抽汽供熱改造安全性分析及控制策略研究

周林君

（馬鞍山當(dāng)涂發(fā)電有限公司，安徽馬鞍山 243102）

0 引言

近年來，隨著國家能源政策變化，新能源機(jī)組不斷投產(chǎn)發(fā)電，傳統(tǒng)燃煤火電機(jī)組擔(dān)負(fù)起越來越重的調(diào)峰責(zé)任[1]，利用小時(shí)數(shù)和負(fù)荷率不斷下降，低負(fù)荷下的燃煤效率與國家節(jié)能減排政策的矛盾日顯突出，低功率、高煤耗的凝汽機(jī)組有被淘汰的趨勢(shì)[2]，燃煤發(fā)電企業(yè)結(jié)合周邊熱用戶需求，對(duì)機(jī)組進(jìn)行供熱改造，已成為企業(yè)節(jié)能減排的重要手段和發(fā)展方向。

純凝機(jī)組進(jìn)行抽汽供熱改造，對(duì)原機(jī)組工況安全運(yùn)行存在一定影響，供熱量的確定需結(jié)合對(duì)機(jī)組安全性進(jìn)行研究，對(duì)機(jī)組抽汽供熱改造中安全性進(jìn)行簡(jiǎn)析，并根據(jù)安全分析情況提出中調(diào)門控制策略，為同類型機(jī)組改造提供參考。

1 機(jī)組改造概況

某發(fā)電公司1、2 號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)由哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)，型號(hào)為CLN660－24.2/566/566，超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)。

為滿足周邊熱用戶工業(yè)用汽需求，2 臺(tái)機(jī)組再熱蒸汽冷段抽汽供熱改造，與四級(jí)抽汽混合采用壓力匹配器和減溫器方式對(duì)外提供參數(shù)為1.5 MPa，230 ℃工業(yè)蒸汽，因供熱需求量增加，再熱蒸汽熱段進(jìn)行抽汽供熱改造，通過減溫減壓器對(duì)外提供參數(shù)為1.5 MPa，230 ℃的工業(yè)蒸汽，一級(jí)抽汽供熱改造，通過減溫、減壓器對(duì)外提供參數(shù)為2.5 MPa，230 ℃的工業(yè)蒸汽。

2 抽汽供熱改造安全性

2.1 鍋爐再熱器安全性

再熱蒸汽冷段抽汽供熱改造必須考慮再熱器超溫安全問題，對(duì)比純凝工況，主蒸汽進(jìn)汽流量一定時(shí)，高排抽汽后進(jìn)入再熱器管排的工質(zhì)流量相應(yīng)減小，在蒸汽參數(shù)不變的情況下，管排壁溫會(huì)大幅度提高，壁溫安全裕度降低。通過調(diào)節(jié)燃燒器擺角及再熱器減溫水還可適當(dāng)增加高排抽汽量，但在再熱器壁溫安全裕度范圍內(nèi)，高排抽汽量存在一個(gè)最大值，研究機(jī)組經(jīng)過再熱蒸汽冷段抽汽改造后，鍋爐廠計(jì)算高排最大量不能超過90 t/h，研究表明高排抽汽供熱后，對(duì)高溫再熱器受熱面影響最大[3]。

2.2 汽輪機(jī)軸向推力安全性

機(jī)組在正常運(yùn)行發(fā)電時(shí)，蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功時(shí)會(huì)在葉片、葉輪、平衡活塞、軸封套等位置產(chǎn)生前后壓差，對(duì)轉(zhuǎn)子形成軸向推力。當(dāng)抽汽供熱時(shí)，相當(dāng)于增加了抽汽位置后的過流面積，對(duì)比純凝工況時(shí)，發(fā)電做功流量的減小使作用在通流部件的壓降增大，壓差的變化造成軸向推力產(chǎn)生變化。為保證軸向推力在抽汽供熱時(shí)不超出純凝工況時(shí)的設(shè)計(jì)推力范圍，汽輪機(jī)廠一般需通過校核計(jì)算，可給出一定進(jìn)汽量下再熱蒸汽系統(tǒng)最大抽汽量。研究機(jī)組在經(jīng)過供熱增容改造后，為保證軸向推力安全要求（－10～10 t），主蒸汽流量不大于1700 t/h 時(shí)，機(jī)組冷熱總抽汽量最大值為250 t/h。

軸向推力分析計(jì)算一般為如下過程，低壓缸對(duì)稱雙流布置，軸向推力相互抵消，高中壓合缸，分析原設(shè)計(jì)軸向推力在高中壓各部件推力方向（正或負(fù)），選取多組供熱抽汽典型工況通過建模計(jì)算各抽汽量下軸向總推力，結(jié)合推力軸承面積計(jì)算軸承壓比，與設(shè)計(jì)壓比對(duì)比是否超限，得出最大抽汽量，但在運(yùn)行中依然要對(duì)推力軸承溫度加強(qiáng)監(jiān)視。

2.3 葉片安全性

再熱系統(tǒng)抽汽后，高排壓力隨之降低，相比純凝工況，高壓末幾級(jí)葉片壓差增大，蒸汽彎應(yīng)力增大，在供熱抽汽量達(dá)到一定值時(shí)，必須考慮高壓末幾級(jí)葉片強(qiáng)度安全性問題。同時(shí)還應(yīng)考慮最大抽汽量情況下低壓末級(jí)葉片安全性問題，抽汽后中壓缸進(jìn)汽流量是否滿足低壓缸最小冷卻流量，防止進(jìn)入中、低壓缸的蒸汽不足以帶走鼓風(fēng)摩擦產(chǎn)生的熱量[4]，另外低壓末級(jí)葉片本身強(qiáng)度在抽汽工況下是否滿足。

研究機(jī)組低壓末級(jí)葉片為哈汽新型設(shè)計(jì)1040 mm 動(dòng)葉，為了保證1040 mm 葉片的安全性，在最大抽汽供熱工況下對(duì)1040 mm 葉片靜強(qiáng)度和振動(dòng)特性進(jìn)行了分析。靜強(qiáng)度和振動(dòng)特性的分析結(jié)果如圖1 和圖2 所示。

由分析結(jié)果可見，該葉片的應(yīng)力和頻率都符合安全準(zhǔn)則，表明該葉片在最大抽汽工況下安全可靠。

3 抽汽供熱中壓調(diào)門控制策略研究

在考慮滿足軸向推力要求下再熱系統(tǒng)抽汽供熱時(shí)，為保證高壓末幾級(jí)葉片安全性，需中壓調(diào)門參與調(diào)節(jié)，維持抽汽后高排壓力與純凝工況一致，保證高壓后幾級(jí)的壓差不大于強(qiáng)度工況。

圖1 新型1040 mm 長(zhǎng)葉片應(yīng)力分布

在中調(diào)門參與調(diào)節(jié)過程中，首先要分析中調(diào)門最小開度限制，為保證低壓缸冷卻流量，中調(diào)門不允許全關(guān)，且開度小到一定時(shí)，調(diào)門振動(dòng)趨勢(shì)加劇，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)劇增。研究機(jī)組中調(diào)門總行程13.5 cm，預(yù)啟閥行程2 cm，預(yù)啟閥行程占調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)總行程的12.9%，即當(dāng)閥門行程關(guān)至12.9%時(shí)，主閥全關(guān)，僅預(yù)啟閥開啟，此時(shí)無法滿足中壓缸流量控制要求，且無法完成壓力調(diào)節(jié)功能，考慮低壓缸末級(jí)葉片最小冷卻流量，中壓缸進(jìn)汽量必須大于500 t/h，經(jīng)配汽計(jì)算對(duì)應(yīng)的中調(diào)門行程13.5%，即為了保證機(jī)組低壓末級(jí)葉片安全性，理論上調(diào)門最低開度不能小于13.5%。

圖2 新型1040 mm 長(zhǎng)葉片坎貝爾圖

中調(diào)門參與調(diào)節(jié)控制高排壓力時(shí)，宜采用4 閥同時(shí)動(dòng)作，即單閥運(yùn)行方式參與壓力調(diào)節(jié)。因中調(diào)門口徑較大，順序閥調(diào)節(jié)方式時(shí)惰性大，整個(gè)調(diào)節(jié)過程中敏感性差別大，且不同機(jī)組調(diào)節(jié)特性差別明顯。

圖3 調(diào)節(jié)級(jí)后壓力與高排壓力關(guān)系曲線

由于抽汽工況為變工況，相同進(jìn)汽量下不同抽汽量對(duì)應(yīng)不同電負(fù)荷，負(fù)荷僅為中間變量，在電負(fù)荷與供熱抽汽量均在變化時(shí)高排壓力與中調(diào)門開度不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，綜合抽汽量、抽汽壓力、推力變化、中調(diào)門調(diào)節(jié)特性、高壓缸通流葉片強(qiáng)度等各方面影響因素，采用調(diào)節(jié)級(jí)后壓力與高排壓力關(guān)系曲線（圖3）作為中調(diào)門參與調(diào)節(jié)控制依據(jù)，保證高壓缸末級(jí)葉片強(qiáng)度安全。

研究機(jī)組最大抽汽量按250 t/h 進(jìn)行供熱，圖3 中給定調(diào)節(jié)級(jí)后壓力（10.35～16.1）MPa 運(yùn)行區(qū)間為考慮各種影響因素后的安全運(yùn)行區(qū)域，在調(diào)節(jié)級(jí)后壓力低于10.35 MPa 進(jìn)行再熱系統(tǒng)抽汽供熱，隨著抽汽量增加，負(fù)荷降低（將會(huì)遠(yuǎn)低于10.35 MPa 對(duì)應(yīng)的冷凝工況400 MW 負(fù)荷），推力增大超出推力軸承允許的安全范圍，隨著抽汽量增大，再熱蒸汽壓力降低較多，無法靠調(diào)門憋壓對(duì)外提供相應(yīng)壓力等級(jí)的蒸汽，調(diào)門幾近全關(guān)，各種風(fēng)險(xiǎn)劇增；在調(diào)節(jié)級(jí)后壓力高于16.1 MPa 時(shí)，可通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)抽汽運(yùn)行，但除高壓缸通流葉片強(qiáng)度上要求滿足圖3 中調(diào)節(jié)級(jí)壓力與高排壓力關(guān)系限制線外，為保證機(jī)組安全性，還需密切監(jiān)視推力瓦溫、中調(diào)門振動(dòng)等數(shù)據(jù)，如出現(xiàn)異常，恢復(fù)調(diào)整前狀態(tài)。

4 結(jié)束語

①抽汽供熱改造后，高排抽汽要考慮鍋爐側(cè)再熱器超溫問題；②汽機(jī)側(cè)各段抽汽量均需要考慮核算軸向推力的影響、低壓缸最小冷卻流量的限制、高壓末幾級(jí)葉片強(qiáng)度安全問題；③中調(diào)門控制策略原則上是使高排壓力不能偏離純凝工況一定范圍，但需綜合考慮軸向推力、抽汽量、葉片強(qiáng)度、調(diào)門特性及調(diào)門開度限制等；④抽汽供熱為復(fù)雜的變工況，且同時(shí)存在電負(fù)荷變化的影響，調(diào)門控制在理論給定范圍基礎(chǔ)上需進(jìn)行大量試驗(yàn)明確各電負(fù)荷下抽汽量的大小。