各軸承的負(fù)荷重新分配,從而影響整個(gè)軸系的穩(wěn)定性,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致軸承燒瓦或振動(dòng)問(wèn)題而不能穩(wěn)定運(yùn)行.為此,需對(duì)改造后溫度對(duì)軸系標(biāo)高的影響進(jìn)行分析,確認(rèn)低壓轉(zhuǎn)子合理的冷態(tài)標(biāo)高預(yù)抬量,以使機(jī)組軸系在熱態(tài)時(shí)有更為優(yōu)良的、平滑的揚(yáng)度曲線,利于機(jī)組安全運(yùn)行.同時(shí),需在標(biāo)高變化區(qū)域?qū)S系穩(wěn)定運(yùn)行的影響進(jìn)行分析及改造前、后軸系靜態(tài)特性進(jìn)行對(duì)比分析,進(jìn)而在最小調(diào)整高中壓標(biāo)高和發(fā)電機(jī)標(biāo)高的前提下確定改造后軸系標(biāo)高的找中指導(dǎo)數(shù)據(jù).

通過(guò)對(duì)改造前、后轉(zhuǎn)子軸系性能的變化以及現(xiàn)場(chǎng)的基礎(chǔ)沉降情況等因素的綜合考慮和分析,保證機(jī)組改造后的低壓轉(zhuǎn)子通流結(jié)構(gòu)、軸系安裝數(shù)據(jù)等調(diào)整方案合適和可實(shí)施,以確保機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行.

1.4 輔助及回?zé)嵯到y(tǒng)

由于機(jī)組在采暖供熱期和非采暖供熱期反復(fù)切換,需對(duì)軸封系統(tǒng)、油系統(tǒng)及噴水系統(tǒng)的的適用性進(jìn)行分析.

1.4.1 軸封系統(tǒng)

對(duì)于高背壓工況,需重新核算汽封減溫裝置噴水量及軸封加熱器面積.對(duì)于軸封加熱器,由于換熱效果發(fā)生變化,原設(shè)備不能滿足高背壓工況需求.軸封加熱器采用一用一備形式:夏季工況采用原有配置,冬季工況將原有冷卻器旁路的同時(shí),啟用備用冷卻器.備用軸封加熱器的冷卻介質(zhì)采用35 ℃左右的工業(yè)除鹽水,此方案在不考慮熱量回收前提下,能夠大大改觀風(fēng)機(jī)排汽環(huán)境,保證風(fēng)機(jī)安全可靠運(yùn)行.

1.4.2 油系統(tǒng)

當(dāng)?shù)蛪焊着牌麥囟壬仙?由于軸承座與低壓缸連為一體,潤(rùn)滑油的溫度也將受到影響而升高,導(dǎo)致軸承承載能力下降、軸瓦溫度過(guò)高等問(wèn)題,故對(duì)軸承座增加噴油冷卻設(shè)計(jì),達(dá)到降低軸瓦溫度的目的.

1.4.3 噴水系統(tǒng)

相比純凝工況,高背壓工況下的排汽溫度升高,設(shè)定噴水溫度后對(duì)低壓缸噴水量進(jìn)行核算,需要設(shè)置2組低壓缸排汽噴水調(diào)節(jié)閥.

1.4.4 回?zé)嵯到y(tǒng)

由于機(jī)組高背壓工況下排汽壓力為54 kPa,需切除末兩級(jí)回?zé)岢槠?僅需投入前兩級(jí)低壓加熱器即可.

1.5 控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)機(jī)組采暖供熱期高背壓供熱及中低壓連通管調(diào)整抽汽功能,需對(duì)控制策略和保護(hù)進(jìn)行修改和增加.高背壓工況需對(duì)機(jī)組部分保護(hù)定值進(jìn)行修改或增加,主要為低壓排汽壓力、排汽溫度的限制、及中壓調(diào)整抽汽壓力與溫度的保護(hù).

此外,由于機(jī)組每年均需經(jīng)歷由供熱采暖期到非采暖供熱期和由非采暖供熱期到采暖供熱期的轉(zhuǎn)換,故在機(jī)組的改造和重新設(shè)計(jì)中,除考慮機(jī)組安全性、經(jīng)濟(jì)性因素外,還需考慮機(jī)組低壓缸相關(guān)部套拆卸的可重復(fù)性、方便性及部套的存放和防護(hù).

2 改造效果

青島電廠是國(guó)內(nèi)首臺(tái)300 MW機(jī)組高背壓循環(huán)水供熱改造項(xiàng)目,于2013年11月順利完成啟動(dòng)后試驗(yàn),供熱參數(shù)、軸振、回油溫度、熱耗值均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定良好.機(jī)組進(jìn)行高背壓供熱改造后,汽輪機(jī)供熱能力增加巨大,熱經(jīng)濟(jì)性大幅提升,機(jī)組熱耗水平大幅降低.機(jī)組的發(fā)電煤耗降至140 g?(kWh)-1左右,冷源損失為零,理論熱耗可以達(dá)到3 600 kJ?(kWh)-1,實(shí)際熱耗可以達(dá)到3 750 kJ?(kWh)-1以下,機(jī)組節(jié)能降耗效果顯著.

圖2給出了300 MW機(jī)組軸系示意圖.在功率220 MW、背壓48 kPa、中低壓連通管抽汽流量123.8 t?h-1、循環(huán)水流量8 000～8 100 t?h-1、循環(huán)水回水溫度46～48 ℃,循環(huán)水出水溫度74 ℃工況下,機(jī)組采暖供熱期軸系振動(dòng)及瓦溫情況分別如表1、表2所示.由表1可見(jiàn),機(jī)組在該工況下振動(dòng)情況優(yōu)秀,X向軸振振幅值最大在2號(hào)軸承處,其值為0.055 mm;Y向軸振振幅值最大在5號(hào)軸承處,其值為0.072 mm,均小于機(jī)組正常運(yùn)行允許值0.076 mm,遠(yuǎn)小于機(jī)組的振動(dòng)報(bào)警值0.127 mm.由表2可見(jiàn),機(jī)組推力軸承金屬溫度(前、后側(cè)共四個(gè)測(cè)點(diǎn))最大值為44.4 ℃,小于機(jī)組正常運(yùn)行允許值90 ℃,遠(yuǎn)小于報(bào)警值99 ℃;徑向推力軸承金屬溫度最大值在2號(hào)軸承處,最大值為75.6 ℃,小于機(jī)組正常允許值90.5 ℃,遠(yuǎn)小于報(bào)警值107 ℃.

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圖2 300 MW機(jī)組軸系示意圖

Fig.2

Schematic of 300 MW unit shafting system

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表1 機(jī)組采暖供熱期軸系振動(dòng)情況

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Tab.1

Shafting system vibration in heating period

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軸承7號(hào)6號(hào)5號(hào)4號(hào)3號(hào)2號(hào)1號(hào)

X向振幅/mm0.0210.0400.0390.0490.0340.0550.042

Y向振幅/mm0.0280.0350.0720.0480.0630.0490.045

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表2 機(jī)組采暖供熱期瓦溫情況

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Tab.2

Bearing temperature in heating period

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軸承7號(hào)6號(hào)5號(hào)4號(hào)3號(hào)2號(hào)1號(hào)推力軸承后側(cè)推力軸承前側(cè)

測(cè)點(diǎn)1溫度/℃62.665.668.273.455.075.555.244.442.3

測(cè)點(diǎn)2溫度/℃62.665.668.273.449.075.662.242.942.1

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3 結(jié) 論

華電青島發(fā)電有限公司2號(hào)機(jī)組雙轉(zhuǎn)子互換高背壓供熱改造項(xiàng)目的成功實(shí)施及投運(yùn)后的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,證實(shí)了汽輪機(jī)改造方案的可行性、全面性和正確性.鑒于該方案巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益,改造技術(shù)具有較強(qiáng)的市場(chǎng)復(fù)制性和通用性,勢(shì)必會(huì)引領(lǐng)電廠高背壓供熱改造市場(chǎng)進(jìn)一步發(fā)展,可以在更大功率機(jī)組、空冷機(jī)組、更高背壓及新建機(jī)組中推廣應(yīng)用.

參考文獻(xiàn):

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1.2 本體部分

由于需要實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)采暖供熱期和非采暖供熱期的反復(fù)切換運(yùn)行功能,且兩種工況下汽輪機(jī)的通流結(jié)構(gòu)大小及形式差別較大,故考慮將采暖供熱期的五級(jí)隔板(共五級(jí))和非采暖供熱期的前五級(jí)隔板(共七級(jí))分別設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)可與低壓內(nèi)缸(采暖供熱期和非采暖供熱期共用)裝配的對(duì)應(yīng)的低壓靜葉持環(huán)中,為此,需重新設(shè)計(jì)采暖供熱期和非采暖供熱期的(前)五級(jí)的隔板和持環(huán),同時(shí)非采暖供熱期后兩級(jí)隔板需要改造成現(xiàn)場(chǎng)可裝配的結(jié)構(gòu)形式.新設(shè)計(jì)的共用低壓內(nèi)缸也由雙層內(nèi)缸更換為整體內(nèi)缸結(jié)構(gòu),首次安裝時(shí)需要割除抽汽管道并重新焊接(今后無(wú)需對(duì)抽汽管道進(jìn)行割除和焊接).高背壓供熱工況運(yùn)行時(shí),考慮到汽輪機(jī)排汽溫度的升高,低壓缸下機(jī)座向上的膨脹量增大,故在調(diào)整低壓缸汽封(包括葉頂、隔板汽封)時(shí),要充分考慮下部預(yù)留間隙,避免汽封摩擦.

在首次采暖供熱期,采用新設(shè)計(jì)的低壓?jiǎn)螌诱w內(nèi)缸替代原低壓內(nèi)缸,配套裝配裝有五級(jí)供熱隔板的低壓持環(huán),在低壓末兩級(jí)隔板槽處安裝帶有隔板槽保護(hù)功能的導(dǎo)流板,同時(shí)采用新設(shè)計(jì)的高背壓供熱轉(zhuǎn)子運(yùn)行.之后再進(jìn)入采暖供熱期時(shí),僅需更換靜葉持環(huán)及隔板、導(dǎo)流板及轉(zhuǎn)子即可.此外,需進(jìn)行控制策略和保護(hù)的修改和增加.

在非采暖供熱期,拆除采暖供熱期靜葉持環(huán)及隔板、導(dǎo)流板及轉(zhuǎn)子,采用新設(shè)計(jì)的裝有五級(jí)純凝隔板的靜葉持環(huán)、末兩級(jí)隔板及機(jī)組原純凝轉(zhuǎn)子即可,并恢復(fù)原純凝運(yùn)行的控制策略和保護(hù).

1.3 軸系部分

由于高背壓轉(zhuǎn)子重新設(shè)計(jì)及排汽溫度的升高,需考慮機(jī)組軸系的穩(wěn)定性和標(biāo)高變化的影響.

1.3.1 軸系的穩(wěn)定性

改造后低壓轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與改造前相比,由于高背壓工況全新設(shè)計(jì)的小通流低壓轉(zhuǎn)子由2×7級(jí)改為2×5級(jí)(轉(zhuǎn)子的這一結(jié)構(gòu)變化對(duì)轉(zhuǎn)子的剛度分布和質(zhì)量分布都會(huì)產(chǎn)生較大的影響),從而使得整個(gè)軸系的動(dòng)力學(xué)特性發(fā)生一定變化,需對(duì)改造前后軸承油膜特性、軸系臨界轉(zhuǎn)速、穩(wěn)定性及扭振性能進(jìn)行對(duì)比分析.

1.3.2 標(biāo)高變化

該機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子采用的是座缸式軸承座,高背壓改造后,低壓軸承的標(biāo)高將隨著排汽溫度的變化而變化,使得軸系中各軸承的負(fù)荷重新分配,從而影響整個(gè)軸系的穩(wěn)定性,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致軸承燒瓦或振動(dòng)問(wèn)題而不能穩(wěn)定運(yùn)行.為此,需對(duì)改造后溫度對(duì)軸系標(biāo)高的影響進(jìn)行分析,確認(rèn)低壓轉(zhuǎn)子合理的冷態(tài)標(biāo)高預(yù)抬量,以使機(jī)組軸系在熱態(tài)時(shí)有更為優(yōu)良的、平滑的揚(yáng)度曲線,利于機(jī)組安全運(yùn)行.同時(shí),需在標(biāo)高變化區(qū)域?qū)S系穩(wěn)定運(yùn)行的影響進(jìn)行分析及改造前、后軸系靜態(tài)特性進(jìn)行對(duì)比分析,進(jìn)而在最小調(diào)整高中壓標(biāo)高和發(fā)電機(jī)標(biāo)高的前提下確定改造后軸系標(biāo)高的找中指導(dǎo)數(shù)據(jù).

通過(guò)對(duì)改造前、后轉(zhuǎn)子軸系性能的變化以及現(xiàn)場(chǎng)的基礎(chǔ)沉降情況等因素的綜合考慮和分析,保證機(jī)組改造后的低壓轉(zhuǎn)子通流結(jié)構(gòu)、軸系安裝數(shù)據(jù)等調(diào)整方案合適和可實(shí)施,以確保機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行.

1.4 輔助及回?zé)嵯到y(tǒng)

由于機(jī)組在采暖供熱期和非采暖供熱期反復(fù)切換,需對(duì)軸封系統(tǒng)、油系統(tǒng)及噴水系統(tǒng)的的適用性進(jìn)行分析.

1.4.1 軸封系統(tǒng)

對(duì)于高背壓工況,需重新核算汽封減溫裝置噴水量及軸封加熱器面積.對(duì)于軸封加熱器,由于換熱效果發(fā)生變化,原設(shè)備不能滿足高背壓工況需求.軸封加熱器采用一用一備形式:夏季工況采用原有配置,冬季工況將原有冷卻器旁路的同時(shí),啟用備用冷卻器.備用軸封加熱器的冷卻介質(zhì)采用35 ℃左右的工業(yè)除鹽水,此方案在不考慮熱量回收前提下,能夠大大改觀風(fēng)機(jī)排汽環(huán)境,保證風(fēng)機(jī)安全可靠運(yùn)行.

1.4.2 油系統(tǒng)

當(dāng)?shù)蛪焊着牌麥囟壬仙?由于軸承座與低壓缸連為一體,潤(rùn)滑油的溫度也將受到影響而升高,導(dǎo)致軸承承載能力下降、軸瓦溫度過(guò)高等問(wèn)題,故對(duì)軸承座增加噴油冷卻設(shè)計(jì),達(dá)到降低軸瓦溫度的目的.

1.4.3 噴水系統(tǒng)

相比純凝工況,高背壓工況下的排汽溫度升高,設(shè)定噴水溫度后對(duì)低壓缸噴水量進(jìn)行核算,需要設(shè)置2組低壓缸排汽噴水調(diào)節(jié)閥.

1.4.4 回?zé)嵯到y(tǒng)

由于機(jī)組高背壓工況下排汽壓力為54 kPa,需切除末兩級(jí)回?zé)岢槠?僅需投入前兩級(jí)低壓加熱器即可.

1.5 控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)機(jī)組采暖供熱期高背壓供熱及中低壓連通管調(diào)整抽汽功能,需對(duì)控制策略和保護(hù)進(jìn)行修改和增加.高背壓工況需對(duì)機(jī)組部分保護(hù)定值進(jìn)行修改或增加,主要為低壓排汽壓力、排汽溫度的限制、及中壓調(diào)整抽汽壓力與溫度的保護(hù).

此外,由于機(jī)組每年均需經(jīng)歷由供熱采暖期到非采暖供熱期和由非采暖供熱期到采暖供熱期的轉(zhuǎn)換,故在機(jī)組的改造和重新設(shè)計(jì)中,除考慮機(jī)組安全性、經(jīng)濟(jì)性因素外,還需考慮機(jī)組低壓缸相關(guān)部套拆卸的可重復(fù)性、方便性及部套的存放和防護(hù).

2 改造效果

青島電廠是國(guó)內(nèi)首臺(tái)300 MW機(jī)組高背壓循環(huán)水供熱改造項(xiàng)目,于2013年11月順利完成啟動(dòng)后試驗(yàn),供熱參數(shù)、軸振、回油溫度、熱耗值均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定良好.機(jī)組進(jìn)行高背壓供熱改造后,汽輪機(jī)供熱能力增加巨大,熱經(jīng)濟(jì)性大幅提升,機(jī)組熱耗水平大幅降低.機(jī)組的發(fā)電煤耗降至140 g?(kWh)-1左右,冷源損失為零,理論熱耗可以達(dá)到3 600 kJ?(kWh)-1,實(shí)際熱耗可以達(dá)到3 750 kJ?(kWh)-1以下,機(jī)組節(jié)能降耗效果顯著.

圖2給出了300 MW機(jī)組軸系示意圖.在功率220 MW、背壓48 kPa、中低壓連通管抽汽流量123.8 t?h-1、循環(huán)水流量8 000～8 100 t?h-1、循環(huán)水回水溫度46～48 ℃,循環(huán)水出水溫度74 ℃工況下,機(jī)組采暖供熱期軸系振動(dòng)及瓦溫情況分別如表1、表2所示.由表1可見(jiàn),機(jī)組在該工況下振動(dòng)情況優(yōu)秀,X向軸振振幅值最大在2號(hào)軸承處,其值為0.055 mm;Y向軸振振幅值最大在5號(hào)軸承處,其值為0.072 mm,均小于機(jī)組正常運(yùn)行允許值0.076 mm,遠(yuǎn)小于機(jī)組的振動(dòng)報(bào)警值0.127 mm.由表2可見(jiàn),機(jī)組推力軸承金屬溫度(前、后側(cè)共四個(gè)測(cè)點(diǎn))最大值為44.4 ℃,小于機(jī)組正常運(yùn)行允許值90 ℃,遠(yuǎn)小于報(bào)警值99 ℃;徑向推力軸承金屬溫度最大值在2號(hào)軸承處,最大值為75.6 ℃,小于機(jī)組正常允許值90.5 ℃,遠(yuǎn)小于報(bào)警值107 ℃.



圖2 300 MW機(jī)組軸系示意圖

Fig.2

Schematic of 300 MW unit shafting system





表1 機(jī)組采暖供熱期軸系振動(dòng)情況



Tab.1

Shafting system vibration in heating period



軸承7號(hào)6號(hào)5號(hào)4號(hào)3號(hào)2號(hào)1號(hào)

X向振幅/mm0.0210.0400.0390.0490.0340.0550.042

Y向振幅/mm0.0280.0350.0720.0480.0630.0490.045



表2 機(jī)組采暖供熱期瓦溫情況



Tab.2

Bearing temperature in heating period



軸承7號(hào)6號(hào)5號(hào)4號(hào)3號(hào)2號(hào)1號(hào)推力軸承后側(cè)推力軸承前側(cè)

測(cè)點(diǎn)1溫度/℃62.665.668.273.455.075.555.244.442.3

測(cè)點(diǎn)2溫度/℃62.665.668.273.449.075.662.242.942.1



3 結(jié) 論

華電青島發(fā)電有限公司2號(hào)機(jī)組雙轉(zhuǎn)子互換高背壓供熱改造項(xiàng)目的成功實(shí)施及投運(yùn)后的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,證實(shí)了汽輪機(jī)改造方案的可行性、全面性和正確性.鑒于該方案巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益,改造技術(shù)具有較強(qiáng)的市場(chǎng)復(fù)制性和通用性,勢(shì)必會(huì)引領(lǐng)電廠高背壓供熱改造市場(chǎng)進(jìn)一步發(fā)展,可以在更大功率機(jī)組、空冷機(jī)組、更高背壓及新建機(jī)組中推廣應(yīng)用.

參考文獻(xiàn):

［1］ 潘永岳,羅松.中小火電機(jī)組的生存問(wèn)題探討［J］.熱力透平,2008,37(1):42-45.

［2］ 翟幾中,蔡覺(jué)先,遲毅超.熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱的經(jīng)濟(jì)性分析［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2008(10):52-53.

［3］ 譚旭東.火力發(fā)電廠大型純凝汽式機(jī)組進(jìn)行供熱改造存在的問(wèn)題與對(duì)策［C］∥山東電機(jī)工程學(xué)會(huì)第七屆發(fā)電專業(yè)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集,濟(jì)南2008:130-132.

［4］ 許琦,馬駿馳,王小偉,等.國(guó)產(chǎn)300 MW機(jī)組高再抽汽供熱改造［J］.華東電力,2008,36(6):101-103.

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［6］ 胡萬(wàn)利.300 MW凝汽式汽輪機(jī)供熱改造［J］.機(jī)械工程師,2010(6):175-176.

［7］ 常立宏.300 MW亞臨界供熱機(jī)組高背壓供熱改造的研究［J］.黑龍江電力,2012,34(6):421-423.

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1.2 本體部分

由于需要實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)采暖供熱期和非采暖供熱期的反復(fù)切換運(yùn)行功能,且兩種工況下汽輪機(jī)的通流結(jié)構(gòu)大小及形式差別較大,故考慮將采暖供熱期的五級(jí)隔板(共五級(jí))和非采暖供熱期的前五級(jí)隔板(共七級(jí))分別設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)可與低壓內(nèi)缸(采暖供熱期和非采暖供熱期共用)裝配的對(duì)應(yīng)的低壓靜葉持環(huán)中,為此,需重新設(shè)計(jì)采暖供熱期和非采暖供熱期的(前)五級(jí)的隔板和持環(huán),同時(shí)非采暖供熱期后兩級(jí)隔板需要改造成現(xiàn)場(chǎng)可裝配的結(jié)構(gòu)形式.新設(shè)計(jì)的共用低壓內(nèi)缸也由雙層內(nèi)缸更換為整體內(nèi)缸結(jié)構(gòu),首次安裝時(shí)需要割除抽汽管道并重新焊接(今后無(wú)需對(duì)抽汽管道進(jìn)行割除和焊接).高背壓供熱工況運(yùn)行時(shí),考慮到汽輪機(jī)排汽溫度的升高,低壓缸下機(jī)座向上的膨脹量增大,故在調(diào)整低壓缸汽封(包括葉頂、隔板汽封)時(shí),要充分考慮下部預(yù)留間隙,避免汽封摩擦.

在首次采暖供熱期,采用新設(shè)計(jì)的低壓?jiǎn)螌诱w內(nèi)缸替代原低壓內(nèi)缸,配套裝配裝有五級(jí)供熱隔板的低壓持環(huán),在低壓末兩級(jí)隔板槽處安裝帶有隔板槽保護(hù)功能的導(dǎo)流板,同時(shí)采用新設(shè)計(jì)的高背壓供熱轉(zhuǎn)子運(yùn)行.之后再進(jìn)入采暖供熱期時(shí),僅需更換靜葉持環(huán)及隔板、導(dǎo)流板及轉(zhuǎn)子即可.此外,需進(jìn)行控制策略和保護(hù)的修改和增加.

在非采暖供熱期,拆除采暖供熱期靜葉持環(huán)及隔板、導(dǎo)流板及轉(zhuǎn)子,采用新設(shè)計(jì)的裝有五級(jí)純凝隔板的靜葉持環(huán)、末兩級(jí)隔板及機(jī)組原純凝轉(zhuǎn)子即可,并恢復(fù)原純凝運(yùn)行的控制策略和保護(hù).

1.3 軸系部分

由于高背壓轉(zhuǎn)子重新設(shè)計(jì)及排汽溫度的升高,需考慮機(jī)組軸系的穩(wěn)定性和標(biāo)高變化的影響.

1.3.1 軸系的穩(wěn)定性

改造后低壓轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與改造前相比,由于高背壓工況全新設(shè)計(jì)的小通流低壓轉(zhuǎn)子由2×7級(jí)改為2×5級(jí)(轉(zhuǎn)子的這一結(jié)構(gòu)變化對(duì)轉(zhuǎn)子的剛度分布和質(zhì)量分布都會(huì)產(chǎn)生較大的影響),從而使得整個(gè)軸系的動(dòng)力學(xué)特性發(fā)生一定變化,需對(duì)改造前后軸承油膜特性、軸系臨界轉(zhuǎn)速、穩(wěn)定性及扭振性能進(jìn)行對(duì)比分析.

1.3.2 標(biāo)高變化

該機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子采用的是座缸式軸承座,高背壓改造后,低壓軸承的標(biāo)高將隨著排汽溫度的變化而變化,使得軸系中各軸承的負(fù)荷重新分配,從而影響整個(gè)軸系的穩(wěn)定性,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致軸承燒瓦或振動(dòng)問(wèn)題而不能穩(wěn)定運(yùn)行.為此,需對(duì)改造后溫度對(duì)軸系標(biāo)高的影響進(jìn)行分析,確認(rèn)低壓轉(zhuǎn)子合理的冷態(tài)標(biāo)高預(yù)抬量,以使機(jī)組軸系在熱態(tài)時(shí)有更為優(yōu)良的、平滑的揚(yáng)度曲線,利于機(jī)組安全運(yùn)行.同時(shí),需在標(biāo)高變化區(qū)域?qū)S系穩(wěn)定運(yùn)行的影響進(jìn)行分析及改造前、后軸系靜態(tài)特性進(jìn)行對(duì)比分析,進(jìn)而在最小調(diào)整高中壓標(biāo)高和發(fā)電機(jī)標(biāo)高的前提下確定改造后軸系標(biāo)高的找中指導(dǎo)數(shù)據(jù).

通過(guò)對(duì)改造前、后轉(zhuǎn)子軸系性能的變化以及現(xiàn)場(chǎng)的基礎(chǔ)沉降情況等因素的綜合考慮和分析,保證機(jī)組改造后的低壓轉(zhuǎn)子通流結(jié)構(gòu)、軸系安裝數(shù)據(jù)等調(diào)整方案合適和可實(shí)施,以確保機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行.

1.4 輔助及回?zé)嵯到y(tǒng)

由于機(jī)組在采暖供熱期和非采暖供熱期反復(fù)切換,需對(duì)軸封系統(tǒng)、油系統(tǒng)及噴水系統(tǒng)的的適用性進(jìn)行分析.

1.4.1 軸封系統(tǒng)

對(duì)于高背壓工況,需重新核算汽封減溫裝置噴水量及軸封加熱器面積.對(duì)于軸封加熱器,由于換熱效果發(fā)生變化,原設(shè)備不能滿足高背壓工況需求.軸封加熱器采用一用一備形式:夏季工況采用原有配置,冬季工況將原有冷卻器旁路的同時(shí),啟用備用冷卻器.備用軸封加熱器的冷卻介質(zhì)采用35 ℃左右的工業(yè)除鹽水,此方案在不考慮熱量回收前提下,能夠大大改觀風(fēng)機(jī)排汽環(huán)境,保證風(fēng)機(jī)安全可靠運(yùn)行.

1.4.2 油系統(tǒng)

當(dāng)?shù)蛪焊着牌麥囟壬仙?由于軸承座與低壓缸連為一體,潤(rùn)滑油的溫度也將受到影響而升高,導(dǎo)致軸承承載能力下降、軸瓦溫度過(guò)高等問(wèn)題,故對(duì)軸承座增加噴油冷卻設(shè)計(jì),達(dá)到降低軸瓦溫度的目的.

1.4.3 噴水系統(tǒng)

相比純凝工況,高背壓工況下的排汽溫度升高,設(shè)定噴水溫度后對(duì)低壓缸噴水量進(jìn)行核算,需要設(shè)置2組低壓缸排汽噴水調(diào)節(jié)閥.

1.4.4 回?zé)嵯到y(tǒng)

由于機(jī)組高背壓工況下排汽壓力為54 kPa,需切除末兩級(jí)回?zé)岢槠?僅需投入前兩級(jí)低壓加熱器即可.

1.5 控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)機(jī)組采暖供熱期高背壓供熱及中低壓連通管調(diào)整抽汽功能,需對(duì)控制策略和保護(hù)進(jìn)行修改和增加.高背壓工況需對(duì)機(jī)組部分保護(hù)定值進(jìn)行修改或增加,主要為低壓排汽壓力、排汽溫度的限制、及中壓調(diào)整抽汽壓力與溫度的保護(hù).

此外,由于機(jī)組每年均需經(jīng)歷由供熱采暖期到非采暖供熱期和由非采暖供熱期到采暖供熱期的轉(zhuǎn)換,故在機(jī)組的改造和重新設(shè)計(jì)中,除考慮機(jī)組安全性、經(jīng)濟(jì)性因素外,還需考慮機(jī)組低壓缸相關(guān)部套拆卸的可重復(fù)性、方便性及部套的存放和防護(hù).

2 改造效果

青島電廠是國(guó)內(nèi)首臺(tái)300 MW機(jī)組高背壓循環(huán)水供熱改造項(xiàng)目,于2013年11月順利完成啟動(dòng)后試驗(yàn),供熱參數(shù)、軸振、回油溫度、熱耗值均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定良好.機(jī)組進(jìn)行高背壓供熱改造后,汽輪機(jī)供熱能力增加巨大,熱經(jīng)濟(jì)性大幅提升,機(jī)組熱耗水平大幅降低.機(jī)組的發(fā)電煤耗降至140 g?(kWh)-1左右,冷源損失為零,理論熱耗可以達(dá)到3 600 kJ?(kWh)-1,實(shí)際熱耗可以達(dá)到3 750 kJ?(kWh)-1以下,機(jī)組節(jié)能降耗效果顯著.

圖2給出了300 MW機(jī)組軸系示意圖.在功率220 MW、背壓48 kPa、中低壓連通管抽汽流量123.8 t?h-1、循環(huán)水流量8 000～8 100 t?h-1、循環(huán)水回水溫度46～48 ℃,循環(huán)水出水溫度74 ℃工況下,機(jī)組采暖供熱期軸系振動(dòng)及瓦溫情況分別如表1、表2所示.由表1可見(jiàn),機(jī)組在該工況下振動(dòng)情況優(yōu)秀,X向軸振振幅值最大在2號(hào)軸承處,其值為0.055 mm;Y向軸振振幅值最大在5號(hào)軸承處,其值為0.072 mm,均小于機(jī)組正常運(yùn)行允許值0.076 mm,遠(yuǎn)小于機(jī)組的振動(dòng)報(bào)警值0.127 mm.由表2可見(jiàn),機(jī)組推力軸承金屬溫度(前、后側(cè)共四個(gè)測(cè)點(diǎn))最大值為44.4 ℃,小于機(jī)組正常運(yùn)行允許值90 ℃,遠(yuǎn)小于報(bào)警值99 ℃;徑向推力軸承金屬溫度最大值在2號(hào)軸承處,最大值為75.6 ℃,小于機(jī)組正常允許值90.5 ℃,遠(yuǎn)小于報(bào)警值107 ℃.

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圖2 300 MW機(jī)組軸系示意圖

Fig.2

Schematic of 300 MW unit shafting system

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表1 機(jī)組采暖供熱期軸系振動(dòng)情況

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Tab.1

Shafting system vibration in heating period

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軸承7號(hào)6號(hào)5號(hào)4號(hào)3號(hào)2號(hào)1號(hào)

X向振幅/mm0.0210.0400.0390.0490.0340.0550.042

Y向振幅/mm0.0280.0350.0720.0480.0630.0490.045

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表2 機(jī)組采暖供熱期瓦溫情況

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Tab.2

Bearing temperature in heating period

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軸承7號(hào)6號(hào)5號(hào)4號(hào)3號(hào)2號(hào)1號(hào)推力軸承后側(cè)推力軸承前側(cè)

測(cè)點(diǎn)1溫度/℃62.665.668.273.455.075.555.244.442.3

測(cè)點(diǎn)2溫度/℃62.665.668.273.449.075.662.242.942.1

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3 結(jié) 論

華電青島發(fā)電有限公司2號(hào)機(jī)組雙轉(zhuǎn)子互換高背壓供熱改造項(xiàng)目的成功實(shí)施及投運(yùn)后的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,證實(shí)了汽輪機(jī)改造方案的可行性、全面性和正確性.鑒于該方案巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益,改造技術(shù)具有較強(qiáng)的市場(chǎng)復(fù)制性和通用性,勢(shì)必會(huì)引領(lǐng)電廠高背壓供熱改造市場(chǎng)進(jìn)一步發(fā)展,可以在更大功率機(jī)組、空冷機(jī)組、更高背壓及新建機(jī)組中推廣應(yīng)用.

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