350 MW機(jī)組低壓缸零出力運(yùn)行應(yīng)用研究

曲大雷，回世成 ，李 贏，朱春燕

（1.遼寧東方發(fā)電有限公司，遼寧 撫順 113007；2.國(guó)家電投東北電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000；3.國(guó)網(wǎng)遼寧電力有限公司撫順供電公司，遼寧 撫順 113007）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電和光伏裝機(jī)規(guī)模迅猛增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力難以完全適應(yīng)新能源大規(guī)模發(fā)展和消納的要求，部分地區(qū)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光和棄水問(wèn)題。2015 年，全年棄風(fēng)電量高達(dá) 339 億 kWh[1]，“三北”部分地區(qū)棄風(fēng)和棄光率超過(guò)20%。2016年11月國(guó)家能源局東北能源監(jiān)管局下發(fā) 《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則（試行）》后[2]，因機(jī)組不能實(shí)現(xiàn)熱電解耦運(yùn)行，在保證供熱參數(shù)的情況下，無(wú)法滿足電網(wǎng)深度調(diào)峰的要求，2016—2017年供暖期承擔(dān)了近千萬(wàn)元深度調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用的分?jǐn)?。如果參與深度調(diào)峰，將根據(jù)調(diào)峰深度不同，獲取一定的補(bǔ)償收益[3]。因此，經(jīng)多方考察、論證，最終選擇可滿足發(fā)電和供熱效益最大化、投資最少、靈活性最明顯的低壓缸零出力運(yùn)行靈活性改造。

1 機(jī)組概況

某發(fā)電公司共有2臺(tái)350 MW燃煤機(jī)組，均采用亞臨界、一次中間再熱、自然循環(huán)、燃煤汽包鍋爐，汽輪機(jī)為以300 MW汽輪機(jī)機(jī)組為基礎(chǔ)改進(jìn)生產(chǎn)的350MW亞臨界、凝汽式汽輪機(jī)，主要設(shè)備參數(shù)見表1。2臺(tái)機(jī)組于2013年改為中低壓聯(lián)通管打孔抽汽供熱機(jī)組，1號(hào)機(jī)組最大抽汽量為375t／h，2號(hào)機(jī)組最大抽汽量為350t／h。設(shè)計(jì)可供采暖面積為1005萬(wàn)m2，現(xiàn)有供熱面積為700萬(wàn)m2左右，2016～2017年的實(shí)際供熱數(shù)據(jù)見表2。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

為響應(yīng)國(guó)家火電靈活性改造政策要求，提高機(jī)組供熱期深度調(diào)峰能力，增強(qiáng)機(jī)組在電力輔助服務(wù)調(diào)峰市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力和盈利能力，對(duì)1號(hào)機(jī)組進(jìn)行低壓缸零出力供熱改造[4]。

2 低壓缸零出力供熱改造方案

提升供熱機(jī)組靈活性的低壓缸零出力技術(shù)在低壓缸高真空運(yùn)行條件下，采用可完全密封的液壓蝶閥切除低壓缸原進(jìn)汽管道進(jìn)汽，通過(guò)新增旁路管道通入少量的冷卻蒸汽，用于帶走低壓缸零出力后低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的鼓風(fēng)熱量，此時(shí)機(jī)組處于高背壓供熱狀態(tài)。

2.1 低壓末級(jí)和次末級(jí)葉片校核

汽輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，隨著級(jí)內(nèi)容積流量的減小，低壓缸末兩級(jí)葉片構(gòu)成的級(jí)內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生較大變化，主要表現(xiàn)為產(chǎn)生進(jìn)汽負(fù)功角，在葉片壓力面上形成流動(dòng)分離，在葉根處的脫流、葉片動(dòng)應(yīng)力增加、鼓風(fēng)、水蝕加劇等現(xiàn)象。這些變化不僅直接影響機(jī)組的運(yùn)行效率，還可能誘發(fā)葉片顫振，并導(dǎo)致水蝕加劇，威脅機(jī)組安全運(yùn)行。低壓缸末兩級(jí)葉片內(nèi)渦流發(fā)展隨容積流量減小的變化趨勢(shì)見圖1。

圖1 低壓缸末級(jí)葉片內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)變化

表2 2016～2017年實(shí)際供熱數(shù)據(jù)（雙機(jī)運(yùn)行）

一般把動(dòng)葉根部開始出現(xiàn)脫流及其后容積流量更小的工況稱為級(jí)的小容積流量工況。汽輪機(jī)級(jí)的容積流量大幅度減小時(shí)，動(dòng)葉進(jìn)口相對(duì)速度減小，甚至為負(fù)值，造成動(dòng)葉做負(fù)功，產(chǎn)生鼓風(fēng)現(xiàn)象，引起低壓缸過(guò)熱，排汽缸變形等危及汽輪機(jī)安全的問(wèn)題出現(xiàn)。鼓風(fēng)熱量可由低壓缸冷卻蒸汽和噴水減溫解決，水蝕問(wèn)題可通過(guò)業(yè)內(nèi)成熟的葉片噴涂技術(shù)得到預(yù)控。

當(dāng)相對(duì)容積流量達(dá)到一定值時(shí)，葉片振動(dòng)應(yīng)力開始迅速增加，之后達(dá)到最大值，進(jìn)一步減小容積流量，振動(dòng)應(yīng)力逐漸減小，振動(dòng)應(yīng)力與相對(duì)容積流量呈非單調(diào)變化關(guān)系。某葉片動(dòng)應(yīng)力與相對(duì)容積流量的關(guān)系見圖2。

從圖2可以看出，容積流量只是在一定值時(shí)，才會(huì)引起振動(dòng)應(yīng)力產(chǎn)生，因此通過(guò)核算，葉片實(shí)際動(dòng)強(qiáng)度是否大于低壓缸容積流量變化至某一定值時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，并在低壓缸零出力運(yùn)行操作時(shí)迅速避開此區(qū)域，即低壓缸零出力供熱運(yùn)行時(shí)可能存在的葉片鼓風(fēng)、顫振、水蝕加劇等問(wèn)題是可控的[5]。

2.2 改造施工

低壓缸零出力運(yùn)行的主要操作就是導(dǎo)管蝶閥的關(guān)閉和開啟過(guò)程，因此選擇安全可靠、動(dòng)作靈活、響應(yīng)迅速、密封嚴(yán)密的蝶閥為本次改造施工階段的重中之重。

由于隨著級(jí)內(nèi)容積流量逐漸減小，葉片將產(chǎn)生鼓風(fēng)現(xiàn)象，新增冷卻蒸汽系統(tǒng)用于導(dǎo)管蝶閥關(guān)閉后帶走鼓風(fēng)熱量。冷卻蒸汽系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)蒸汽流量既能滿足帶走鼓風(fēng)熱量又能避開危險(xiǎn)容積流量。

低壓缸內(nèi)部新增監(jiān)視測(cè)點(diǎn)是為了監(jiān)視低壓缸產(chǎn)生鼓風(fēng)等影響機(jī)組安全運(yùn)行的狀況，以便采取有效措施，保證機(jī)組安全運(yùn)行。

低壓缸零出力運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)管蝶閥關(guān)閉對(duì)應(yīng)的所有閉鎖控制邏輯、供熱低負(fù)荷投入保護(hù)邏輯等將在機(jī)組低壓缸零出力運(yùn)行時(shí)發(fā)生改變。因此梳理與低壓缸零出力相沖突的熱工邏輯，做出相應(yīng)的修改或者取消，保證低壓缸退出或投入運(yùn)行時(shí)，各項(xiàng)參數(shù)正常可控。

為防止電網(wǎng)調(diào)度考核，根據(jù)低壓缸零出力運(yùn)行后機(jī)組電—熱負(fù)荷特性，優(yōu)化調(diào)整機(jī)組AGC負(fù)荷響應(yīng)控制邏輯，確保改造后機(jī)組能夠適應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度要求[6]。

3 改造后機(jī)組靈活性分析

根據(jù)機(jī)組的熱平衡設(shè)計(jì)圖，對(duì)汽輪機(jī)純凝工況最小發(fā)電功率、不同鍋爐負(fù)荷下汽輪機(jī)最大供熱抽汽能力進(jìn)行了核算，汽輪機(jī)設(shè)計(jì)廠家規(guī)定低壓缸最小進(jìn)汽流量為180 t／h。低壓缸零出力運(yùn)行改造后，由中壓缸排汽引入低壓缸約20 t／h蒸汽，用于防止低壓缸末兩級(jí)葉片出現(xiàn)鼓風(fēng)損失從而引起葉片超溫以及應(yīng)力超限等問(wèn)題。通過(guò)核算，同等鍋爐負(fù)荷下，改造前后采暖抽汽流量可增加185 t／h，發(fā)電煤耗率降低60 g／kWh以上，供熱量可增加144 MW，發(fā)電熱耗率降低3 310 kJ／kWh以上，如表3所示。

根據(jù)低壓缸零出力運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)對(duì)外供熱負(fù)荷為288 MW時(shí)，鍋爐最小出力工況對(duì)應(yīng)的發(fā)電功率為200.32 MW；鍋爐額定出力工況對(duì)應(yīng)的發(fā)電功率為248.77 MW；低壓缸零出力工況對(duì)應(yīng)的發(fā)電功率為110.81 MW。即對(duì)外供熱負(fù)荷不變的前提下，低壓缸零出力運(yùn)行可降低發(fā)電功率約90 MW，大大提高了調(diào)峰能力，如表4所示。

表3 對(duì)機(jī)組供熱能力和供熱經(jīng)濟(jì)性的影響

表4 對(duì)機(jī)組調(diào)峰能力的影響

4 改造對(duì)機(jī)組安全影響

低壓缸零出力運(yùn)行成功后，提出了國(guó)內(nèi)機(jī)組深度調(diào)峰和熱電解耦的新思路。在投資少，施工量小，節(jié)能降耗明顯，提升供熱能力大，深度調(diào)峰能力強(qiáng)，增減負(fù)荷響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)的吸引下，更為關(guān)注低壓缸零出力運(yùn)行對(duì)低壓末級(jí)葉片和其他設(shè)備的安全影響。

機(jī)組低壓缸零出力運(yùn)行時(shí)，某一工況，主蒸汽流量保持在500 t／h左右，電負(fù)荷為80 MW，供熱流量為320 t／h左右，首站加熱器出口水溫為100℃左右。低壓缸冷卻蒸汽流量為20 t／h。中壓缸排氣壓力為0.45MPa，排汽溫度為38℃。低壓缸差賬上漲2mm左右，串軸正方向串動(dòng)0.1mm。低壓缸零出力運(yùn)行前后軸瓦溫度變化如表5所示，軸瓦振動(dòng)變化如表6所示。

表5 低壓缸零出力運(yùn)行前后軸瓦溫度變化 ℃

該機(jī)組2017—2018年供暖期低壓缸零出力運(yùn)行約450 h，解體后，發(fā)現(xiàn)低壓缸內(nèi)部無(wú)異常，末級(jí)葉片較低壓缸零出力運(yùn)行前無(wú)明顯變化，如圖3所示。

表6 低壓缸零出力運(yùn)行前后軸瓦振動(dòng)變化 μm

圖3 低壓缸末級(jí)葉片

4 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前火電機(jī)組靈活性改造的大背景下，作為供熱機(jī)組靈活性運(yùn)行手段之一，低壓缸零出力供熱技術(shù)能夠一定程度弱化供熱機(jī)組熱電耦合特性，在保證供熱的基礎(chǔ)上，降低機(jī)組發(fā)電功率。經(jīng)過(guò)調(diào)試和各個(gè)工況運(yùn)行試驗(yàn)后，按操作規(guī)程低壓缸投切操作簡(jiǎn)便，可滿足供暖期間電網(wǎng)深度調(diào)峰和頂尖峰的靈活性要求。項(xiàng)目施工工期經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)整可降低至18 d以內(nèi)，投資小，見效快。該機(jī)組改造前最大抽汽量為462 t／h，改造后機(jī)組最大抽汽流量為648 t／h，2017—2018年供暖期450 h的低壓缸零出力運(yùn)行，獲得調(diào)峰輔助服務(wù)利益約1 600萬(wàn)元。但目前零出力運(yùn)行時(shí)間較短，低壓缸零出力運(yùn)行對(duì)設(shè)備的影響程度仍需繼續(xù)觀察。低壓缸零出力運(yùn)行從低負(fù)荷到頂尖峰靈活切換是滿足電網(wǎng)調(diào)度要求的最佳運(yùn)行方式。