超臨界350 MW機(jī)組低壓缸切缸技術(shù)冷卻蒸汽熱力分析

陳永輝，包偉偉，張 敏，李繼宏，張曉輝，袁建麗，周 勇

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超臨界350 MW機(jī)組低壓缸切缸技術(shù)冷卻蒸汽熱力分析

陳永輝1，包偉偉2，張 敏1，李繼宏2，張曉輝2，袁建麗2，周 勇2

（1.中電投東北能源科技有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110179； 2.國(guó)家電投集團(tuán)中央研究院，北京 102209）

針對(duì)超臨界350 MW機(jī)組低壓缸切缸技術(shù)冷卻蒸汽的設(shè)計(jì)問(wèn)題，基于汽輪機(jī)的熱力設(shè)計(jì)計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)不同冷卻條件工況下以及正常運(yùn)行工況下低壓缸通流各級(jí)葉片出口溫度分布進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算及分析，得到其與冷卻蒸汽量和蒸汽溫度的關(guān)系。結(jié)果表明：在切缸運(yùn)行工況下，末級(jí)葉片處于鼓風(fēng)狀態(tài)，此時(shí)低壓缸排汽溫度基本與冷卻蒸汽流量和冷卻蒸汽溫度呈線性變化趨勢(shì)，與冷卻蒸汽流量負(fù)相關(guān)，與冷卻蒸汽溫度正相關(guān)，因此合理設(shè)置冷卻蒸汽流量和溫度可以有效控制末兩級(jí)葉片的出口溫度。本文從理論分析角度為機(jī)組切缸后低壓缸冷卻蒸汽的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，為機(jī)組切缸提供相應(yīng)的安全理論支撐。

汽輪機(jī)；低壓缸；靈活性；切缸技術(shù)；通流計(jì)算；冷卻蒸汽；熱力分析

近年來(lái)國(guó)家開(kāi)始出臺(tái)火電機(jī)組深度調(diào)峰的獎(jiǎng)勵(lì)性政策，通過(guò)市場(chǎng)手段驅(qū)動(dòng)火電機(jī)組降低運(yùn)行負(fù)荷，各個(gè)電廠紛紛致力于深度調(diào)峰和供熱靈活性技術(shù)研究[1-4]。在此熱潮下，火電行業(yè)涌現(xiàn)出一批供熱靈活性技術(shù)，如旁路供熱、光軸供熱、高背壓供熱、電鍋爐、儲(chǔ)熱罐以及低壓缸切缸等技術(shù)[5-8]，其中低壓缸切缸技術(shù)在行業(yè)內(nèi)受到廣泛的關(guān)注及重視。

低壓缸切缸技術(shù)（簡(jiǎn)稱切缸技術(shù)）原理與光軸技術(shù)相同，即在供熱時(shí)期，通過(guò)控制低壓缸連通管上的蝶閥開(kāi)關(guān)來(lái)切斷低壓缸進(jìn)汽，實(shí)現(xiàn)低壓缸的“切除”與“連接”[9]。所不同的是無(wú)需增設(shè)光軸轉(zhuǎn)子，直接切除低壓缸供汽，使低壓缸在較小的冷卻流量下運(yùn)行。相較于其他方式，切缸技術(shù)有改造范圍小、運(yùn)行簡(jiǎn)單、解耦靈活的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)已有北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司臨河熱電廠、國(guó)電龍華延吉熱電有限公司等多個(gè)電廠實(shí)施了切缸技術(shù)改造，取得了一定的效果。切缸技術(shù)對(duì)汽輪機(jī)的影響很大。目前行業(yè)內(nèi)對(duì)切缸技術(shù)的研究主要集中在葉片安全性上，尚未有對(duì)切缸冷卻蒸汽的公開(kāi)研究。本文以某電廠超臨界350 MW機(jī)組的切缸技術(shù)改造為例，通過(guò)對(duì)不同的低壓冷卻蒸汽流量和溫度進(jìn)行變工況計(jì)算，獲得低壓缸各級(jí)葉片的出口溫度分布，對(duì)比分析不同冷卻條件工況與正常運(yùn)行工況低壓缸各級(jí)葉片出口溫度趨勢(shì)，得到其與冷卻蒸汽量和溫度的關(guān)系，從理論分析角度為機(jī)組切缸后低壓冷卻蒸汽量及溫度設(shè)計(jì)提供依據(jù)，為機(jī)組切缸改造提供相應(yīng)的理論支撐。

1 機(jī)組概況

某電廠為哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)制造的350 MW等級(jí)超臨界機(jī)組，采用一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、反動(dòng)、抽汽凝汽式汽輪機(jī)，主要用于我國(guó)北方地區(qū)的冬季采暖供熱。

機(jī)組共設(shè)置一次中間再熱以及八級(jí)抽汽回?zé)?，具體為3臺(tái)高壓加熱器、1臺(tái)除氧器以及4臺(tái)低壓加熱器。加熱器疏水為逐級(jí)自流布置，高壓加熱器（高加）疏水匯入除氧器，低壓加熱器（低加）疏水匯入凝汽器。給水泵驅(qū)動(dòng)采用汽驅(qū)方案。汽輪機(jī)采用噴嘴調(diào)節(jié)及復(fù)合滑壓運(yùn)行方式。機(jī)組的主要技術(shù)規(guī)范見(jiàn)表1。圖1為該機(jī)組熱力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。

表1 機(jī)組主要技術(shù)規(guī)范

Tab.1 Main specifications of the unit

圖1 超臨界350 MW汽輪機(jī)組熱力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

汽輪機(jī)為高中壓合缸結(jié)構(gòu)，通流部分共設(shè)置39級(jí)葉片。其中高壓缸設(shè)置1個(gè)調(diào)節(jié)級(jí)和14個(gè)壓力級(jí)，中壓缸設(shè)置12個(gè)壓力級(jí)，低壓缸共設(shè)置2×6個(gè)壓力級(jí)。100%THA工況時(shí)高壓缸效率為86%，中壓缸效率為92.5%，低壓缸效率為89%。

2 低壓缸切缸運(yùn)行時(shí)的冷卻

汽輪機(jī)低壓缸切缸運(yùn)行時(shí)，由于缸內(nèi)不是絕對(duì)真空，低壓轉(zhuǎn)子葉片會(huì)與內(nèi)部工質(zhì)摩擦，產(chǎn)生鼓風(fēng)熱量。如果沒(méi)有冷卻蒸汽，無(wú)法帶走鼓風(fēng)熱量，熱量會(huì)越積越多，最終反映在排汽溫度越來(lái)越高[10-11]。即便在排汽溫度不太高的情況下，鼓風(fēng)熱量也會(huì)局部積累，葉片頂端的局部溫度也可能會(huì)超過(guò)臨界溫度，使葉片頂部材質(zhì)發(fā)生蠕變，影響葉片壽命。

可見(jiàn)，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，低壓缸切缸運(yùn)行并非物理意義上的切除低壓缸，而是通過(guò)技術(shù)改造，在供熱狀態(tài)下，連通管蝶閥完全關(guān)閉，蒸汽從連通管抽汽管道全部引出進(jìn)入熱網(wǎng)供熱，僅留部分蒸汽（蒸汽流量約10～20 t/h）進(jìn)入低壓缸冷卻低壓轉(zhuǎn)子，以帶走鼓風(fēng)熱量。這與正常運(yùn)行工況區(qū)別很大。

由上可知，通過(guò)低壓缸冷卻蒸汽控制排汽溫度成為切缸運(yùn)行的關(guān)鍵。如果設(shè)置大量冷卻蒸汽，則達(dá)不到切除低壓缸、提高供熱能力、降低運(yùn)行負(fù)荷的目的；如果設(shè)置少量進(jìn)汽，則又有可能引起低壓缸排汽溫度超溫，進(jìn)而影響機(jī)組的安全運(yùn)行。因此冷卻蒸汽溫度、流量的選取對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行至關(guān)重要[12-15]。

3 計(jì)算方法

由于在低壓缸切除后，進(jìn)入低壓缸通流內(nèi)部的冷卻蒸汽量遠(yuǎn)小于低壓缸正常運(yùn)行時(shí)的流量，因此常規(guī)的通流計(jì)算手段無(wú)法適應(yīng)該運(yùn)行工況下的計(jì)算要求，需要采用一種更加靈活的計(jì)算方法。本文方法計(jì)算原理為將軸流式汽輪機(jī)葉列的進(jìn)汽和排汽的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)條件簡(jiǎn)化為準(zhǔn)一維流進(jìn)行分析計(jì)算。此計(jì)算方法可應(yīng)用在由多級(jí)葉列組成的汽輪機(jī)上。

通過(guò)汽輪機(jī)葉列的穩(wěn)定的、亞聲速、準(zhǔn)一維流體的能量方程為

連續(xù)方程為

能量損失和不可逆膨脹之間的關(guān)系為

速度三角形關(guān)系方程為

該計(jì)算方法涉及到的計(jì)算公式繁多，因此本文采用根據(jù)該方法編制而成的專用程序計(jì)算。該程序根據(jù)已知的葉列幾何參數(shù)及邊界條件，理論上可以計(jì)算從0（不包含0）到排汽出口環(huán)面所限制的最大流量之間的任何流量。因此利用該程序，可以較為全面地模擬分析出極低流量下低壓通流流動(dòng)的熱力數(shù)據(jù)如壓力、溫度、焓值分布情況。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

該機(jī)組低壓缸為對(duì)稱雙分流結(jié)構(gòu)，低壓內(nèi)缸為整體鑄鐵內(nèi)缸，進(jìn)汽部分采用360°蝸殼進(jìn)汽及橫置靜葉結(jié)構(gòu)，通流部分共設(shè)置2×6個(gè)壓力級(jí)。低壓缸共設(shè)置第6、7、8三級(jí)回?zé)岢槠?，?duì)稱布置，次末級(jí)葉片長(zhǎng)度為515 mm，末級(jí)葉片長(zhǎng)度為1 040 mm。額定工況時(shí)，低壓缸排汽量約為700 t/h，排汽壓力為4.9 kPa，排汽溫度為32.5 ℃。

在切缸運(yùn)行工況，低壓缸的進(jìn)汽量不足額定水平的3%左右，低壓通流的流動(dòng)非常復(fù)雜。為方便分析，對(duì)低壓缸運(yùn)行條件進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：1）考慮到回?zé)岢槠繕O小，因此忽略不計(jì)；2）考慮到大多數(shù)機(jī)組的真空水平，排汽壓力按4.9 kPa考慮?；诖耍瑢?duì)15、20、25 t/h等3個(gè)進(jìn)汽流量以及150、200、250、300 ℃等4個(gè)進(jìn)汽溫度共12個(gè)組合工況進(jìn)行計(jì)算，得到了低壓缸各級(jí)熱力計(jì)算數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。切缸運(yùn)行時(shí)，由于低壓缸進(jìn)汽流量遠(yuǎn)低于正常運(yùn)行狀態(tài)下的蒸汽流量，因此低壓通流焓降分布也與正常工況差別較大，尤其是蒸汽通過(guò)低壓通流的后三級(jí)時(shí)，通流面積相對(duì)于蒸汽流量偏大，蒸汽無(wú)法充滿整個(gè)汽道，在部分區(qū)域形成渦旋，蒸汽流速低，因此蒸汽在葉片的攪動(dòng)下產(chǎn)生摩擦鼓風(fēng)損失[10-12]。在這種工況下，蒸汽依靠葉片的推動(dòng)流動(dòng)，導(dǎo)致各級(jí)有效焓降減少，末級(jí)和次末級(jí)葉片焓降甚至出現(xiàn)負(fù)值。同時(shí)也由于鼓風(fēng)現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致各級(jí)葉片出口溫度呈現(xiàn)一種先降低后升高的拋物線狀態(tài)（表2）。在相同冷卻蒸汽量下，不同冷卻溫度與各級(jí)葉片出口溫度的關(guān)系如圖2所示。圖2中橫坐標(biāo)0.5表示低壓缸第一級(jí)靜葉出口，1.0表示第一級(jí)出口，以此類推。由圖2可見(jiàn)，隨著冷卻蒸汽溫度降低，各級(jí)出口溫度也相應(yīng)降低，以20 t/h冷卻蒸汽為例，當(dāng)冷卻蒸汽溫度由300 ℃降至150 ℃時(shí)，末級(jí)葉片排汽溫度由151.1 ℃降至74.8 ℃，冷卻效果明顯改善?？梢?jiàn)，同樣流量下，隨著冷卻蒸汽溫度的降低，各級(jí)出口溫度逐漸降低，冷卻蒸汽溫度越低，溫度降低幅度越大。

表2 不同冷卻工況熱力數(shù)據(jù)

在相同冷卻蒸汽溫度下，不同冷卻蒸汽流量與各級(jí)葉片出口溫度的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，隨著冷卻蒸汽流量加大，各級(jí)出口溫度相應(yīng)降低，以進(jìn)汽溫度300 ℃的冷卻蒸汽為例，冷卻蒸汽流量由15 t/h增加至25 t/h時(shí)，各級(jí)葉片出口溫度依次降低，末級(jí)葉片排汽溫度由約186 ℃降低至約123 ℃，冷卻效果逐漸改善?？梢?jiàn)，隨著冷卻蒸汽流量的增加，各級(jí)出口溫度逐漸降低，冷卻蒸汽流量越大，溫度降低幅度越大。

圖3 不同進(jìn)汽量下低壓通流溫度分布

對(duì)100%THA、50%THA、30%THA等3個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算，可以得到正常運(yùn)行工況下低壓通流溫度分布關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 正常運(yùn)行工況下低壓通流溫度分布

由圖4可見(jiàn)，機(jī)組在正常運(yùn)行50%THA工況以上時(shí)，低壓缸進(jìn)汽溫度約為300 ℃，這與表2中工況4、工況8、工況12的進(jìn)汽溫度相同。在此進(jìn)汽溫度下，切缸運(yùn)行工況下的低壓通流溫度分布與正常運(yùn)行工況下的低壓通流溫度分布的對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 各工況下低壓通流溫度分布

Tab.3 The temperature distribution in low pressure flow passage under each working condition ℃

由表3看出，在正常運(yùn)行工況下，低壓通流各級(jí)葉片出口溫度逐級(jí)遞減，總體保持連續(xù)下降，最終排汽溫度為運(yùn)行背壓下的飽和溫度32.5 ℃。這是因?yàn)樵谡＿\(yùn)行工況下，由于蒸汽容積流量充足，葉片不發(fā)生鼓風(fēng)，流動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量相對(duì)很小，其對(duì)蒸汽溫度升高的影響有限，蒸汽流動(dòng)遵守絕熱膨脹的規(guī)律，因此連續(xù)下降，直到達(dá)到飽和狀態(tài)。當(dāng)蒸汽容積流量足夠大時(shí)，如50%THA工況和100%THA工況，雖然蒸汽量差別很大，但是除末兩級(jí)外（焓降的差別主要體現(xiàn)在末兩級(jí)），其余各級(jí)的溫度差別并不明顯。在切缸運(yùn)行工況下，低壓通流1—2級(jí)溫度與正常運(yùn)行工況下基本一致，從第3級(jí)開(kāi)始，由于各級(jí)焓降減小甚至變?yōu)樨?fù)值，引起各級(jí)出口溫度逐漸升高，從而與正常運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生區(qū)別?？梢?jiàn)，溫度分布的拐點(diǎn)基本出現(xiàn)在倒數(shù)第3級(jí)，次末級(jí)及末級(jí)出口溫度依次升高。因此為控制好后兩級(jí)葉片的出口溫度，需合理的控制低壓缸冷卻蒸汽流量及對(duì)應(yīng)的蒸汽溫度。

綜上所述，對(duì)于該機(jī)組，在發(fā)生鼓風(fēng)的情況下，低壓缸進(jìn)口溫度一定時(shí)，隨著冷卻蒸汽流量的增加，由于鼓風(fēng)程度的降低，末級(jí)及次末級(jí)葉片出口溫度逐漸降低。蒸汽流量由15 t/h升至25 t/h，平均5 t/h蒸汽影響末級(jí)排汽溫度約35 ℃。低壓缸冷卻蒸汽量一定時(shí)，隨著冷卻蒸汽溫度的降低，末級(jí)及次末級(jí)葉片出口溫度逐漸降低。冷卻蒸汽溫度由300 ℃降低至150 ℃，進(jìn)汽溫度每降低50 ℃影響排汽溫度25 ℃。

對(duì)于該機(jī)組，切缸狀態(tài)下機(jī)組的排汽溫度宜控制在不超過(guò)80 ℃的范圍內(nèi)，以防止低壓缸發(fā)生熱變形，影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。上述計(jì)算表明，在單純考慮冷卻蒸汽冷卻影響的情況下，冷卻蒸汽進(jìn)汽溫度在200 ℃以下，流量在20 t/h以上時(shí)，排汽溫度基本上在合適范圍內(nèi)。此時(shí)，低壓缸無(wú)需噴水或者少量噴水即可將排汽溫度控制在要求范圍內(nèi)，從而保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié) 論

1）通過(guò)對(duì)超臨界350 MW機(jī)組切缸改造后不同冷卻蒸汽流量下低壓缸通流各級(jí)熱力特性的計(jì)算及分析，得到了不同冷卻蒸汽流量和溫度對(duì)應(yīng)的低壓通流各級(jí)出口溫度及低壓缸排汽溫度。

2）在切缸運(yùn)行工況下，低壓缸冷卻蒸汽量和溫度對(duì)低壓通流各級(jí)出口溫度有著明顯影響，各級(jí)出口溫度分布呈拋物線分布狀態(tài)，這與正常運(yùn)行工況下低壓通流各級(jí)出口溫度分布趨勢(shì)差別很大。

3）對(duì)于案例機(jī)組，切缸狀態(tài)下機(jī)組的排汽溫度宜控制在80 ℃以內(nèi)。當(dāng)冷卻蒸汽進(jìn)汽溫度低于200 ℃、流量超過(guò)20 t/h時(shí)，排汽溫度基本上在合適范圍內(nèi)。

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Thermodynamic analysis of LP cylinder cooling steam of a supercritical 350 MW unit

CHEN Yonghui1, BAO Weiwei2, ZHANG Min1, LI Jihong2, ZHANG Xiaohui2,YUAN Jianli2, ZHOU Yong2

(1. SPIC Northeast Energy Technology Co., Ltd, Shenyang 110179, China; 2. SPIC Central Research Institute, Beijing 102209, China)

In view of the design problem of cooling steam in low pressure (LP) cylinder cutting technology of supercritical 350 MW units, by using the thermodynamic design calculation method of steam turbine, the temperature distribution at outlet of each stage blades of the low pressure cylinder under different cooling conditions and normal operation conditions was calculated in detail, and the relationship between the outlet temperature of low pressure cylinder with the cooling steam volume and steam temperature was obtained. The results show that, the final stage blade is in the state of blowing, and the exhaust temperature of the low pressure cylinder is linear with the cooling steam flow rate and the cooling steam temperature. It is negatively related to the cooling steam flow rate and positively correlated with the cooling steam temperature. Therefore, the outlet temperature of the last two stage blades can be effectively controlled by setting the cooling steam flow rate and temperature reasonably. This paper provides theoretical basis for design of the cooling steam of low pressure cylinder when the low pressure cylinderis is resected of the unit, and also provides the corresponding safety theoretical support for cylinder cutting.

steam turbine, low-pressure cylinder, flexibility, cut off technology, flow path thermodynamic calculation, cooling steam, thermodynamic analysis

TK262

A

10.19666/j.rlfd.201811213

陳永輝, 包偉偉, 張敏, 等. 超臨界350 MW機(jī)組低壓缸切缸技術(shù)冷卻蒸汽熱力分析[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(5): 133-138. CHEN Yonghui, BAO Weiwei, ZHANG Min, et al. Thermodynamic analysis of LP cylinder cooling steam of a supercritical 350 MW unit[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(5): 133-138.

2018-11-23

陳永輝(1977—)，男，高級(jí)工程師，主要從事火力發(fā)電廠生產(chǎn)技術(shù)管理工作，chenyonghui@spic.com.cn。

（責(zé)任編輯 劉永強(qiáng)）