一種汽輪機超低背壓靈活性改造方案研究

王恩鎮(zhèn)，岑嶺山，黃治坤

（北京源深節(jié)能技術有限責任公司，北京 100142）

0 引言

近年來，由于采暖季節(jié)電網(wǎng)調峰與供熱、風電消納之間的矛盾日益突出，傳統(tǒng)的“以熱定電”運行模式在供熱機組上無以為繼，為適應電網(wǎng)調峰要求，各供熱機組均需要通過技術改造使供熱機組既能夠滿足供熱的需求，又具備一定的調峰能力。為此，開展供熱機組靈活性改造工作十分必要。

常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)供熱機組在冬季進行供熱的時候，其可調度的有功電負荷區(qū)間勢必受到供熱因素的影響。以往為保證機組供熱，供熱機組通常都在額定出力70%以上的區(qū)間運行。在電網(wǎng)峰谷差日益加大、供熱裝機容量所占比重日益提高的情況下，整個電網(wǎng)的調峰能力受到越來越大的制約。本文對一種超低背壓靈活性改造方案進行了研究，分析現(xiàn)有供熱機組在滿足供熱參數(shù)條件下參與電網(wǎng)調峰的能力，對熱電聯(lián)產(chǎn)機組靈活性改造的推廣具有借鑒意義。

1 汽輪機超低背壓改造總體方案

1.1 汽輪機超低背壓靈活性改造方案概述

根據(jù)汽輪機原理，汽輪機低壓缸存在一個最小容積流量，若進汽容積流量低于最低限值，低壓缸容易發(fā)生鼓風現(xiàn)象，發(fā)生鼓風后低壓缸末級葉片所受應力較大，將影響低壓缸末級葉片的運行安全。因此，為了保證機組的安全運行，機組實際運行時，低壓缸的容積流量都要高于最小容積流量。所以，當機組中排最大抽汽運行時，低壓缸需維持與正常背壓運行時相同的最小容量流量，這對汽輪機的負荷要求較高，也對機組中排抽汽量有較大限制，相應地也影響了機組的供熱能力。

對汽輪機組進行超低背壓改造，在保證與改造前相同的最小低壓缸容積流量下，增大機組的中排抽汽能力。其原理為在相同的質量流量下，排汽真空越高，蒸汽的比容越大，滿足末級和次末級葉片的通流量所需蒸汽的質量流量越少，使小流量運行的末級和次末級葉片處于更安全狀態(tài)，所以提高機組的真空，對低壓缸小流量運行起積極作用，并且是確保葉片長時間安全穩(wěn)定運行的關鍵。低壓缸超低背壓運行是一種比較經(jīng)濟的運行方式，既可滿足供熱需求，又可兼顧機組調峰。

1.2 汽輪機超低背壓改造系統(tǒng)布置連接及改造內容

如圖1所示，以超低背壓運行改造為核心，其目的是在低壓缸本體不做改動的前提下，更換中低壓連通管供熱蝶閥為全密封液壓蝶閥，增加低壓缸進汽旁路，可以實現(xiàn)低壓缸維持較低的進汽流量，維持較低背壓運行，最大限度地利用抽汽進行供熱，具備較強的低負荷調峰能力。改造方案主要包括低壓缸進汽系統(tǒng)改造、冷端系統(tǒng)優(yōu)化調整及改造、低加進汽系統(tǒng)改造、熱工控制系統(tǒng)改造等。

圖1 超低背壓靈活性改造系統(tǒng)圖

a）原排汽蝶閥改造。機組原中壓缸排汽蝶閥不是全密封蝶閥，為此，首先對中壓缸排汽蝶閥進行改造，更換為安全及精度較高的全密封閥門，閥門可實現(xiàn)完全關閉的功能。

b）低壓缸進汽旁路改造。中低壓連通管蝶閥前后設置最小冷卻旁路，旁路上設置調節(jié)蝶閥。

c）供熱抽汽補充管路改造。超低背壓改造后最大抽汽能力增加，當機組進行超低背壓運行時，供熱抽汽能力提高。需核算抽汽口及抽汽母管是否滿足改造后要求，本方案暫按增加一路供熱抽汽補充管路考慮，從低壓缸進汽旁路調閥前打孔抽汽，接至熱網(wǎng)加熱器。

d）冷端系統(tǒng)優(yōu)化及改造。原水環(huán)真空泵系統(tǒng)前串一級羅茨真空泵系統(tǒng)，提高真空系統(tǒng)極限抽真空能力。

2 汽輪機超低背壓改造的核算與性能對比

2.1 汽輪機不同排汽壓力下低壓缸最小通流量核算

以某300 MW機組為例，按照汽機廠出具的熱力平衡圖中最大采暖工況，汽輪機最大抽汽量600 t/h，此時排汽壓力10 kPa，低壓缸進汽量為120.9 t/h，排汽焓2 816.2 kJ/kg，詳細核算情況如表1所示。

表1 不同背壓下低壓缸進汽流量關系

通過表1可知，若機組在28 kPa的排汽壓力下高背壓運行，機組的最小排汽流量約463.35 t/h。超低背壓改造機組在2.5 kPa的排汽壓力下運行，其低壓缸所許可的最小流量為35.03 t/h。

2.2 超低背壓機組改造前后性能對比

對某300 MW機組進行超低背壓改造，以機組暫定維持2.5 kPa的排汽壓力、最小流量35.03 t/h的狀態(tài)為基準，改造后機組熱力特性如表2所示，改造前后機組熱力特性對比如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知，改造后在發(fā)電功率保持不變的前提下，機組供熱負荷增加約71.7 MW，在供熱負荷保持不變的前提下，機組發(fā)電功率下降約45.95 MW。綜上所述，采用超低背壓切缸改造后，有效提高了機組供熱能力、深度調峰能力。

表2 改造后機組熱力特性分析

圖2 采暖抽汽流量對比

圖3 供熱負荷對比

2.3 低壓缸安全性分析

在小容積流量工況下，汽輪機末級葉片流場發(fā)生巨大變化，如沿葉高方向的蒸汽熱力參數(shù)重新分布；蒸汽在動葉片根部和靜葉柵出口頂部區(qū)域出現(xiàn)流動分離；流動分離形成的渦流區(qū)，使得蒸汽通道有效通流面積大幅減?。蝗莘e流量越小，渦流區(qū)越大，蒸汽通道有效通流面積越小。

低壓缸小流量運行，末級葉片溫度可能會升高到200℃以上，導致葉片材料的彈性模量、屈服極限都發(fā)生了變化。上述變化主要引起如下風險：第一，應力大小和許用應力范圍發(fā)生變化，末級葉片存在一定斷裂風險。第二，溫度大幅變化引起葉片膨脹異常，導致機組動靜葉片碰磨；同時軸承溫度上升，引起軸承標高發(fā)生變化，惡化動靜葉片碰磨等問題。第三，葉片溫度上升后，葉片剛度發(fā)生變化，導致葉片整圈頻率變化，引發(fā)末級葉片共振頻率無法避開工作轉速的安全隱患。

增大供熱抽汽能力改造的實質是使低壓缸處于小質量流量運行，即保證低壓缸蒸汽的體積流量不變，就是保證了低壓缸的最小通流量，低壓缸此時是處于安全的運行狀態(tài)。低壓缸部小流量運行是一種比較經(jīng)濟的運行方式，既可滿足供熱需求，又可兼顧機組調峰。

低壓缸排汽在相同的質量流量下，排汽真空越高，排汽的蒸汽比容越大，滿足末級和次末級葉片通流量所需的蒸汽質量流量越少，使小流量運行的末級和次末級葉片處于更安全狀態(tài)。所以，提高機組的真空，對低壓缸小流量運行起積極作用。并且確保末級葉片長時間安全穩(wěn)定運行是該方案實施的關鍵。

在低壓缸小流量運行工況下，為了防止小容積流量引起低壓缸末級葉片動應力升高，致使葉片發(fā)生破壞，需要對低壓缸排汽容積流量進行限制。低壓缸排汽容積流量的限制主要從葉片強度與振動等方面確定葉片在長期運行時動應力大小須滿足的范圍。

3 結束語

本文對超低背壓靈活性改造方案進行了介紹，對改造前后的性能進行了對比，對超低背壓改造的安全性進行了分析。超低背壓改造提高了機組靈活性，真正做到了熱電解耦，具有改造相對簡單，汽輪機本體改造費用低、改造量小等優(yōu)點。該技術特別適合我國北方地區(qū)熱電聯(lián)產(chǎn)機組改造，這些機組供熱負荷高而且有進一步增加的趨勢，但電負荷調峰需求明顯。該技術在增加機組供熱能力的同時提高了機組的靈活性和調峰能力。