東方1 000 MW級(jí)火電機(jī)組供熱改造方案探討

唐濤，張良平，周永東，劉金芳

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000)

0 前言

隨著國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)的逐漸飽和，國(guó)內(nèi)火電機(jī)組可利用小時(shí)數(shù)進(jìn)一步下降，以前純發(fā)電的大容量機(jī)組包括1 000 MW機(jī)組也需要調(diào)峰運(yùn)行，這樣就無(wú)法充分發(fā)揮大容量機(jī)組的真正能力，另外隨著中國(guó)城市化發(fā)展，北方城市冬季供暖需求量在加大，考慮到環(huán)保問題，供暖點(diǎn)也在向多個(gè)點(diǎn)逐漸向單一點(diǎn)或遠(yuǎn)距離供熱發(fā)展?；谝陨锨闆r，以前只作為主力發(fā)電的1 000 MW機(jī)組，目前也開始策劃準(zhǔn)備供熱改造，以適應(yīng)企業(yè)本身和社會(huì)的發(fā)展。

對(duì)于機(jī)組的供熱改造設(shè)計(jì)研發(fā)，東汽具有起步早、研發(fā)能力強(qiáng)、功能強(qiáng)、品種多、控制方式成熟的優(yōu)勢(shì)。東方供熱改造起步于1984年山西太原一電廠300 MW（D19）供熱機(jī)組。隨后自主研發(fā)并首次成功運(yùn)用了旋轉(zhuǎn)隔板調(diào)整抽汽、中壓調(diào)節(jié)閥調(diào)整抽汽。此外針對(duì)各種等級(jí)機(jī)組東方可設(shè)計(jì)0.4 MPa、 1.0 MPa、 1.3 MPa、 1.5 MPa、 2.5 MPa、4.0 MPa各檔抽汽[1]。因此供熱改造東汽具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

1 東方供熱改造方案

供熱改造根據(jù)抽汽方法主要分為可調(diào)整抽汽和非調(diào)整抽汽[2]。此外供熱改造可根據(jù)通流是否參與改造，分為通流改造及非通流改造兩種，非通流改造下的供熱改造原則上不對(duì)鍋爐和發(fā)電機(jī)進(jìn)行任何改動(dòng)，對(duì)通流內(nèi)部不進(jìn)行任何改造，對(duì)汽缸、閥門等大部件改動(dòng)盡量小，此改造周期短，投資小，投資回報(bào)率較高，因此本文僅介紹非通流改造。

東方1 000 MW機(jī)組為超超臨界、單軸、一次中間再熱、四缸四排汽汽輪機(jī)，中壓缸為雙分流形式，中壓排汽通過連通管匯合后流向兩個(gè)低壓缸。針對(duì)該機(jī)型的供熱改造，考慮到運(yùn)行后汽缸老化、改造成本等原因，不再對(duì)汽缸、閥門進(jìn)行任何改造。因此對(duì)具有工業(yè)用途的供熱改造主要通過對(duì)再熱管道打孔抽出，對(duì)采暖供熱改造主要通過對(duì)連通管進(jìn)行改造，增加供熱蝶閥調(diào)節(jié)抽出。對(duì)于工業(yè)抽汽，由于抽汽在再熱管道上，因此對(duì)本體的影響較小，僅需核算因抽汽后，進(jìn)入中壓、低壓流量壓力的變化，引起推力的變化，因此本文不再詳細(xì)論述。

對(duì)采暖抽汽，因?yàn)閰?shù)的波動(dòng)性，以及考慮到對(duì)本體影響，在抽汽管路上還需配置安全閥、快關(guān)調(diào)節(jié)閥、抽汽止回閥、電動(dòng)閘閥等，以對(duì)本體各設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，相關(guān)系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 抽汽供熱系統(tǒng)圖

采暖抽汽因需在連通管上增設(shè)一套供熱蝶閥，供熱蝶閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)重量較大，因此在結(jié)構(gòu)布置上，根據(jù)供熱蝶閥布置的位置及支撐形式不同，形成了三種方案：

（1）方案1：蝶閥置于中壓排汽處，見圖2。

圖2 蝶閥置于中排布置圖

（2）方案2：蝶閥置于連通管水平段，見圖3。

圖3 蝶閥置于連通管水平段布置圖

（3）方案3：蝶閥置于低壓進(jìn)汽口，見圖4。

圖4 蝶閥置于低壓進(jìn)汽口布置圖

方案1中蝶閥置于中壓排汽口處，抽汽口在蝶閥下，連通管標(biāo)高需抬高一個(gè)蝶閥和孔口高度，連通管標(biāo)高抬高較高，對(duì)廠房起吊空間要求較高。另外，根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，此類布置容易在閥門小開度工況下產(chǎn)生連通管汽流激振問題。

方案2中由于蝶閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)較重（按照對(duì)應(yīng)的連通管管徑，估算蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)重量約5 t），蝶閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)布置于連通管水平段，由于連通管為薄壁圓筒型結(jié)構(gòu)，連通管無(wú)法直接承受蝶閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重量，需增加輔助支撐，見圖5。

圖5 蝶閥置于連通管水平段方案示意圖

針對(duì)該方案，缺點(diǎn)如下：

（1）由于母型機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，中排中心線距離低壓進(jìn)汽中心線間距很小，同時(shí)考慮到波紋管的布置，門型梁及蝶閥實(shí)際位置在A低壓缸上部。因此對(duì)A低壓缸的檢修較為麻煩，不動(dòng)B低壓缸情況下，吊走連通管后需吊走門型梁，若不動(dòng)門型梁，吊走連通管后，需吊走B低壓缸上部，才能檢修A低壓缸。

（2）門型梁落足生根的地方對(duì)基礎(chǔ)要求較高，該改造對(duì)基礎(chǔ)的依賴性較強(qiáng)。

（3）連通管在冷熱態(tài)下天地方向標(biāo)高會(huì)發(fā)生變化約為22 mm，而門型梁支撐點(diǎn)在冷熱態(tài)下標(biāo)高不變，難以實(shí)現(xiàn)冷熱態(tài)下支撐力相同。

因此不推薦采用方案1和方案2。本文將詳細(xì)論述方案3的可行性及優(yōu)缺點(diǎn)。

2 蝶閥置于低壓進(jìn)汽口方案論證

本節(jié)將從該方案的可行性、安全性、優(yōu)缺點(diǎn)等詳細(xì)論述該方案。

2.1 供熱蝶閥置于低壓進(jìn)汽口結(jié)構(gòu)方案

將供熱蝶閥置于低壓進(jìn)汽口，打孔抽汽位于中壓排汽口。供熱蝶閥直接與低壓汽缸進(jìn)汽相連，由于供熱蝶閥重量較大，考慮到蝶閥作用下汽缸變形導(dǎo)致通流間隙的變化，因此蝶閥置于低壓進(jìn)汽口，需額外增加輔助支撐，輔助支撐位于低壓外缸上，如圖6所示。

圖6 蝶閥置于低壓進(jìn)汽口方案示意圖

2.2 蝶閥置于低壓進(jìn)汽口對(duì)汽缸影響

蝶閥置于低壓進(jìn)汽口，需論證蝶閥對(duì)低壓缸變形以及強(qiáng)度的影響，特別是蝶閥全關(guān)壓差作用下，低壓缸的剛性以及強(qiáng)度是否滿足安全性要求。由于汽缸的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)強(qiáng)度和剛性的校核只能通過有限元計(jì)算實(shí)現(xiàn)。對(duì)汽缸離散化后，汽缸滿足的力學(xué)平衡方程如下：

其中K為離散化后的剛度矩陣，U為離散后的節(jié)點(diǎn)位移，方程的右側(cè)為載荷。載荷分為三類，體積載荷（PV）、 面載荷（PS）、 集中載荷（F）。 本結(jié)構(gòu)中，將蝶閥的重量以及蝶閥全關(guān)壓差作用下的集中力F轉(zhuǎn)化為進(jìn)汽口的面載荷PS進(jìn)行加載計(jì)算。

按照兩種極端工況對(duì)該方案進(jìn)行計(jì)算，蝶閥對(duì)低壓缸的影響計(jì)算云圖如圖7所示。

（1）支撐失效，蝶閥重量及蝶閥全關(guān)作用下所有力由低壓內(nèi)缸支撐。

（2）支撐過強(qiáng)，蝶閥重量及蝶閥全關(guān)作用下所有力由低壓外缸支撐。

圖7 蝶閥對(duì)低壓缸的影響計(jì)算云圖

由計(jì)算結(jié)果可知：當(dāng)支撐失效，僅由低壓內(nèi)缸支撐時(shí)，且在蝶閥全關(guān)壓差作用下，低壓缸通流內(nèi)軸向間隙變化較小，剛性滿足要求，但低壓內(nèi)缸強(qiáng)度不滿足要求。低壓內(nèi)缸可以承受部分蝶閥重量及蝶閥全關(guān)壓差作用下載荷，但支撐失效僅由低壓內(nèi)缸支撐無(wú)法滿足要求。當(dāng)支撐過強(qiáng)，載荷全部由低壓外缸承擔(dān)，低壓外缸最大變形位于支撐位置，由于低壓外缸不影響通流內(nèi)部間隙，該變形量不會(huì)引起低壓內(nèi)缸與外缸任何干涉，因此剛性滿足要求。低壓外缸工作溫度較低，許用應(yīng)力較大，強(qiáng)度滿足要求。

通過計(jì)算可知，增加輔助支撐，蝶閥由外缸支撐，能夠滿足低壓缸的強(qiáng)度剛性要求。允許低壓內(nèi)缸承擔(dān)部分蝶閥重量或蝶閥全關(guān)蒸汽壓力，但支撐不能失效，不能由低壓內(nèi)缸承擔(dān)所有載荷，若支撐失效需及時(shí)對(duì)機(jī)組進(jìn)行檢修。

2.3 蝶閥置于低壓進(jìn)汽口對(duì)軸承座標(biāo)高的影響

東方1 000 MW機(jī)組的低壓軸承座落在低壓外缸端部。外缸作為供熱蝶閥的支撐，在工作狀態(tài)下，外缸將變形，此變形會(huì)引起軸承座標(biāo)高的變化。通過有限元計(jì)算，軸承座附近變化量云圖如圖8所示。

圖8 蝶閥對(duì)軸承標(biāo)高影響計(jì)算云圖

不考慮冷熱態(tài)變化，僅考慮蝶閥重力作用以及蝶閥全關(guān)壓差作用，低壓外缸支撐供熱蝶閥和原低壓模塊相比較，軸承座處天地方向的變形較小，可以忽略對(duì)軸承座標(biāo)高的影響，不影響軸系的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 內(nèi)外缸進(jìn)汽口膨脹的匹配

蝶閥支撐在低壓外缸上，低壓外缸工作溫度約為30℃，低壓內(nèi)缸進(jìn)汽口工作溫度約為380℃，低壓內(nèi)缸進(jìn)汽口在冷熱態(tài)下天地方向變化量約為22 mm，因此需在低壓內(nèi)缸與供熱蝶閥之間增加一波紋管，以抵消相應(yīng)的熱膨脹。局部結(jié)構(gòu)詳圖如圖9所示。

圖9 內(nèi)外缸匹配波紋管位置示意圖

2.5 供熱壓力過低對(duì)通流的影響

供熱機(jī)組的供熱壓力有一定的波動(dòng)范圍。當(dāng)供熱壓力過低時(shí)，需對(duì)中壓通流安全性進(jìn)行校核。對(duì)東方典型的濕冷和空冷1 000 MW機(jī)組進(jìn)行計(jì)算可知，中壓動(dòng)葉強(qiáng)度及剛性均滿足要求。對(duì)中壓末兩級(jí)隔板的強(qiáng)度及剛性影響較大，通過計(jì)算中壓末兩級(jí)導(dǎo)葉的強(qiáng)度裕度較小，考慮到機(jī)組運(yùn)行后的老化等問題，建議更換末兩級(jí)隔板導(dǎo)葉。

2.6 供熱壓力過高對(duì)連通管、波紋管的影響

當(dāng)供熱壓力過高，會(huì)觸發(fā)供熱管路上安全閥報(bào)警或停機(jī)。需考核報(bào)警或停機(jī)壓力下，連通管及波紋管的強(qiáng)度能否滿足要求。連通管為薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，按照薄壁圓筒結(jié)構(gòu)對(duì)連通管進(jìn)行計(jì)算可知，滿足強(qiáng)度要求。咨詢相關(guān)波紋管廠家，在提供了相應(yīng)的直徑及工作壓力后，能設(shè)計(jì)出相應(yīng)穩(wěn)定可靠的波紋管。

2.7 蝶閥置于低壓進(jìn)汽口的優(yōu)缺點(diǎn)

該方案從結(jié)構(gòu)布置上較為簡(jiǎn)潔美觀。通過前文的論證可知，該方案對(duì)本體影響較小，僅需更改中壓末兩級(jí)隔板。將蝶閥置于低壓進(jìn)汽口，連通管在中排位置打孔抽汽，起吊高度僅需增加一供熱蝶閥高度，對(duì)廠房影響較小。此外電廠對(duì)連通管或低壓缸檢修和原機(jī)組類似，均較為方便。

由于東方1 000 MW機(jī)組為兩個(gè)低壓缸，必須設(shè)置兩套供熱蝶閥，此兩套供熱蝶閥在控制上需同步，邏輯控制上較易實(shí)現(xiàn)，在東方其他供熱機(jī)組上有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

3 供熱改造對(duì)輔機(jī)、控制的影響

供熱抽汽后，由于各段抽汽參數(shù)變化，因此需重新核算抽汽口是否滿足要求，同時(shí)考慮對(duì)加熱器的影響，考慮回?zé)嵯到y(tǒng)是否能安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過分析可知，連通管抽汽量按1 200 t/h核算，抽汽量變化不大，抽汽口的流速影響不大，各加熱器溫升變化小，因此對(duì)抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)影響較小。

供熱抽汽后，需補(bǔ)水至排汽裝置，以保證主蒸汽流量。電廠需增設(shè)一套補(bǔ)水系統(tǒng)。

供熱抽汽后，為保證汽輪機(jī)安全可靠運(yùn)行，汽輪機(jī)DEH邏輯需進(jìn)行相應(yīng)改造，同時(shí)供熱抽汽系統(tǒng)所增加的供熱蝶閥及供熱快關(guān)閥需增加液壓控制系統(tǒng) （DEH油源），相應(yīng)的DCS中需增加這部分控制硬件及軟件。另外，為保證高、中、低壓通流葉片在安全范圍內(nèi)運(yùn)行，汽輪機(jī)需增設(shè)部分安全監(jiān)視測(cè)點(diǎn)，如1抽至高排壓差、中壓缸排汽壓力、中壓排汽溫度、低壓缸進(jìn)汽壓力等。

4 供熱改造設(shè)備

通過前文分析可知，供熱改造除對(duì)中壓末兩級(jí)隔板影響較大外，對(duì)本體其余設(shè)備影響較小。供熱改造設(shè)備清單如表1所示。

表1 改造設(shè)備清單

5 結(jié)束語(yǔ)

通過本文的分析，東方1 000 MW機(jī)組的供熱改造具有較強(qiáng)的可行性，不論是非調(diào)整抽汽還是可調(diào)整抽汽，均可在通流局部改動(dòng)的情況下，設(shè)計(jì)出滿足機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的方案。改造后，將提高機(jī)組的綜合經(jīng)濟(jì)性，符合國(guó)家減排精神，將為電廠創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。