350 MW 超臨界機(jī)組切缸技術(shù)供熱特性分析

王 力，包偉偉，張 敏，周乃康，徐 泰

（1.國(guó)家電投集團(tuán)東北電力有限公司，沈陽(yáng) 110181；2.國(guó)家電投集團(tuán)中央研究院，北京 150046；3.中電投東北能源科技有限公司，沈陽(yáng) 110179）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)的環(huán)保政策日益嚴(yán)格，北方的供暖形式由小范圍獨(dú)立供熱向集中供熱發(fā)展，大型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組是集中供熱的中堅(jiān)力量，其供熱的靈活性和經(jīng)濟(jì)性越來(lái)越受到重視。常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組一般采用中間抽汽供熱技術(shù)，受制于技術(shù)的不足，在冬季供熱時(shí)采用以熱定電的方式運(yùn)行，供熱期的調(diào)峰能力受到熱負(fù)荷的限制，供熱能力也未最大化。這一供熱特性導(dǎo)致供熱機(jī)組占比較大的地區(qū)在供熱期電網(wǎng)面臨很大的調(diào)峰難困難，為保證供熱，不得不放棄大量的新能源，造成棄風(fēng)棄光的現(xiàn)象。

因此，各大電力公司聯(lián)合電力研究機(jī)構(gòu)、制造廠、發(fā)電廠等一起，發(fā)展出了高背壓供熱技術(shù)、光軸供熱技術(shù)、低壓缸進(jìn)汽切除供熱技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱“切缸技術(shù)”）等，以提升供熱機(jī)組的靈活性和經(jīng)濟(jì)性，并取得了較好的應(yīng)用效果[1-4]。其中，切缸技術(shù)的設(shè)備投資低，是當(dāng)下綜合性能最好的供熱技術(shù)之一[5-6]。目前，雖然切缸技術(shù)在行業(yè)內(nèi)已有較多應(yīng)用案例，但尚未見到對(duì)切缸技術(shù)供熱特性的論述分析。基于此，以某350 MW 超臨界機(jī)組的切缸技術(shù)改造為例，對(duì)該機(jī)組采用切缸技術(shù)后的供熱特性進(jìn)行分析。

1 機(jī)組概況

某發(fā)電廠350 MW 超臨界機(jī)組是由哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)制造的超臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、抽凝式汽輪機(jī)，機(jī)組型號(hào)為C350/280-24.2/0.4/566/566。 該機(jī)組于2018 年投運(yùn)，為面向北方采暖供熱市場(chǎng)專門設(shè)計(jì)的供熱機(jī)組，采用中間抽汽供熱技術(shù)，抽汽位置在中壓缸排汽處，設(shè)計(jì)抽汽壓力0.4 MPa，抽汽溫度約280 ℃，最大抽汽量可達(dá)到約550 t/h。機(jī)組主要技術(shù)規(guī)范如表1 所示。

表1 機(jī)組主要技術(shù)規(guī)范

中間抽汽技術(shù)的采暖抽汽量與主蒸汽量、機(jī)組出力之間有一定關(guān)系，汽輪機(jī)廠家提供的原機(jī)組抽汽工況見圖1。

圖1 原機(jī)組抽汽工況

如圖1 所示，機(jī)組投供熱時(shí)的運(yùn)行范圍為粗實(shí)線包圍的部分，細(xì)斜實(shí)線為采暖抽汽量關(guān)系線，從右下往左上抽汽量依次是0 t/h，100 t/h，200 t/h，300 t/h，400 t/h 和500 t/h。根據(jù)圖1 可知原機(jī)組的供熱有如下特點(diǎn)：

（1）機(jī)組投供熱時(shí)負(fù)荷有一定范圍限制。機(jī)組投供熱最小負(fù)荷為175 MW， 是額定出力的50%，也即機(jī)組投供熱的負(fù)荷范圍為50%～100%額定出力。

（2）機(jī)組最大供熱能力受限。在最大抽汽工況時(shí)，采暖抽汽量為550 t/h，此時(shí)仍有約150 t/h蒸汽進(jìn)入低壓缸，機(jī)組供熱能力未最大化。

（3）機(jī)組低負(fù)荷時(shí)供熱能力受限。50%負(fù)荷工況下的最大供熱能力約為210 t/h，只有最大抽汽工況下的約38%。

（4）采暖抽汽工況仍存在冷端損失，機(jī)組熱耗還有繼續(xù)優(yōu)化的空間。

針對(duì)以上中間抽汽技術(shù)的供熱特點(diǎn)，可以考慮在此基礎(chǔ)上切除低壓缸進(jìn)汽，進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)組的靈活性及經(jīng)濟(jì)性。

2 切缸技術(shù)

切缸技術(shù)是背壓供熱技術(shù)的一種，或稱為“低壓缸零出力技術(shù)”，其將汽輪機(jī)中低壓連通管堵死，將中壓排汽接入熱網(wǎng)加熱器，加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，實(shí)現(xiàn)采暖供熱。低壓缸進(jìn)汽切除后，僅有少量冷卻蒸汽進(jìn)入低壓缸，中壓缸排汽將更多地提供給熱用戶，因此可以提高機(jī)組的供熱能力和調(diào)峰能力。低壓缸在切缸狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，冷卻蒸汽量一般為10～20 t/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常狀態(tài)下的進(jìn)汽量，因此對(duì)汽輪機(jī)的安全有較明顯的影響，主要有以下問(wèn)題：

（1）末級(jí)葉片動(dòng)應(yīng)力問(wèn)題。低壓缸進(jìn)汽切除后，僅保留少量蒸汽進(jìn)入低壓缸，此時(shí)蒸汽量下降導(dǎo)致低壓缸內(nèi)部流場(chǎng)不穩(wěn)定，氣流從葉片表面脫落產(chǎn)生聚集現(xiàn)象，如圖2 所示，形成倒流渦流區(qū)[7]。渦流有可能引發(fā)不規(guī)律的氣流激振，使葉片出現(xiàn)動(dòng)應(yīng)力“突增現(xiàn)象”，此時(shí)的動(dòng)應(yīng)力比設(shè)計(jì)工況要大5～10 倍[8]，如圖3 所示。如果不對(duì)葉片動(dòng)應(yīng)力水平加以限制的話，會(huì)嚴(yán)重影響葉片的安全運(yùn)行，因此，切缸技術(shù)改造前需要首先對(duì)末葉的安全性進(jìn)行校核。

圖2 某葉片小流量下葉型渦流線

圖3 某葉片相對(duì)動(dòng)應(yīng)力與相對(duì)流量關(guān)系

（2）鼓風(fēng)問(wèn)題。低壓缸進(jìn)汽量過(guò)小時(shí)會(huì)引起鼓風(fēng)現(xiàn)象，鼓風(fēng)將引起葉片溫度升高到200 ℃以上[9]，帶來(lái)以下問(wèn)題：軸承標(biāo)高發(fā)生變化，容易引起汽缸變形，動(dòng)靜碰磨；末三級(jí)葉片許用值均發(fā)生變化，存在靜應(yīng)力超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)；末三級(jí)葉片整圈動(dòng)頻率下降，存在共振點(diǎn)落入避開區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)。為解決此類問(wèn)題，需要優(yōu)化低壓缸噴水系統(tǒng)以降低排汽溫度，在末兩級(jí)葉片設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)，給定葉片運(yùn)行溫度上限，并設(shè)置報(bào)警保護(hù)。

（3）水蝕問(wèn)題。葉片長(zhǎng)時(shí)間在低負(fù)荷工況下運(yùn)行，葉片根部的脫流和葉片頂部的渦流汽流中夾帶的水滴隨蒸汽倒流沖刷葉片，使葉片根部、頂部水蝕嚴(yán)重，長(zhǎng)期運(yùn)行給葉片帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患[10-11]。對(duì)于末級(jí)葉片水蝕問(wèn)題，葉片出汽邊需要進(jìn)行噴涂處理，以提高葉片抗水蝕沖刷性能。

因此，現(xiàn)役機(jī)組要實(shí)現(xiàn)切缸供熱，需要對(duì)機(jī)組進(jìn)行切缸改造。結(jié)合上述問(wèn)題，切缸改造的主要內(nèi)容有：如果原抽汽蝶閥存在最小通流面積，不能實(shí)現(xiàn)蒸汽截?cái)?，則需要改造原抽汽蝶閥，實(shí)現(xiàn)中低壓連通管的隔斷。為了有效控制進(jìn)入低壓缸的冷卻蒸汽流量，需要增設(shè)冷卻蒸汽旁路及相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥；為了保證末級(jí)葉片處于安全的運(yùn)行條件，需要增加蒸汽溫度測(cè)點(diǎn)并對(duì)末葉進(jìn)行噴涂強(qiáng)化；為了解決末級(jí)鼓風(fēng)帶來(lái)的排汽溫度升高問(wèn)題，需要優(yōu)化低壓缸噴水系統(tǒng)。

綜合以上要求，切缸改造范圍包括中低壓連通管及抽汽蝶閥、低壓缸冷卻蒸汽旁路及閥門、低壓缸噴水系統(tǒng)管路及閥門、低壓缸末兩級(jí)蒸汽溫度測(cè)點(diǎn)以及部分控制卡件等。

3 切缸技術(shù)供熱特性

低壓缸進(jìn)汽切除后，低壓缸最小進(jìn)汽量由原來(lái)的150 t/h 降低至10～20 t/h，可以在全負(fù)荷范圍內(nèi)增加額外的供熱能力。 由于低壓缸進(jìn)汽切除，投供熱的最小負(fù)荷可以降低至50%負(fù)荷以下。同時(shí)，由于低壓缸基本上無(wú)功率輸出，機(jī)組投供熱時(shí)的出力將大幅下降，最小負(fù)荷可以繼續(xù)降低約30%。根據(jù)計(jì)算，低壓缸進(jìn)汽切除后的供熱具備以下特點(diǎn)：

（1）機(jī)組投供熱時(shí)最低負(fù)荷進(jìn)一步降低。低壓缸進(jìn)汽切除后，機(jī)組可以在鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷下帶供熱運(yùn)行， 對(duì)應(yīng)機(jī)組負(fù)荷為額定出力的約20%，即機(jī)組投供熱的負(fù)荷范圍為20%～100%額定出力。

（2）機(jī)組最大供熱能力進(jìn)一步提高。低壓缸進(jìn)汽切除后，低壓缸進(jìn)汽量減小約140 t/h，對(duì)應(yīng)的6—8 號(hào)低壓加熱器停用，中排的5 號(hào)低加抽汽量需要增加30 t/h 左右，剩余110 t/h 蒸汽可以提供給熱用戶。所以低壓缸進(jìn)汽切除后，機(jī)組最大供熱能力由550 t/h 增加至660 t/h。

（3）低負(fù)荷時(shí)供熱調(diào)峰能力進(jìn)一步提高。由于低壓缸進(jìn)汽被切除，低壓缸不輸出功率，使機(jī)組在調(diào)峰方面具有天然優(yōu)勢(shì)。根據(jù)計(jì)算，50%額定出力下的最大供熱能力為490 t/h，20%額定出力下的最大供熱能力為220 t/h，可以充分滿足供熱時(shí)的調(diào)峰要求。各負(fù)荷下的最大抽汽量見表2。

表2 不同負(fù)荷下最大供熱能力

（4）機(jī)組供熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步提高。低壓缸進(jìn)汽切除后，機(jī)組的冷端損失進(jìn)一步減少，最大抽汽工況時(shí)的機(jī)組熱耗可以降低至4 314.4 kJ/kWh，比常規(guī)供熱時(shí)對(duì)應(yīng)工況的熱耗降低1 092.2 kJ/kWh，進(jìn)一步提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

4 改造前后比較

切缸供熱技術(shù)與常規(guī)中間抽汽供熱技術(shù)在供熱能力、調(diào)峰能力、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、安全穩(wěn)定性等方面具有較大區(qū)別，現(xiàn)將2 種技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。

4.1 最大供熱能力

機(jī)組各負(fù)荷下最大供熱能力比較如圖4 所示。根據(jù)圖4 可知，切缸技術(shù)在全負(fù)荷范圍內(nèi)的最大供熱能力均優(yōu)于常規(guī)中間抽汽技術(shù)，其中切缸技術(shù)的最大供熱能力比常規(guī)中間抽汽技術(shù)增加110 t/h，可以達(dá)到660 t/h。按照50 W/m2的供熱標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算[12]，單臺(tái)機(jī)組采用切缸技術(shù)后，可以達(dá)到的最大供熱面積約為960 萬(wàn)m2，比常規(guī)抽汽機(jī)組供熱面積增加約160 萬(wàn)m2。

圖4 最大供熱能力對(duì)比

4.2 調(diào)峰能力

低壓缸進(jìn)汽切除后的機(jī)組抽汽工況如圖5 所示，淺色粗實(shí)線部分是常規(guī)中間抽汽技術(shù)的運(yùn)行范圍，深色粗實(shí)線部分是采用切缸技術(shù)后增加的運(yùn)行范圍。根據(jù)對(duì)比可知，切缸技術(shù)在調(diào)峰能力方面具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）供熱期機(jī)組最低運(yùn)行負(fù)荷可以由50%額定出力降低至20%額定出力，調(diào)峰能力增加30%額定出力。

（2）機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)50%額定出力以下時(shí)對(duì)外供熱抽汽。

（3）相同負(fù)荷下的機(jī)組供熱能力提高，75%負(fù)荷下供熱能力提高至1.3 倍，50%負(fù)荷下供熱能力提高至2.3 倍。

（4）相同供熱抽汽量下的機(jī)組負(fù)荷率更低，如供熱抽汽量400 t/h 時(shí)，機(jī)組負(fù)荷可以由66%額定出力降低至41%額定出力。

圖5 機(jī)組運(yùn)行范圍對(duì)比

4.3 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性

低壓缸進(jìn)汽切除后機(jī)組在冬季供熱的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于常規(guī)中間抽汽供熱技術(shù)，具體對(duì)比如表3 所示。

表3 熱耗水平對(duì)比

考慮到調(diào)峰對(duì)供熱機(jī)組負(fù)荷率的影響，按采暖期平均負(fù)荷率40%、運(yùn)行時(shí)間4 個(gè)月考慮，按鍋爐效率93%、管道效率99%、標(biāo)煤每噸800 元計(jì)算[13-14]，采用切缸技術(shù)后單臺(tái)機(jī)組采暖期經(jīng)濟(jì)性收益如表4 所示。

表4 采暖期經(jīng)濟(jì)收益計(jì)算

根據(jù)表4 計(jì)算結(jié)果顯示，采用切缸技術(shù)后，僅機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)的收益每年約1 306 萬(wàn)元，這還未考慮供熱能力提升及調(diào)峰電價(jià)補(bǔ)貼帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)收益。切缸改造如果不涉及末葉更換，一般的改造費(fèi)用約為500 萬(wàn)元。如果涉及到末葉更換，則改造成本約為1 000 萬(wàn)元。對(duì)于該機(jī)組，經(jīng)安全性核算，末葉可以滿足切缸運(yùn)行要求，因此不需要更換末葉。

4.4 安全性

常規(guī)中間抽汽技術(shù)目前已經(jīng)相當(dāng)成熟，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性好，安全可靠。采用切缸技術(shù)后，機(jī)組的供熱能力、調(diào)峰能力和經(jīng)濟(jì)性得到大幅提升，但相對(duì)應(yīng)地也存在一定程度風(fēng)險(xiǎn)。

由前文所述，切缸運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)主要集中在汽輪機(jī)本體，突出表現(xiàn)在末葉上。目前工程上采取的措施主要有：對(duì)于末級(jí)葉片在小容積流量下運(yùn)行的動(dòng)應(yīng)力問(wèn)題，首先進(jìn)行末級(jí)葉片的安全性核算。末級(jí)葉片的安全性核算應(yīng)采用有限元分析方法，建立整圈葉片模型，進(jìn)行靜應(yīng)力分析、模態(tài)分析以及動(dòng)應(yīng)力分析，以動(dòng)應(yīng)力為主要校核指標(biāo)，校核末葉的安全性。如果安全性不能滿足，則需更換末葉。同時(shí)，為了保證末級(jí)葉片處于安全的運(yùn)行條件，需要增加末兩級(jí)的蒸汽溫度測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)葉片的工作溫度。對(duì)于水蝕問(wèn)題，需要對(duì)末葉進(jìn)行粉末噴涂強(qiáng)化，提高抗水蝕能力。對(duì)于末級(jí)鼓風(fēng)帶來(lái)的排汽溫度升高問(wèn)題，需要核算冷卻蒸汽量、優(yōu)化冷卻蒸汽的參數(shù)以及改造低壓缸噴水系統(tǒng)，保證噴水系統(tǒng)的工作可靠性。

另外，低壓缸切缸運(yùn)行時(shí)，凝汽器、低壓加熱器、汽封冷卻器等輔助設(shè)備都處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，也需要采取一定的措施。為提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，凝汽器可以單側(cè)運(yùn)行，但長(zhǎng)期單側(cè)運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致凝汽器結(jié)垢加劇、管內(nèi)循環(huán)水靜置，加劇換熱管點(diǎn)蝕。因此需定期調(diào)換凝汽器投運(yùn)和不投運(yùn)兩側(cè)的運(yùn)行狀態(tài)。低壓加熱器如長(zhǎng)期停運(yùn)，需要做好排空、吹干、充氮等保護(hù)措施。汽封冷卻器的汽側(cè)、水側(cè)參數(shù)均會(huì)發(fā)生變化，需要根據(jù)進(jìn)入汽封冷卻器的汽、水邊界重新評(píng)估是否滿足安全運(yùn)行要求，必要時(shí)可更換設(shè)備并調(diào)整冷源。

綜上所述，低壓缸進(jìn)汽切除后，雖然末級(jí)葉片可能存在動(dòng)應(yīng)力、鼓風(fēng)、水蝕等問(wèn)題，但是都有一定解決措施。然而這些技術(shù)措施的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還相對(duì)不足，此項(xiàng)技術(shù)還未經(jīng)過(guò)5 年以上的實(shí)踐檢驗(yàn)。因此，切缸技術(shù)目前仍是一項(xiàng)收益與風(fēng)險(xiǎn)并存的改造技術(shù)[15]。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)350 MW 超臨界機(jī)組切缸技術(shù)進(jìn)行了介紹和分析，與常規(guī)中間抽汽技術(shù)在供熱能力、調(diào)峰能力、經(jīng)濟(jì)性和安全性進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。對(duì)比結(jié)果顯示，低壓缸進(jìn)汽切除后，機(jī)組供熱能力增加110 t/h，供熱面積增加160 萬(wàn)m2；機(jī)組調(diào)峰能力能力加強(qiáng)，最低負(fù)荷可以降低至20%額定負(fù)荷；機(jī)組供暖期運(yùn)行熱耗降低，每年節(jié)約標(biāo)煤16 320 t，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)性收益1 306 萬(wàn)元；機(jī)組運(yùn)行安全性需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)一步調(diào)整與加強(qiáng)。 綜上，切缸技術(shù)是一項(xiàng)收益明顯、投資成本低、應(yīng)用前景廣闊的供熱改造技術(shù)。