200MW 機(jī)組切除低壓缸進(jìn)汽供熱改造技術(shù)分析

劉帥，鄭立軍，俞聰，高新勇，劉國(guó)弼，趙春風(fēng)，張曉麗，曹創(chuàng)，徐建鵬

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030；2.沈陽(yáng)金山能源股份有限公司金山熱電分公司，沈陽(yáng) 110000）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)以光伏和風(fēng)電為主的可再生能源機(jī)組迅速增長(zhǎng)，大力發(fā)展可再生能源是我國(guó)未來(lái)能源戰(zhàn)略的重要組成部分。為配合可再生能源機(jī)組發(fā)電并網(wǎng)以及消除峰谷差日益增大對(duì)電網(wǎng)安全的影響，電網(wǎng)對(duì)火電機(jī)組的調(diào)峰次數(shù)和品質(zhì)提出了更高的要求。在供暖季，受系統(tǒng)熱力特性的限制，熱電廠均采取“以熱定電”的模式運(yùn)行，供熱負(fù)荷隨時(shí)間變化緩慢，為保證供熱質(zhì)量，機(jī)組調(diào)峰能力受限，穩(wěn)定的供熱需求和頻繁的調(diào)峰需求之間存在矛盾。近幾年?yáng)|北地區(qū)非水可再生能源發(fā)展迅猛，為了更多地消納非水可再生能源，電網(wǎng)公司相應(yīng)出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)發(fā)電企業(yè)輔助調(diào)峰運(yùn)行的政策，“十三五”期間，我國(guó)將加快電力系統(tǒng)調(diào)峰能力建設(shè)，大力推進(jìn)火電靈活性改造工作［1-3］。

切除低壓缸進(jìn)汽供熱技術(shù)是一項(xiàng)可以有效提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組調(diào)峰深度的改造技術(shù)［4-7］。切除低壓缸進(jìn)汽，缸內(nèi)流場(chǎng)屬于極小流量工況，截至目前，還沒(méi)有建立能夠完善描述此種工況下渦系脫離現(xiàn)象和葉片顫振產(chǎn)生機(jī)理及規(guī)律的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，筆者通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)，以文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，得出了每臺(tái)低壓缸的合理冷卻蒸汽流量區(qū)間，以國(guó)內(nèi)某電廠200MW 供熱機(jī)組切除低壓缸改造為示范案例，通過(guò)試驗(yàn)的方式驗(yàn)證了熱電機(jī)組實(shí)施切除低壓缸改造的可行性。

1 機(jī)組概況

某發(fā)電公司#2機(jī)組為CC150／N220-12.75／0.981／0.245型200MW 超高壓蒸汽參數(shù)、一次中間再熱、單軸、雙缸、雙排汽、雙抽、凝汽供熱式汽輪機(jī)。機(jī)組主要技術(shù)規(guī)范見(jiàn)表1。

表1 機(jī)組主要技術(shù)規(guī)范Tab.1 Main technical specifications of the unit

2 切除低壓缸進(jìn)汽供熱技術(shù)分析

切除低壓缸進(jìn)汽供熱技術(shù)是指在供熱期間，通過(guò)全密封、零泄漏的供熱蝶閥關(guān)斷作用切除低壓缸進(jìn)汽，使得低壓缸轉(zhuǎn)子在高真空條件下“空轉(zhuǎn)”運(yùn)行，高中壓缸高背壓供熱運(yùn)行的一種靈活的運(yùn)行技術(shù)。此技術(shù)可以在低壓轉(zhuǎn)子不脫離、整體軸系始終同頻運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，通過(guò)中低壓缸連通管上新加裝的全密封、零泄漏的液壓蝶閥啟閉動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)組凝、抽、背（切缸）3種工況的靈活切換。

切除低壓缸進(jìn)汽，低壓缸在高真空條件下“空轉(zhuǎn)”運(yùn)行，理論上如果低壓缸內(nèi)是完全真空，則不會(huì)有鼓風(fēng)超溫發(fā)熱的危害，但完全真空目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)，極少的漏汽在低壓缸內(nèi)流動(dòng)性較差，同時(shí)被高速旋轉(zhuǎn)的葉片攪動(dòng)并鼓風(fēng)產(chǎn)熱，若不將這些熱量帶走，將會(huì)由于結(jié)構(gòu)熱變形不均而導(dǎo)致振動(dòng)及脹差超限等，因此切缸運(yùn)行時(shí)低壓缸必須通入少量的冷卻蒸汽，保持一定的流動(dòng)性以帶走鼓風(fēng)熱。低壓缸處在一個(gè)高真空度、極小流量的運(yùn)行工況，但低流量工況會(huì)帶來(lái)另外一個(gè)問(wèn)題——低壓級(jí)葉片的機(jī)械性能問(wèn)題，也就是通常所說(shuō)的小流量工況下的葉片顫振危害。極小流量工況由于嚴(yán)重的流場(chǎng)畸變，到目前為止還沒(méi)有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，國(guó)際上均是通過(guò)試驗(yàn)的方法獲取葉片動(dòng)應(yīng)力；轉(zhuǎn)子表面蒸汽渦系脫離，轉(zhuǎn)子表面換熱無(wú)法進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，因此轉(zhuǎn)子受熱膨脹量也只能通過(guò)試驗(yàn)的方法獲得；排汽溫度升高，缸后噴水需要長(zhǎng)期投運(yùn)，汽流夾帶水滴回流沖刷葉片根部，這種損傷也不能進(jìn)行準(zhǔn)確的理論計(jì)算，只能認(rèn)為會(huì)有水蝕加劇的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 動(dòng)應(yīng)力與相對(duì)體積流量、背壓的關(guān)系Fig.1 Relationship between dynam ical stress，volume flow rate and back pressure

雖然這組數(shù)據(jù)的試驗(yàn)對(duì)象與本文分析的對(duì)象不同，但末級(jí)葉片在這種工況下的動(dòng)應(yīng)力變化規(guī)律基本相同，因此可以大膽推斷：只要低壓缸冷卻蒸汽流量小于額定排汽流量的3.0%，葉片潛在的顫振危害就不存在了。

切低壓缸運(yùn)行是一個(gè)長(zhǎng)周期運(yùn)行工況，筆者認(rèn)為不能以0.03作為冷卻蒸汽相對(duì)流量的上限值，出于安全考慮，要遠(yuǎn)離這條紅線。該機(jī)組低壓缸額定排汽流量為440 t／h，按0.03計(jì)，冷卻蒸汽流量上限為13.2 t／h，由于實(shí)際運(yùn)行中冷卻蒸汽流量難免會(huì)有波動(dòng)，因此要預(yù)留足夠的裕量?；谝陨戏治?，限制冷卻蒸汽流量在額定排汽流量的1.0% ～1.5%之間，則冷卻蒸汽流量范圍為4.4～6.6 t／h。將這股中壓排汽通入低壓缸內(nèi)，若此股蒸汽能夠順利帶走缸內(nèi)的熱量，即低壓缸內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)葉片超溫、轉(zhuǎn)子脹差超限的情況，則機(jī)組實(shí)現(xiàn)切缸運(yùn)行；若低壓缸內(nèi)依然出現(xiàn)葉片超溫或低壓脹差超限的情況，則必須對(duì)該股冷卻蒸汽進(jìn)行減溫減壓處理，才可滿(mǎn)足切缸長(zhǎng)周期運(yùn)行要求。

3 切除低壓缸進(jìn)汽改造技術(shù)方案

為了保證改造工程順利完成，該機(jī)組進(jìn)行了如下改造［15-16］。

（1）加裝末兩級(jí)溫度測(cè)點(diǎn)。切低壓缸改造后，機(jī)組背壓供熱運(yùn)行期間低壓缸內(nèi)少量蒸汽依然處于鼓風(fēng)狀態(tài)，并且鼓風(fēng)會(huì)前移（不限于末幾級(jí)長(zhǎng)葉片），因此需要對(duì)末幾級(jí)長(zhǎng)葉片附近的蒸汽溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確保機(jī)組長(zhǎng)期安全地背壓運(yùn)行。因此在末級(jí)、次末級(jí)動(dòng)葉之后共裝設(shè)4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，并引入機(jī)組分散控制系統(tǒng)，設(shè)定安全范圍，參與機(jī)組調(diào)節(jié)控制。

（2）更換中低壓缸連通管供熱蝶閥。切低壓缸改造要求背壓運(yùn)行期間切除低壓缸進(jìn)汽，該機(jī)組原始設(shè)計(jì)有2個(gè)中低壓缸連通管，且各自裝有1個(gè)具有一定機(jī)械限位的電動(dòng)調(diào)整蝶閥，根據(jù)切缸運(yùn)行要求，即使將此閥門(mén)關(guān)到最小機(jī)械限位處依然有較大泄漏量，因此需要對(duì)原中低壓缸連通管供熱蝶閥進(jìn)行更換。新更換的閥門(mén)本體要求可以達(dá)到關(guān)到零位、全密封且零泄漏的目的，同時(shí)為了防止閥門(mén)在全關(guān)時(shí)出現(xiàn)打不開(kāi)的危險(xiǎn)情況，特要求此閥門(mén)采用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

（3）增設(shè)冷卻蒸汽旁路系統(tǒng)。連通管閥門(mén)更換后，雖然實(shí)現(xiàn)了全關(guān)斷、零泄漏的目的，但為了帶走缸內(nèi)的鼓風(fēng)熱，還需要保證極少量冷卻蒸汽可通入低壓缸內(nèi)，若直接利用連通管閥門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)，則該閥門(mén)的閥位肯定很小，此種情況下閥門(mén)前后壓差大，容易引發(fā)振動(dòng)，給運(yùn)行帶來(lái)額外風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，此種方式也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻蒸汽參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的，因此需對(duì)連通管蝶閥加裝冷卻蒸汽旁路系統(tǒng)。設(shè)計(jì)新加1個(gè)冷卻蒸汽系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、減溫減壓器、汽水分離器、流量監(jiān)測(cè)裝置以及相關(guān)其他電控儀表等設(shè)備［17］，改造后原則性熱力系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 供熱改造方案原則性熱力系統(tǒng)圖Fig.2 Princip le thermal system diagram of the heating supp ly retrofit

4 改造后機(jī)組供熱調(diào)峰能力分析

切低壓缸改造后，在相同鍋爐蒸發(fā)量的情況下，機(jī)組抽凝和切缸工況的發(fā)電抽汽量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，特性對(duì)比如圖3所示?？梢钥闯?，通過(guò)切除低壓缸進(jìn)汽，相比于抽凝運(yùn)行，可以增加約140 t／h的采暖抽汽，機(jī)組發(fā)電負(fù)荷可下降約25MW。

表2 改造前、后機(jī)組不同供熱工況下熱力特性對(duì)比Tab.2 Com parison of the thermal characteristics under different heating-supp ly conditions before and after the retrofit

圖3 切缸與抽凝供熱特性對(duì)比Fig.3 Comparison of the heating characteristics between cylinder cutting and extraction condensing

表3和圖4為切低壓缸改造后機(jī)組的調(diào)峰能力核算結(jié)果，可以看出，相比于改造前，在保證對(duì)外供熱負(fù)荷不變的情況下，機(jī)組從抽凝轉(zhuǎn)為切低壓缸運(yùn)行，可使發(fā)電功率下降約58MW，大大提高了機(jī)組的調(diào)峰能力。圖5為切缸（背壓）運(yùn)行期間的控制畫(huà)面，圖中DF為中低壓缸連通管供熱蝶閥，此時(shí)的閥位為0%，發(fā)電負(fù)荷為49MW，低于機(jī)組額定功率的30%，符合電網(wǎng)的輔助調(diào)峰政策，通過(guò)切除低壓缸進(jìn)汽，在滿(mǎn)足供熱、調(diào)峰的同時(shí)，減少了凝汽冷源損失。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

切除低壓缸進(jìn)汽，低壓缸內(nèi)流場(chǎng)嚴(yán)重畸變，顫振、鼓風(fēng)超溫以及水蝕等均難以定量計(jì)算，因此更重要的環(huán)節(jié)是在在運(yùn)機(jī)組上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。該機(jī)組于2017年9月進(jìn)行了相關(guān)改造，并于2017年11月采暖季開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)投運(yùn)，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行后從2017年11月11日開(kāi)始連續(xù)切缸運(yùn)行至2018年3月31日采暖季結(jié)束，2018年6月進(jìn)行了第1次開(kāi)缸檢查。2018年11月開(kāi)始轉(zhuǎn)為靈活性切缸運(yùn)行直至2019年3月31日采暖季結(jié)束，靈活性切缸共計(jì)60次，累計(jì)時(shí)長(zhǎng)約500 h，2019年6月進(jìn)行了第2次開(kāi)缸檢查。

圖4 改造前、后機(jī)組調(diào)峰能力對(duì)比Fig.4 Comparison of the peak regulating capacity of the unit before and after the retrofit

5.1 鼓風(fēng)發(fā)熱試驗(yàn)驗(yàn)證

2017年11月7日進(jìn)行了第1次切除低壓缸進(jìn)汽試驗(yàn)，這次試驗(yàn)不投減溫水，直接將小股中壓排汽作為冷卻蒸汽通入低壓缸，當(dāng)完全關(guān)斷中低壓缸連通管蝶閥、調(diào)整小旁路流量至5 t／h左右之后，機(jī)組在當(dāng)天13：40正式進(jìn)入切缸運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)機(jī)組的低壓脹差為3.93mm，起初的1個(gè)小時(shí)脹差先是減小到3.67mm，之后開(kāi)始慢慢上漲。分析認(rèn)為，切除低壓缸進(jìn)汽后，轉(zhuǎn)子、汽缸表面高溫蒸汽大幅減少，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)了短暫的冷卻收縮現(xiàn)象，之后與周?chē)贿B續(xù)的蒸汽摩擦發(fā)熱慢慢膨脹。到第2天00：00，脹差漲到5.97mm（低壓脹差報(bào)警值為5.50mm，跳機(jī)值為6.00mm），此時(shí)已經(jīng)切缸10 h，現(xiàn)場(chǎng)觀察脹差依然有上漲的趨勢(shì)，為安全起見(jiàn)切回到抽凝狀態(tài)，大流量蒸汽進(jìn)入低壓缸，轉(zhuǎn)子受到冷卻，脹差增長(zhǎng)止步，開(kāi)始回落。加裝的溫度測(cè)點(diǎn)測(cè)量值顯示：整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中葉頂?shù)臏囟仁冀K處于安全范圍內(nèi)，應(yīng)該沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)熱導(dǎo)致的相關(guān)損傷。表4為當(dāng)時(shí)的脹差變化記錄。

圖5 背壓運(yùn)行畫(huà)面Fig.5 Interface of back-pressure operation

表4 切缸試驗(yàn)過(guò)程中脹差變化Tab.4 Differential expansions during the low-pressure cylinder cutting test

2017-11-10 T 09：00進(jìn)行第2次切缸試驗(yàn)，這次試驗(yàn)投入減溫水，將冷卻蒸汽溫度調(diào)整至165℃后進(jìn)入低壓缸，剛開(kāi)始時(shí)低壓脹差為4.0mm，連續(xù)運(yùn)行24 h后，第2天早上低壓脹差穩(wěn)定在了4.9mm，隨后維持此狀態(tài)連續(xù)切缸運(yùn)行至采暖季結(jié)束。

2次試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)：如果直接將中壓排汽作為冷卻蒸汽會(huì)導(dǎo)致低壓脹差超限，必須對(duì)該股蒸汽進(jìn)行減溫處理才可保證機(jī)組長(zhǎng)周期安全切缸運(yùn)行。

5.2 水蝕損傷試驗(yàn)驗(yàn)證

該機(jī)組于2008年12月投產(chǎn)，2017年9月進(jìn)行了切除低壓缸進(jìn)汽的相關(guān)改造，切缸前機(jī)組已經(jīng)投運(yùn)了10年。

圖6為切缸前、后末級(jí)葉片出汽邊根部狀態(tài)。圖6a為切缸前的葉片出汽邊葉根，已經(jīng)有了一定的水蝕損傷；圖6b為2018年6月第1次開(kāi)缸檢查時(shí)末級(jí)葉片出汽邊根部的狀態(tài)，圖6c為2019年6月第2次開(kāi)缸檢查時(shí)末級(jí)葉片出汽邊根部的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)連續(xù)2年的切缸運(yùn)行，葉片出汽邊根部損傷并沒(méi)有明顯加深，說(shuō)明切缸后的水蝕變化非常緩慢。

圖6 末級(jí)動(dòng)葉出汽邊葉根水蝕Fig.6 Water erosion of the last-stage blade root on steam outlet side

由5.1章節(jié)知，冷卻蒸汽是進(jìn)行了噴水減溫后引入低壓缸的，為了驗(yàn)證旁路系統(tǒng)的工作性能，開(kāi)缸后對(duì)低壓首級(jí)葉片進(jìn)汽邊也進(jìn)行了詳細(xì)排查。

圖7a為第1次剛開(kāi)缸時(shí)的狀態(tài)，可以看出葉片有部分鐵銹；圖7b為第1次開(kāi)缸檢查噴砂后的葉片狀態(tài)，作者現(xiàn)場(chǎng)觀察并親自用手觸摸，發(fā)現(xiàn)首級(jí)葉片幾乎沒(méi)有損傷；圖7c為第2次開(kāi)缸檢查時(shí)首級(jí)葉片的狀態(tài)。2次開(kāi)缸檢查證實(shí)，首級(jí)葉片沒(méi)有因?yàn)閲娝疁p溫而出現(xiàn)水蝕損傷，充分論證了加裝的冷卻蒸汽系統(tǒng)工作性能非?？煽?。

圖7 切缸后低壓首級(jí)葉片水蝕Fig.7 Water erosion of the first-stage low-pressure blade after cylinder cutting

5.3 葉片顫振試驗(yàn)驗(yàn)證

該機(jī)組于2016年5月進(jìn)行過(guò)大修，運(yùn)行1年后于2017年9月開(kāi)缸進(jìn)行試驗(yàn)前狀態(tài)記錄。開(kāi)缸發(fā)現(xiàn)動(dòng)葉拉筋共3處原修復(fù)好的焊口裂開(kāi)，現(xiàn)場(chǎng)焊接修復(fù)后，于2017年采暖季進(jìn)行切除低壓缸進(jìn)汽試驗(yàn)，連續(xù)切缸運(yùn)行1個(gè)采暖季后，2018年6月進(jìn)行了第1次開(kāi)缸檢查，發(fā)現(xiàn)僅有1處原修復(fù)好的拉筋焊口裂開(kāi)，如圖8所示。

圖8 拉筋斷開(kāi)位置Fig.8 Breaking site of the lacing w ire

為進(jìn)一步檢查葉片內(nèi)部損傷，對(duì)其進(jìn)行著色探傷檢查，葉片沒(méi)有裂紋等損傷。通過(guò)拉筋損傷可以看出，切除低壓缸進(jìn)汽后，葉片動(dòng)應(yīng)力是小于常規(guī)運(yùn)行動(dòng)應(yīng)力的。

2019年6月進(jìn)行了第2次開(kāi)缸檢查，發(fā)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子有3處斷裂，但均為以前舊的斷裂位置，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)分析認(rèn)為，拉筋多處斷裂與切缸運(yùn)行關(guān)系不大，是抽凝運(yùn)行造成的，因此沒(méi)有對(duì)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行噴砂和著色探傷，僅對(duì)拉筋斷裂處進(jìn)行焊接修復(fù)后就合缸恢復(fù)運(yùn)行了。

疲勞壽命預(yù)估是學(xué)科內(nèi)的難題，尤其對(duì)于已經(jīng)服役多年的機(jī)組，其剩余壽命很難評(píng)估，但從該機(jī)組開(kāi)缸后葉片顫振所反映出的情況看，將冷卻蒸汽流量控制在其額定排汽流量的1.0% ～1.5%，葉片的顫振危害就可以有效規(guī)避。

6 結(jié)論

（1）切除低壓缸進(jìn)汽，將低壓缸冷卻蒸汽流量控制在其額定排汽流量的1.0%～1.5%，可以有效規(guī)避葉片顫振危害；必須對(duì)冷卻蒸汽進(jìn)行減溫處理才可避免葉片超溫、脹差超限，保證長(zhǎng)周期安全切缸運(yùn)行；缸后噴水長(zhǎng)期投運(yùn)，葉片出汽邊水蝕變化非常緩慢。

（2）切除低壓缸進(jìn)汽，在相同鍋爐蒸發(fā)量的情況下，可增加采暖抽汽量約140 t／h，機(jī)組發(fā)電負(fù)荷可下降約25MW。

（3）切除低壓缸進(jìn)汽，在保證相同供熱能力的情況下，可降低機(jī)組發(fā)電負(fù)荷約58MW，大大提高了機(jī)組深度調(diào)峰的能力，在滿(mǎn)足供熱、調(diào)峰的同時(shí)，減少了凝汽冷凝損失。