直接空冷機(jī)組高背壓供熱系統(tǒng)及安全運(yùn)行

黃治坤,張 攀,張艷輝,徐則林,楊世斌

(1.國電科學(xué)技術(shù)研究院北京電力技術(shù)研究分院,北京100081；2.國電榆次熱電有限公司,山西晉中030600)

直接空冷機(jī)組高背壓供熱系統(tǒng)及安全運(yùn)行

黃治坤1,張 攀1,張艷輝1,徐則林1,楊世斌2

(1.國電科學(xué)技術(shù)研究院北京電力技術(shù)研究分院,北京100081；2.國電榆次熱電有限公司,山西晉中030600)

對直接空冷機(jī)組高背壓供熱系統(tǒng)進(jìn)行了介紹,對高背供熱方式下的幾個關(guān)鍵問題進(jìn)行了論述。通過控制低壓缸的進(jìn)流量或進(jìn)汽溫度來防止高背壓運(yùn)行工況下低壓缸末級葉片產(chǎn)生鼓風(fēng)；在單列小進(jìn)汽流量下,通過打開此列的凝結(jié)水門和關(guān)閉真空門可有效防凍；通過優(yōu)化全廠機(jī)組間的負(fù)荷分配可以提高高背壓供熱方式下運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；通過增加水環(huán)真空泵工作水冷卻裝置,提高真空泵的抽吸效率。工程實(shí)踐證明空冷機(jī)組高背壓供熱是一種安全可靠的供熱方式。

直接空冷機(jī)組；凝汽器；大口徑蝶閥；鼓風(fēng)

供熱的熱效率主要體現(xiàn)在其對蒸汽汽化潛熱的利用上；熱電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在供熱蒸汽做功能力的利用上,包括用來發(fā)電和驅(qū)動設(shè)備。排汽熱損失是火電廠熱損失中最大的一項(xiàng),汽輪機(jī)排汽潛熱沒有釋放,且蒸汽的做功能力也沒有充分發(fā)揮出來,若能加以利用,機(jī)組的熱效率必將大幅提升。而排汽余熱最為有效的利用方式就是用來加熱熱網(wǎng)循環(huán)水,進(jìn)行冬季采暖供熱［1-2］。目前較常見的余熱利用方式有熱泵技術(shù)和循環(huán)水高背壓供熱技術(shù)。濕冷機(jī)組的循環(huán)水高背壓供熱在國內(nèi)已有工程案例［3-4］。

空冷機(jī)組高背壓供熱技術(shù)的應(yīng)用,是通過改變供熱方式,實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)化梯級利用,相對傳統(tǒng)供熱方式獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。筆者結(jié)合示范工程對直接空冷機(jī)組高背壓供熱系統(tǒng)進(jìn)行了介紹,同時對系統(tǒng)改造和運(yùn)行中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了論述,對末級鼓風(fēng)現(xiàn)象的防止、空冷島防凍、電負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配、水環(huán)真空泵低真空運(yùn)行提效做了分析,對空冷機(jī)組高背壓供熱技術(shù)的推廣具有借鑒意義。

1 總體改造方案

1.1 機(jī)組概況

某廠300 MW機(jī)組汽輪機(jī)為NZK330-16.7/ 538/538型亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸、雙排汽、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)設(shè)有七段不調(diào)整抽汽,高壓缸設(shè)有二段抽汽,分別供1號、2號高壓加熱器；中壓缸設(shè)有二段抽汽,分別供3號高壓加熱器和除氧器；低壓缸共有四級葉片,設(shè)有三段抽汽,分別供5號、6號及7號低壓加熱器?？绽鋶u工程ACC系統(tǒng)共6列,每列配備6臺風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)由變頻電機(jī)經(jīng)減速機(jī)驅(qū)動,所有的風(fēng)機(jī)和電動機(jī)在30%～110%的額定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行,風(fēng)機(jī)電動機(jī)最小轉(zhuǎn)速為30%。每列2、4單元的風(fēng)機(jī)應(yīng)可以反轉(zhuǎn),其他風(fēng)機(jī)不能反轉(zhuǎn)。機(jī)組第一、二、五、六列裝有蒸汽隔離閥、凝結(jié)水閥和抽真空閥。機(jī)組配備3臺水環(huán)真空泵,正常情況下一用二備。

機(jī)組在冬季由2臺機(jī)組共同承擔(dān)全廠的采暖熱負(fù)荷,當(dāng)前全廠最大采暖抽汽量為650 t/h,共布置有4臺熱網(wǎng)加熱器,供汽采用母管制,由機(jī)組的五段抽汽(中排)供汽。

1.2 系統(tǒng)布置連接及供熱方式

圖1為高背壓供熱系統(tǒng)圖。

在空冷汽輪機(jī)主排汽管上增設(shè)一旁路排汽至低位熱源加熱器,通過低位熱源加熱器表面換熱來加熱熱網(wǎng)循環(huán)水回水,在低位熱源加熱器入口蒸汽管道上裝有大口徑真空電動蝶閥。在空冷島上方原6列排汽支管中有2列未裝設(shè)閥門,改造時在此2列處增設(shè)大口徑真空電動蝶閥,這樣便于機(jī)組在供熱期運(yùn)行時利用這些閥門,實(shí)現(xiàn)對空冷凝汽器的調(diào)整和切除；低位熱源加熱器的排汽凝結(jié)水接至原空冷凝結(jié)水回水母管至機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)。原機(jī)組具有的中排抽汽供熱系統(tǒng)保留,作為尖峰熱負(fù)荷時調(diào)整采用。

不對汽輪機(jī)本體作任何改造,根據(jù)空冷汽輪機(jī)的高背壓設(shè)計(jì)特點(diǎn),機(jī)組可以在34 k Pa的高壓下長期穩(wěn)定運(yùn)行,主要是末級葉片的設(shè)計(jì)適應(yīng)較寬范圍的背壓變化［5-6］。所以在改造后,供熱期間機(jī)組的最高背壓控制在34 k Pa。當(dāng)熱網(wǎng)循環(huán)水供水溫度要求低于71℃時,僅利用汽輪機(jī)排汽通過低位熱源加熱器加熱循環(huán)水即可滿足供熱要求。當(dāng)供水溫度要求高于71℃時,除利用汽輪機(jī)排汽通過低位熱源加熱器加熱循環(huán)水作為基本加熱手段外,還需利用原五段抽汽供熱系統(tǒng),提供部分五段抽汽作為尖峰加熱手段,繼續(xù)加熱循環(huán)水,從而達(dá)到外網(wǎng)要求的供水溫度。

在供熱初末期供熱量較小,單臺機(jī)組只需要維持在34 k Pa以下的背壓下運(yùn)行就可以滿足供熱的要求；同時原來的五段抽汽也不需要抽汽供熱,鄰機(jī)采用純凝的運(yùn)行方式。在采暖的高峰期供熱量增大,僅一臺機(jī)組采用高背壓和中排聯(lián)合供熱的方式不能滿足供熱要求,這時鄰機(jī)也要參與供熱。

2 高背壓運(yùn)行中的重要問題及應(yīng)對

2.1 機(jī)組末級鼓風(fēng)現(xiàn)象的產(chǎn)生與防止

在原冬季運(yùn)行方式下,機(jī)組的背壓為10 kPa左右,機(jī)組的排汽干度為0.96,對應(yīng)的排汽比體積為14.1 m3/kg；當(dāng)運(yùn)行背壓提高到34 k Pa,干度增加到0.97左右,對應(yīng)的排汽比體積為4.50 m3/kg。壓力升高后,機(jī)組的排汽比體積減小為原運(yùn)行壓力下的32%,所以同樣的排汽流量下,到末級前的體積流量減小了68%。末級葉片前的體積流量太小,首先會在葉根處出現(xiàn)流動分離,出現(xiàn)渦回流,這時蒸汽不但不做功,還起反作用,產(chǎn)生鼓風(fēng),致末級效率急劇下降,因此在運(yùn)行過程中要避免鼓風(fēng)現(xiàn)象的產(chǎn)生［7-8］。一般認(rèn)為空冷機(jī)組在高背壓低負(fù)荷可能會由于體積流量減小而出現(xiàn)鼓風(fēng)［9］,而鼓風(fēng)狀態(tài)的存在,使得在從葉根到約45%葉高區(qū)域的汽溫上升,成為過熱蒸汽［10］,所以高背壓運(yùn)行直接空冷機(jī)組在高背壓小體積流量時,如果低壓缸排汽溫度高于排汽壓力對應(yīng)下的飽和溫度時,極有可能已經(jīng)發(fā)生鼓風(fēng)現(xiàn)象,這時要加以干預(yù)。廠家在設(shè)計(jì)計(jì)算時,計(jì)算過產(chǎn)生鼓風(fēng)時的體積流量的大小。由于缸效和進(jìn)汽溫度與設(shè)計(jì)存在一定的偏差,所以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)最有說服力。

試驗(yàn)條件為背壓維持在34 kPa,機(jī)組負(fù)荷為230 MW。試驗(yàn)過程中熱網(wǎng)循環(huán)水流量為9 500～10 000 t/h。試驗(yàn)開始時排汽溫度對應(yīng)運(yùn)行壓力下的飽和溫度,在濕蒸汽區(qū)；然后通過不斷提高循環(huán)水供水溫度,增加機(jī)組中排抽汽量,減少低壓缸的進(jìn)汽流量。低當(dāng)壓缸出現(xiàn)約2～5 K的過熱度時,通過計(jì)算低壓缸的排汽量為447 t/h,排汽的體積流量為558 m3/s。當(dāng)進(jìn)汽溫度波動±10 K,基本上排汽出現(xiàn)過熱時的排汽流量在440～450 t/h。

通過現(xiàn)場實(shí)際的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)來看,為了消除鼓風(fēng),當(dāng)出現(xiàn)鼓風(fēng)時,在不影響供熱和發(fā)電負(fù)荷情況下,最直接最快速的調(diào)整方法是降低再熱汽溫(可通過減溫水調(diào)節(jié))。降低再熱汽溫防止出現(xiàn)鼓風(fēng)的原理見圖2。

圖2 降低再熱汽溫后膨脹曲線示意圖

從圖2可以看出：如不降低再熱汽溫出現(xiàn)鼓風(fēng)時,低壓缸中的膨脹曲線如1-3；低壓缸進(jìn)汽溫度從1降低到2(通過降再熱汽溫),如不考慮體積流量的變化,膨脹曲線會變?yōu)?-5,這時排汽溫度會從3點(diǎn)下降到5點(diǎn)。但溫度降低以后,同樣負(fù)荷下蒸汽的比體積也會降低,也會使鼓風(fēng)現(xiàn)象加劇。所以,當(dāng)降低再熱汽溫后,低缸的膨脹曲線會變成2-4,相比3點(diǎn),4點(diǎn)的溫度有所降低。稍慢一點(diǎn)的調(diào)整方法是通過熱電負(fù)荷的調(diào)整,減少高背壓運(yùn)行機(jī)組五抽采暖供汽量,增加其低壓缸的進(jìn)汽量。雖然通過提高循環(huán)水流量、降回水溫度增加排汽供熱量也可以增加排汽量,但供熱的外部條件很難改變。

在運(yùn)行中,要防止鼓風(fēng)的發(fā)生,就要保證低壓缸的最小進(jìn)汽流量。流量的大小可以根據(jù)六段抽汽壓力來判斷。圖3中給出了不同試驗(yàn)工況下低壓缸排汽流量同六段抽汽壓力之間的關(guān)系曲線,線性相關(guān)系數(shù)R2=0.999 4≈1,說明線性關(guān)系很好,所以可以用六段的抽汽壓力來表征排汽流量的大小。

圖3 不同工況下排汽流量同六抽壓力的關(guān)系

2.2 空冷島最小進(jìn)汽流量與防凍

在冬季運(yùn)行,低位熱源加熱器的排汽流量在300 t/h以上,同時中壓排汽還利用一部分蒸汽,所以進(jìn)空冷島的蒸汽流量一般情況下都不超過300 t/h,由兩列風(fēng)機(jī)運(yùn)行可維持機(jī)組背壓。所以在冬季高背壓供熱情況下,空冷島長時間只運(yùn)行一到兩列風(fēng)機(jī),有一列處于備用投入狀態(tài)。通過實(shí)際運(yùn)行,環(huán)境溫度在-10～20℃,當(dāng)只留最后一列風(fēng)機(jī),且順流區(qū)的風(fēng)機(jī)全停,逆流區(qū)風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行,門全開進(jìn)汽量為50～60 t/h,這種狀態(tài)下運(yùn)行,空冷島運(yùn)行情況良好,且背壓可以維持。在關(guān)閉某一列風(fēng)機(jī)時,當(dāng)風(fēng)機(jī)幾乎全停,進(jìn)汽門也接近全關(guān),有個別門不嚴(yán)的情況,這時空冷島的進(jìn)汽量在10 t/h以下,在這種情況下維持長時間運(yùn)行,開啟凝結(jié)水門,關(guān)閉抽真空門,空冷島沒有出現(xiàn)凍結(jié)的狀況。當(dāng)真空門不關(guān)時,由于真空的抽吸作用,蒸汽流到較遠(yuǎn)處充分冷卻后會出現(xiàn)凍結(jié)的情況,主要是背壓高,進(jìn)汽溫度高,開啟凝結(jié)水門,蒸汽在散熱片中還沒有完全冷卻就由于壓差作用被抽到熱井中去了。在最后一列解列時,可以改變此列的邏輯,當(dāng)進(jìn)汽門關(guān)到50%以下時,就可以關(guān)閉此列的抽真空門,防止這一列在小汽量進(jìn)汽下的凍結(jié)。不是最后一列解列時,就要迅速關(guān)閉進(jìn)汽門,快速解列,防止解列過程中出現(xiàn)凍結(jié),關(guān)后門不嚴(yán)時,可以開啟此列凝結(jié)水門,關(guān)閉抽真空門。所以可以認(rèn)為高背壓的運(yùn)行方式下,對空冷島的冬季防凍是有利的,基本上不存在冬季防凍的問題(環(huán)境溫度-25℃以上沒有問題,但當(dāng)環(huán)境溫度低于-30℃,要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行驗(yàn)證)。同時對于鄰機(jī),由于五抽采暖抽汽量減少,排汽量增加,也利于鄰機(jī)的空冷島防凍。

所以對于直接空冷機(jī)組進(jìn)行高背壓供熱系統(tǒng)改造時,最理想的狀態(tài)是供熱所需熱負(fù)荷剛好完全利用完低壓缸排汽余熱,在此狀態(tài)下,空冷島完全解列。

2.3 電負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)分配

在高背壓的運(yùn)行方式下,為了提高供熱的經(jīng)濟(jì)性,在保證低壓缸最小進(jìn)汽流量的情況下,要盡量減少空冷島的進(jìn)汽流量,減少高背壓工況下做功的蒸汽。在實(shí)際運(yùn)行中,機(jī)組負(fù)荷采用單機(jī)調(diào)度的方式,當(dāng)高背壓運(yùn)行的機(jī)組負(fù)荷較高、五段抽汽量又較少時,這時進(jìn)入空冷島的排汽量本身就較大,同時鄰機(jī)的帶負(fù)荷能力還有很大裕量,這時要求高背壓運(yùn)行機(jī)組加負(fù)荷,會進(jìn)一步增加空冷島的汽量,蒸汽做功能力損失很大。所以這是一種很不經(jīng)濟(jì)的負(fù)荷分配方式。

以數(shù)據(jù)分析,在34 k Pa高背壓運(yùn)行方式下,進(jìn)入熱網(wǎng)凝汽器蒸汽的平均焓值為2 570 kJ/kg,鄰機(jī)平均運(yùn)行背壓為10 k Pa,平均排汽焓為2 435 kJ/kg,在供熱量不變的前提下,對于鄰機(jī)每增加10 MW負(fù)荷,排汽量增加約20 t/h,相對高背壓運(yùn)行機(jī)組,這部分排汽多做功0.75 MW。所以最經(jīng)濟(jì)的方式就是先把負(fù)荷加到鄰機(jī)上。高背壓運(yùn)行的機(jī)組,負(fù)荷維持在230～260 MW,通過調(diào)整五采暖抽汽量來保證空冷島進(jìn)最少汽量。當(dāng)要加負(fù)荷時,由鄰機(jī)來進(jìn)行加負(fù)荷,當(dāng)鄰機(jī)達(dá)到最大出力以后,再由高背壓運(yùn)行的機(jī)組進(jìn)行加負(fù)荷。這就要電廠同當(dāng)?shù)氐碾娏χ鞴懿块T進(jìn)行協(xié)商,改變?nèi)珡S電負(fù)荷的調(diào)度方式,由單機(jī)調(diào)度的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槿珡S調(diào)度。

2.4水環(huán)真空泵低真空下的運(yùn)行提效

機(jī)組原水環(huán)真空泵正常運(yùn)行情況下一用二備,單臺水環(huán)真空泵可以滿足機(jī)組長期運(yùn)行的需要。在高背壓投運(yùn)一段時間后,出現(xiàn)了熱網(wǎng)凝汽器上端差大的問題；當(dāng)運(yùn)行2臺真空泵后,端差可恢復(fù)正常。懷疑是漏空氣所致,但真空嚴(yán)密性合格。最后發(fā)現(xiàn),高背壓投運(yùn)很短的時間后,真空泵運(yùn)行電流明顯下降,工作水溫度升高,水環(huán)真空泵出現(xiàn)抽吸效率低的問題［11］。針對這種問題可以通過增加水環(huán)真空泵工作水冷卻裝置,加強(qiáng)換熱,以提高真空泵的抽吸效率［12］。

3 結(jié)語

筆者對直接空冷機(jī)組高背壓供熱系統(tǒng)及供熱運(yùn)行方式進(jìn)行了介紹；對運(yùn)行中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析,并提出了應(yīng)對的方案措施。通過改造并實(shí)際運(yùn)行,說明了直接空冷機(jī)組高背壓供熱方式是安全可靠的,首次工程示范的成功為以后此類改造提供了豐富的參考價(jià)值。

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Introduction to High Back-pressure Heating System of Direct Air-cooling Units and the Safety Operation

Huang Zhikun1,Zhang Pan1,Zhang Yanhui1,Xu Zelin1,Yang Shibin2
(1.GUODIAN Science and Technology Research Institute Beijing Branch,Beijing 100081,China；2.GUODIAN Yuci Thermal Power Co.,Ltd.,Jinzhong 030600,Shanxi Province,China)

An introduction is being presented to the high back-pressure heating system of a direct aircooling unit,together with a description to several key problems that may occur during high back-pressure operation conditions.The air-blast failure in last-stage blade of low-pressure cylinder under high backpressure operation mode could be prevented by controlling the flow rate and inlet temperature of the steam. When the inlet flow rate of one row is low,freezing of the row could be forbidden through opening the condensate valve and closing the vacuum valve of the row.The economy of the heating mode could be improved by optimizing the load allocation.The efficiency of the water ring vacuum pump could be raised by adding cooling equipment for the working medium.Practical applications prove the high back-pressure heating mode of direct air-cooling unit to be safe and reliable.

direct air-cooling unit；steam condenser；large caliber butterfly；air blast

TK262

A

1671-086X(2015)03-0196-04

2014-06-26

黃治坤(1987-),男,工程師,主要從事火電機(jī)組節(jié)能研究。

E-mail：huangzhikunp@163.com