基于低壓轉子光軸技術及蓄熱技術的300 MW機組靈活性改造

王守鑫，洪 濤，李 超，岳建楠，周國鋒

（1.華電青島熱力有限公司，山東 青島 266031；2.山東華電節(jié)能技術有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

我國供熱需求逐年增加，而電力市場建設緩慢，火電可運行小時數呈逐年下降趨勢，提升火電機組運行靈活性和供熱能力，參與電網深度調峰，必將被大范圍推廣［1］?；痣姍C組靈活性改造即提升機組供熱能力及運行靈活性，降低發(fā)電煤耗，增強機組調峰能力，提升機組爬坡速度，縮短機組啟停時間，增強燃料靈活性，實現熱電解耦運行。

低壓轉子光軸改造技術作為火電機組靈活重要技術，能盡最大可能利用乏汽余熱量，用于供熱，提高電廠整體的供熱能力；光軸改造主要對汽機本體系統進行改造，對其他系統的改造工作量小，投資小，運行檢修成本小。目前，已在國內多個200 WM及以下機組實施，取得了良好的改造效果和經濟效益，而300 MW 火電機組光軸改造相對較少。

將蓄熱罐用于集中供熱系統中，可延長熱電機組滿負荷運行時間，積極應對熱負荷波動問題，提高熱電機組運行的經濟性，同時蓄熱罐還可作為應急補水罐保障供熱質量與熱網安全性［2］。

1 低壓轉子光軸改造技術

低壓轉子光軸供熱改造就是在供暖開始前，停機揭缸，將原低壓轉子拆除，更換成一根不帶葉片的光軸。改造后，大部分中壓排汽通過蒸汽管路全部進入熱網加熱器用于供熱，提升供熱能力，僅保留少量蒸汽進入低壓缸，帶走光軸轉動鼓風產生的熱量。采暖期結束，停機，將汽輪機里的光軸再次替換為原有的低壓缸轉子，中壓缸排汽重新進入低壓缸做功。

低壓轉子改造技術主要涉及汽輪機本體、抽汽系統、凝汽器、熱網循環(huán)水系統，改造后絕大部分中壓缸排汽直接進入熱網加熱器用于加熱熱網循環(huán)水，使盡可能多的熱量用于供熱［3］。

2 蓄熱罐蓄熱技術

蓄熱罐作為重要的熱電廠供熱蓄熱和調峰設備，在國內外得到了廣泛應用。熱電廠增設蓄熱罐，根據環(huán)境溫度、用戶需求等隨時調整供熱量，以適應用戶熱負荷的變化，提高機組供熱靈活性和經濟性。在供熱熱負荷較低時，以熱水的形式將多余熱量儲存在罐體內，在供熱負荷需求增加時，將儲存在罐內的熱量與熱電機組的供熱量共同供給用戶，以滿足用戶需求［4］。

蓄能罐內部儲存熱水。因水溫不同，導致水密度不同，罐體內出現分層現象，從上到下依次為熱水層、過渡層和冷水層，蓄能罐的工作原理如圖1 所示。蓄能時，熱水從上部熱水進（出）口管道進入，冷水從下部冷水進（出）口管道排出，過渡層下移；放熱時，熱水從上部熱水進（出）口管道排出，冷水從下部冷水進（出）口管道進入，過渡層上移。

圖1 蓄能罐工作原理

蓄熱罐可以實現優(yōu)化、高效、安全、靈活的供熱系統調節(jié)，滿足供熱系統的熱負荷變化需求，解決最冷時段尖峰供熱能力不足的問題；通過蓄放來自熱電廠的廉價熱能，減少高價的尖峰熱源運行時間，提高熱網經濟性；熱網出現短時破裂失水，供熱鍋爐檢修或故障時，蓄熱罐可以作為短期熱源供熱或高效補水設施；增加熱電廠和供熱公司供熱調節(jié)手段，優(yōu)化安排發(fā)電和供熱之間的調度。

3 300 WM 機組低壓轉子光軸改造

為緩解熱電廠的熱電矛盾問題，深度降低機組發(fā)電功率，同時釋放熱電廠潛在供熱能力，根據供熱規(guī)劃及熱電廠現有情況，從合理優(yōu)化熱源配置出發(fā)，對熱電廠機組進行光軸抽汽改造，在供熱期機組采用低壓缸光軸技術進行改造，用新設計低壓光軸轉子代替原低壓轉子，非供熱期機組仍采用原機組低壓轉子，恢復低壓缸凝汽式運行。

3.1 本體改造措施

改造機組是亞臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、供熱凝汽式汽輪機，其型號為C250／N300－16.67／537／537／0.49。該機組低壓缸為對置雙分流的低壓缸，通流級數為2×6 級。汽輪機轉子由高中壓轉子和低壓轉子兩部分組成，均采用整體鍛造式結構。

新設計一根低壓光軸轉子，取消低壓2×6 級通流級，去掉純凝低壓轉子、全部隔板和隔板套。機組在供熱運行期間，在低壓缸隔板或隔板套槽內安裝新設計的保護部套，以防止低壓隔板槽檔在供熱運行時變形、銹蝕。為保證原低壓轉子與新設計低壓光軸轉子的互換性，在振動特性上應盡可能與原低壓轉子相近。改造前原低壓光軸轉子的一階臨界轉速為1 668 r／min，二階臨界轉速為3 580 r／min。經核算，改造后低壓光軸轉子的一階臨界轉速為1 770 r／min，二階臨界轉速為3 690 r／min。

3.2 光軸鼓風冷卻措施

低壓缸光軸改造后，低壓部分進汽量很小甚至不進汽，低壓光軸轉動時，缸內發(fā)生鼓風現象，從而導致整個低壓部分發(fā)生膨脹及標高發(fā)生變化，影響機組運行。故在機組啟動時嚴格控制機組差脹，密切監(jiān)測低壓缸缸體溫度。在冷卻蒸器管道電動閘閥和管道增設減溫減壓器。通過減溫減壓器控制冷卻蒸器流量以及進入低壓缸蒸汽的壓力和溫度，從而有效保障機組安全運行。

3.3 建立中壓缸真空啟動排汽

改造后，機組啟動時，中壓缸排汽流量小，壓力低于大氣壓，此時需建立中壓缸真空排汽，防止中壓缸出現悶汽現象。方法Ⅰ：通過增設一路供熱蒸汽旁路系統，將中壓缸啟機排汽通入凝汽器，從而建立中壓缸真空啟動排汽；方法Ⅱ：增設熱網加熱器抽真空系統，在每個熱網加熱器上增加一路至凝汽器汽側空間的抽真空管路，在機組啟機前，使熱網蒸汽系統維持負壓。因方法Ⅰ新增管路少、實用性強、經濟性好，故被采用。

3.4 回熱系統影響的措施

本機組共8 段抽汽，原6 號—8 號低壓加熱器抽汽由低壓缸的三段抽汽管道提供，光軸改造后，低壓缸抽汽管道停用。為保證除氧器除氧效果，新增中壓缸排汽至6 號低壓加熱管路，對凝結水進行加熱，7號、8 號低壓加熱停用。低壓缸的汽封管路不變。供熱蒸汽疏水系統不進行改造。

3.5 控制系統

根據運行需求，對機組調節(jié)系統進行改造，在新增管路上設置壓力測點和溫度測點，使機組能完成壓力、溫度調節(jié)功能。改變原機組“以電定熱”運行方式，改造后達到“以熱定電”，充分發(fā)揮供熱機組“熱電聯產”優(yōu)越性，最大程度使機組在最佳經濟工況下運行。此外，對DEH 系統根據背壓機運行來重新組態(tài)。

3.6 對軸向推力的影響

原機組純凝汽額定工況下，中低壓缸分缸壓力為0.49 MPa 左右，供熱運行后，額定工況下中壓缸額定排汽壓力為0.49 MPa，機組軸向推力基本保持不變。

3.7 對中壓葉片的影響

原機組為中壓缸后部抽汽供熱的抽汽式機組，改造后中壓排汽壓力保持與抽汽壓力一致，改造后中壓缸排汽壓力仍為0.49 MPa，運行時供熱排汽壓力變化范圍保持與抽汽運行一致，所以，中壓末級葉片抽汽運行是安全的，改造后仍然是安全的。

在嚴寒期時，由于供熱負荷較大，僅依靠機組自身調節(jié)能力，無法做到深度調峰，因此蓄能調峰系統是光軸深度調峰的關鍵［5］。

4 300 WM 機組增設蓄熱罐分析

蓄能水罐按照能夠滿足發(fā)電廠在最大供熱負荷時，能夠進行7 h 夜間40%深度調峰為依據進行選型，夜間深度調峰時，熱水鍋爐滿負荷運行。當機組夜間進行深度調峰時，導致的供熱能力缺口，需在白天發(fā)電負荷較高時補充。在嚴寒期時，夜間供熱負荷缺口為87 MW，在蓄能高低溫水為98／60 ℃計算，需建設一座有效容量約為14 756 m3的蓄能水罐，按同類型水罐有效容積率為92%，本工程新增水罐的存水容量約為16 039 m3。

4.1 溫度監(jiān)控

設置一套自動控制系統，防止罐體內水溫過高引起安全問題或溫度過低引起效率下降問題。對罐體過渡層的溫度進行監(jiān)控，當過渡層溫度降低時，則通過罐體頂部補充高溫水，同時通過罐體底部低溫水進出口或排污系統放出部分冷水；當過渡層溫度升高時，則通過罐體底部補充低溫水，同時通過罐體頂部高溫水進出口或溢流口放出部分高溫水。

4.2 水位控制

蓄能罐內上部水位要淹沒高溫水布水器，以防止高溫水在進出罐體時造成較大的冷熱分層擾動。在工作中，蓄熱罐內頂部水位始終處于動態(tài)平衡，即高溫水與低溫水的流量應基本保持相同，但難免產生上下波動。罐體內需設置一套水位控制系統，防止波動的水位超過允許范圍。對水位波動的上下限進行監(jiān)控，當罐體內水位較高時，減小流進罐體的水量，增加流出罐體水量；當罐體內水位較高時，減小流進罐體的水量，增加流出罐體水量。

4.3 溫度層穩(wěn)定性

保持罐內冷熱水自然分層的穩(wěn)定性，防止過渡層紊亂，進而造成蓄能罐失效的嚴重后果。在運行過程中，需要降低進出罐體的高低溫水對水層分布的影響，本次采用特殊形式的布水盤，每個分水管上沿其管道方向均布多個噴嘴，各分水管軸線處在同一平面，末端組成一個同心圓。高溫水、低溫水在同一水平面的水平方向上進出罐體，從而最大程度降低垂直方向上不同溫度層的擾動。

4.4 防腐措施

與以往小體積蓄能罐的封閉式結構不同，本工程所采用的大容積蓄能罐為常壓型，頂部設有排氣口與大氣相連。常壓型蓄能罐容易被腐蝕，極易發(fā)生泄漏甚至爆裂，對人身安全及其他系統安全造成威脅。本工程采用的蓄能罐需在罐壁內側設置一層單獨的防腐層，采用鍍鋅鋼板，防腐層與罐體中間隔離設置，使罐體與罐內水體分離，有效防護罐體不受腐蝕。

4.5 保溫性能

蓄能罐采用存貯高溫水作為蓄能方法，對罐體的保溫具有較高要求，常規(guī)形式的單層保溫措施已不能滿足本工程要求，本工程對罐體采用多層次保溫結構，并在相鄰保溫層中設置真空腔體，有效隔絕熱量傳遞。

4.6 空氣隔絕措施

新增蓄能罐為開式結構，水罐內的液面和大氣會通過溢流口和檢修孔的空隙等細小通道流通產生細微的接觸。為減少這種細小流通造成的水污染，降低蓄能水池空氣溶解率，以減少對設備和管道氧腐蝕，蓄能罐水表面應采取必要的空氣隔斷措施。目前常用的空氣隔斷措施有浮球隔斷法，柔性材料浮頂隔斷法，惰性氣體隔斷法等。各方法性能對比見表1，從可靠性、實用性、經濟性等角度分析浮球隔斷法是最適用的。

表1 各類空氣隔絕措施性能對比

本次改造采用的浮球為發(fā)泡圓球，具有對液面面積變化適應性強、覆蓋效果好、使用壽命長等優(yōu)點。發(fā)泡浮球類似飛碟形狀，中部為圓球，外緣側裝有圓環(huán)形外翼。一般對液面做雙層覆蓋，特點適應變徑容器的覆蓋，采用多層堆放形式，單層覆蓋率為92%，雙層覆蓋率為97%。本工程實施時，根據蓄能罐體的結構特性對發(fā)泡圓球的圓球半徑與外翼半徑進行優(yōu)化，使浮球與罐體側壁、浮球與浮球之間能夠具有更好的密封性。

5 結語

就300 MW 機組進行的低壓轉子光軸改造和新建的蓄熱罐進行了研究，對低壓轉子光軸改造中本體控制措施、鼓風冷卻措施、建立中壓缸真空啟動排汽、回熱系統影響的措施、運行控制系統、對軸向推力的影響、對中壓葉片的影響以及對蓄能罐體積計算、溫度監(jiān)控、水位控制、溫度層穩(wěn)定性、防腐措施、保溫性能、空氣隔絕措施進行等方面進行了闡述，通過研究及改造后機組運行效果表明對300 MW 機組進行低壓缸光軸技術改造和蓄熱技術改造可大大提高機組供熱能力和調峰能力，降低機組運行煤耗。本次改造可為同類機組低壓光軸改造、蓄能改造提供參考。