汽輪機(jī)單轉(zhuǎn)子高背壓循環(huán)水供熱改造技術(shù)研究

曾婭，袁永強(qiáng)，王振鋒，徐曉康，孫偉

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

0　引言

熱電聯(lián)產(chǎn)是節(jié)能減排，提高電廠經(jīng)濟(jì)收益的有效手段。我國(guó)北方的汽輪機(jī)組大多在冬季承擔(dān)著集中供熱的任務(wù)。汽輪機(jī)采暖供熱采用的方式多種多樣。其一，采用中壓排汽，在中排處安裝蝶閥的方式。抽出的蒸汽參數(shù)（通常在0.5 MPa，250℃左右），大大高于循環(huán)水所需溫度（70～130℃），造成低壓缸發(fā)電量減少，一定程度上產(chǎn)生能源浪費(fèi)。其二，采用高背壓循環(huán)水供熱。但供熱期與非供熱期采用不同的通流。即需要每年兩次揭開(kāi)低壓缸更換轉(zhuǎn)子，對(duì)檢修隊(duì)伍要求較高，每年揭缸工期約2×30天。

本文對(duì)單轉(zhuǎn)子高背壓供熱改造進(jìn)行技術(shù)綜合考慮，基于夏季背壓偏高的客觀事實(shí)，又在冬季對(duì)汽輪機(jī)低壓缸排汽余熱進(jìn)行充分挖潛，通過(guò)合理選擇經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)，采用不更換低壓部分方案，兼顧各季節(jié)高效環(huán)保運(yùn)行。

1　系統(tǒng)概述

針對(duì)濕冷機(jī)組，凝汽器與熱網(wǎng)首站形成新的閉式循環(huán)，循環(huán)水由熱網(wǎng)水代替，不再上冷卻塔。利用排汽余熱，循環(huán)水被加熱至70～90℃或由鄰機(jī)抽汽加熱至更高溫度后進(jìn)入熱網(wǎng)供暖，如圖1所示。

圖1　濕冷機(jī)組單轉(zhuǎn)子高背壓循環(huán)水供熱系統(tǒng)

針對(duì)空冷機(jī)組，在采暖期可直接切除空冷裝置，新增凝汽器與熱網(wǎng)首站形成新的閉式循環(huán)，利用排汽余熱，循環(huán)水被加熱至70～90℃或由鄰機(jī)抽汽加熱至更高溫度后進(jìn)入熱網(wǎng)供暖，如圖2所示。

圖2　空冷機(jī)組單轉(zhuǎn)子高背壓循環(huán)水供熱系統(tǒng)

2　經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)

《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，冬季采暖，閉式供熱系統(tǒng)的供水溫度不得低于70℃【1】?？紤]一定的換熱溫差，凝汽器內(nèi)飽和水蒸汽的溫度不應(yīng)低于73℃，對(duì)應(yīng)背壓不應(yīng)低于35 kPa。對(duì)濕冷機(jī)組，當(dāng)平均冷卻水溫為25℃時(shí)，凝汽器壓力約為6.4 kPa【2】。受實(shí)際氣溫影響，濕冷機(jī)組純凝工況平均背壓約為8 kPa。對(duì)空冷機(jī)組，夏季最高背壓一般可達(dá)30 kPa以上【2】。結(jié)合春季及秋季的情況，空冷機(jī)組純凝工況的平均背壓選擇20 kPa較為適宜。

表1　單轉(zhuǎn)子高背壓循環(huán)水供熱背壓

表1分別列出了濕冷機(jī)組和空冷機(jī)組的參考背壓范圍，在具體工程項(xiàng)目中，可結(jié)合各項(xiàng)邊界條件（如抽汽量、凝汽器進(jìn)出口水溫、排汽溫度等）進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算，找到最優(yōu)方案。

3　末級(jí)葉片的選擇

與常規(guī)抽汽機(jī)組相比，高背壓機(jī)組在采暖期由于背壓高，容積流量較小，汽輪機(jī)低壓級(jí)次特別是低壓末級(jí)容易出現(xiàn)鼓風(fēng)與顫振，這就要求末葉選型時(shí)不僅要兼顧機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，還要滿足機(jī)組運(yùn)行的安全性。定性上來(lái)說(shuō)，葉片越短，適用的背壓越高。

表2列出了不同末葉的背壓適用范圍。在中排抽汽為0 t/h時(shí)510、661、770末葉機(jī)組能達(dá)到的最高背壓分別為75 kPa，55 kPa，35 kPa，隨著中排抽汽的增大，機(jī)組能達(dá)到的最高背壓會(huì)逐漸降低；熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度越高，高背壓乏熱加熱時(shí)溫升越小，乏熱全部利用時(shí)需要的循環(huán)水流量就越大。

小容積流量工況下，在低負(fù)荷高氣溫（高背壓）時(shí)趨于嚴(yán)重。此時(shí)末級(jí)動(dòng)應(yīng)力有可能進(jìn)入峰值區(qū)，應(yīng)考慮末級(jí)進(jìn)入顫振的危險(xiǎn)性。大容積流量工況下，在高負(fù)荷低氣溫（低背壓）時(shí)發(fā)生，末級(jí)動(dòng)葉彎應(yīng)力增大，極端情況下還可能使排汽缸中氣流發(fā)生阻塞【2】。實(shí)際工程中，背壓還與主汽流量、中排抽汽等相關(guān)，需與熱力計(jì)算統(tǒng)籌考慮進(jìn)行詳細(xì)分析，選擇最佳運(yùn)行背壓區(qū)間。

4　轉(zhuǎn)子靜動(dòng)特性分析與強(qiáng)度

相較改造前，低壓轉(zhuǎn)子的跨距總長(zhǎng)不變，葉片變短，質(zhì)量及質(zhì)量分布變化小，軸承比壓變化小，可以評(píng)估單轉(zhuǎn)子高背壓循環(huán)水供熱的改造方案下臨界轉(zhuǎn)速和扭振以及軸承比壓是滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的。

改造后，低壓各級(jí)附加載荷降低。但溫度升高將導(dǎo)致許用應(yīng)力降低。故應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程對(duì)輪緣與輪盤(pán)進(jìn)行具體計(jì)算分析。對(duì)工作溫度低于400℃的葉輪、轉(zhuǎn)子和聯(lián)軸器，按材料的屈服強(qiáng)度校核其強(qiáng)度。

5　熱膨脹的影響

5.1　通流間隙

高背壓工況下，背壓提升到30～54 kPa，低壓缸的排汽溫度將提高到65～120℃。但整個(gè)機(jī)組的絕對(duì)死點(diǎn)、相對(duì)死點(diǎn)，主蒸汽參數(shù)均不變，僅排汽溫度有所提高?？梢耘袛喔脑旌蟮妮S向熱膨脹情況與改造前類似，但低壓缸脹差略有增加。

徑向間隙方面，低壓內(nèi)缸有向上膨脹的趨勢(shì)。對(duì)于“座缸”軸承，低壓轉(zhuǎn)子將隨缸一起膨脹，故徑向間隙可以認(rèn)為與純凝工況保持不變。而對(duì)“落地”軸承，需對(duì)隔板汽封、葉頂徑向汽封進(jìn)行偏心加工。

5.2　凝汽器對(duì)低壓缸的影響

通常30萬(wàn)機(jī)組的凝汽器高度約14 m，支撐方式不同，熱膨脹影響也不同?！皬椥赃B接，剛性支撐”的凝汽器，喉部與低壓外缸為膨脹節(jié)彈性連接，底部為剛性支撐，需校核膨脹節(jié)能否吸收熱膨脹影響?！皠傂赃B接，彈性支撐”的凝汽器，喉部與低壓外缸為剛性連接，底部由彈簧支撐，若彈簧剛度太大，熱膨脹將直接作用于低壓缸，對(duì)主機(jī)設(shè)備產(chǎn)生安全影響。若彈簧剛度太小，又無(wú)法滿足純凝時(shí)灌水后的要求。應(yīng)此對(duì)于“剛性連接，彈性支撐”的汽輪機(jī)，選取適宜的剛度是關(guān)鍵技術(shù)之一。

5.3　地腳螺栓間隙

汽缸受熱后以死點(diǎn)為中心向兩邊膨脹，膨脹值較純凝工況增加，而基架保持不變，故地腳螺栓間隙也需進(jìn)行校核。

6　低壓缸保護(hù)定值與噴水減溫系統(tǒng)

6.1　保護(hù)定值

在高背壓工況下，末級(jí)離設(shè)計(jì)工況最遠(yuǎn)，級(jí)效率下降最劇烈，因此可能進(jìn)入鼓風(fēng)工況，排汽點(diǎn)進(jìn)入干區(qū)，導(dǎo)致排汽溫度異常升高。必須采取相應(yīng)的降溫措施，并監(jiān)測(cè)部分參數(shù)，設(shè)定保護(hù)定值。單轉(zhuǎn)子高背壓循環(huán)水供熱，高背壓工況與純凝工況可以共用一套保護(hù)裝置。

表3　某30萬(wàn)空冷機(jī)組低壓保護(hù)定值

6.2　噴水系統(tǒng)

為避免長(zhǎng)期噴水和反復(fù)噴水，噴水減溫系統(tǒng)的停噴溫度應(yīng)略高于排汽溫度，減溫后排汽仍處于過(guò)熱區(qū)。噴水減溫可使用凝結(jié)水，也可使用除鹽水。除鹽水的用量較凝結(jié)水略低，詳見(jiàn)表4。

表4　某機(jī)組除鹽水與凝結(jié)水用量比較

噴水減溫系統(tǒng)中的噴頭安裝在排汽導(dǎo)流環(huán)或低壓外缸的導(dǎo)流板上，噴射范圍需避開(kāi)動(dòng)葉片，如圖3所示。

圖3　某30萬(wàn)機(jī)組排噴射范圍示意圖

7　低壓缸與凝汽器保溫

改造完成后，供熱期低壓缸排汽溫度高達(dá)70～130℃。裸露在空氣中的低壓外缸和凝汽器，存在安全隱患。同時(shí)良好的保溫可以減少汽輪機(jī)本體及其管道表面的散熱損失，提高機(jī)組的熱效率。因此對(duì)汽輪機(jī)本體部分的保溫，從設(shè)計(jì)到施工都應(yīng)給予充分的重視。在汽輪機(jī)本體設(shè)備改造完成后，有必要對(duì)低壓外缸及凝汽器外殼進(jìn)行保溫。

保溫材料在使用溫度為120～150℃要求導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.09 kcal/(m·h·℃)。最低耐熱溫度應(yīng)大于被保溫金屬表面溫度,而且在高溫情況下性能穩(wěn)定。還要求保溫材料容重輕,一般不適宜超過(guò)350 kg/m3?？梢允枪杷徜X纖維毯，也可以是抹面涂層材料。較厚的硅酸鋁纖維毯不宜用于曲率半徑小的設(shè)備上。保溫材料不可含有石棉。

8　結(jié)論

（1）單轉(zhuǎn)子高背壓循環(huán)水供熱較雙轉(zhuǎn)子技術(shù)有工況切換簡(jiǎn)易，檢修工期短的優(yōu)勢(shì)。即考慮了夏季背壓偏高的客觀事實(shí)，又在冬季對(duì)汽輪機(jī)低壓缸排汽余熱進(jìn)行充分挖潛。

（2）單轉(zhuǎn)子高背壓循環(huán)水供熱改造技術(shù)涉及的計(jì)算原理、安全準(zhǔn)則、技術(shù)手段是成熟的，在具體工程實(shí)施上有可靠的技術(shù)保障。

（3）單轉(zhuǎn)子高背壓循環(huán)水供熱機(jī)組的成功實(shí)施不僅有利于老機(jī)組供熱改造，對(duì)于北方供熱期較長(zhǎng)的新建機(jī)組有示范意義。

[1]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范CJJ_34-2010[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[2]中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì).火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè):第二卷：汽輪機(jī)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[3]吳厚鈺，主編.透平零件結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度計(jì)算[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1983.