汽輪機(jī)六段抽汽在低壓缸零出力改造中的應(yīng)用探討

岳新宇 張國千 劉興璽

(中煤大同能源有限公司，山西 大同 037001)

1 概述

某發(fā)電廠汽輪機(jī)為哈汽CZK135-13.24/535/535型汽輪機(jī)，超高壓一次中間再熱，雙缸，雙排汽直接空冷抽凝汽式汽輪機(jī)。高壓缸由1級單列調(diào)節(jié)級和8級壓力級組成，8級隔板均安裝在高壓內(nèi)缸上。中壓部分由9個(gè)壓力級組成。低壓部分由2×5級壓力級組成，蒸汽從低壓缸中部分別流向兩端排汽口進(jìn)入下部排汽裝置。由于采用雙分流對稱結(jié)構(gòu)，低壓轉(zhuǎn)子幾乎不承受軸向推力。低壓部分所有隔板均安裝在低壓內(nèi)缸上。高壓缸7級后抽汽通往1號高加，高壓排汽引出抽汽通往2號高加。中壓缸13級后抽汽通往除氧器，16級后抽汽通往4號低加，18級后抽汽通往5號低加，在低壓部分第21級和第26級后分別設(shè)有完全對稱的抽汽口，抽汽至6號低壓加熱器。

電廠現(xiàn)有135 MW發(fā)電機(jī)組2臺，供熱工程熱網(wǎng)首站及1號機(jī)組高背壓改造于2018年10月建設(shè)完成。熱網(wǎng)首站熱力系統(tǒng)是在滿足總供熱面積900萬m2，總供熱量456.51萬GJ，總熱負(fù)荷477 MW的前提下進(jìn)行設(shè)計(jì)的，已充分考慮了供熱抽汽管道、熱網(wǎng)加熱器及其他主要設(shè)備的選型裕量，為后期2號機(jī)組實(shí)施供熱能力增容改造做好了鋪墊。

為響應(yīng)國家火電靈活性改造政策要求，提高機(jī)組供熱期供熱及深度調(diào)峰能力，增強(qiáng)機(jī)組在電力輔助服務(wù)調(diào)峰市場的競爭力和盈利能力。經(jīng)綜合對比多種靈活性改造方案后，2019年檢修期電廠確定采用“提升供熱機(jī)組靈活性的低壓缸零出力改造技術(shù)”開展2號機(jī)組低壓缸零出力改造。

2 低壓缸零功率改造原理

低壓缸零功率改造技術(shù)是在凝汽抽汽式供熱機(jī)組的基礎(chǔ)上，本著增加機(jī)組供熱能力同時(shí)減少機(jī)組冷源損失，提高電廠熱效率的目的而開發(fā)的新技術(shù)，其總體特點(diǎn)是抽汽量大、效率高，背壓運(yùn)行時(shí)幾乎無冷源損失。該技術(shù)方案具備凝汽、抽汽、背壓3種運(yùn)行功能，根據(jù)供熱負(fù)荷的變化進(jìn)行切換，在供熱負(fù)荷超過抽汽模式的供出量時(shí)，可以切除低壓缸，高中壓缸按背壓方式單獨(dú)運(yùn)行。

該技術(shù)是在原抽凝/純凝運(yùn)行機(jī)組的基礎(chǔ)上，新增或更換中低壓連通管處閥門為可關(guān)到零位并全密封的調(diào)節(jié)蝶閥，實(shí)現(xiàn)了低壓缸可不進(jìn)汽的要求，使低壓轉(zhuǎn)子在高真空條件下“空轉(zhuǎn)”運(yùn)行，將全部中壓排汽引出供熱的新型供熱改造技術(shù)。同時(shí)為縮短微量漏氣在低壓缸內(nèi)的滯留時(shí)間，防止鼓風(fēng)超溫的危險(xiǎn)發(fā)生，需將極小流量的冷卻蒸汽引入低壓缸，并開啟低壓缸噴水降溫系統(tǒng)。此方案改造工程量小，改造后的機(jī)組具備凝汽抽汽背壓式機(jī)型的優(yōu)點(diǎn)，機(jī)組供熱量大且機(jī)組調(diào)峰能力強(qiáng)。

3 改造后的試驗(yàn)分析

2019年9月，電廠利用2號機(jī)組A修，對機(jī)組進(jìn)行了低壓缸零出力的靈活性改造。并于2020年3月19日開展了低壓缸零功率改造系統(tǒng)性能調(diào)試工作，調(diào)試過程分析如下。

3.1 低壓缸降出力階段

2號機(jī)組鍋爐負(fù)荷基本調(diào)整到位，鍋爐穩(wěn)定燃燒，試驗(yàn)期間維持鍋爐負(fù)荷保持穩(wěn)定，即主蒸汽流量波動(dòng)范圍保持在±5%以內(nèi)，并開始逐漸關(guān)小液動(dòng)蝶閥開度至17%，過程期間保持機(jī)組排汽壓力不變，隨著連通管液動(dòng)蝶閥的逐漸關(guān)小，中壓缸排汽壓力有一定程度上升(從表壓0.06 MPa至表壓0.14 MPa)，同時(shí)機(jī)組負(fù)荷也逐漸下降，如圖1所示，從圖1中可以看出，隨著連通管液動(dòng)蝶閥的開度逐漸減小，機(jī)組電負(fù)荷也隨之減小，在鍋爐負(fù)荷為50%時(shí)，主蒸汽流量約為220 t/h，機(jī)組排汽壓力約19 kPa，連通管液動(dòng)蝶閥開度從100%減小至17%時(shí)，機(jī)組電負(fù)荷從68 MW降低至58 MW，減少約20 MW。

3.2 低壓缸零功率工況投入前調(diào)整階段

保持液動(dòng)蝶閥開度(17%)維持不變，通過提高空冷島運(yùn)行風(fēng)機(jī)的頻率和多起真空泵的措施來降低機(jī)組運(yùn)行背壓。從圖2可以看出，鍋爐負(fù)荷為50%，主蒸汽流量保持不變約為220 t/h，連通管液動(dòng)蝶閥開度維持約17%時(shí)，此時(shí)低壓缸排汽量基本不變，通過降低機(jī)組排汽壓力使得機(jī)組電負(fù)荷升高約4 MW，從58 MW升至62 MW并基本穩(wěn)定。此外，空冷島所有風(fēng)機(jī)頻率從22 Hz左右逐漸升高至52 Hz，運(yùn)行真空泵數(shù)量從2臺增加至3臺。機(jī)組運(yùn)行背壓從19 kPa降低至約9 kPa，基本達(dá)到機(jī)組運(yùn)行背壓所能降低到的極限值。

在上述試驗(yàn)期間，保持液動(dòng)蝶閥開度(17%)維持不變，且穩(wěn)定約20 min時(shí)，中壓缸排汽壓力0.13 MPa(表壓)，低壓缸末級測點(diǎn)溫度平均約為44 ℃，低壓缸次末級測點(diǎn)溫度平均約為112 ℃。

3.3 低壓缸零功率工況投入階段

開始逐漸關(guān)閉連通管液動(dòng)蝶閥，直至連通管液動(dòng)蝶閥完全關(guān)閉。連通管液動(dòng)蝶閥關(guān)閉過程期間保持機(jī)組排汽壓力不變，隨著閥位的關(guān)小，機(jī)組電負(fù)荷從62 MW逐漸降低至約55 MW，降低約7 MW，如圖3所示。

此時(shí)，主汽流量為224 t/h，A，B低壓缸進(jìn)汽蝶閥開度反饋均為0%(就地查看確認(rèn)已經(jīng)完全關(guān)閉)，中壓缸排汽壓力為0.21 MPa(表壓)，機(jī)組背壓9.11 kPa，此時(shí)中壓缸排汽溫度升高至311 ℃，低壓缸末級測點(diǎn)溫度不同排汽側(cè)分別為45 ℃和60 ℃，低壓缸次末級測點(diǎn)溫度不同排汽側(cè)分別約為110 ℃和131 ℃。分析這種低壓缸不同排汽側(cè)的溫度存在差異的情況主要是由于低壓缸進(jìn)汽分流不均勻或六段抽汽口反向進(jìn)汽的不均衡引起的，控制單側(cè)的平均溫度處于正常運(yùn)行的安全范圍即可，機(jī)組本體軸系及各輔助設(shè)備參數(shù)在低壓缸零出力工況下均在正常范圍內(nèi)。

試驗(yàn)過程各參數(shù)對比見表1。

表1 試驗(yàn)過程各參數(shù)對比

3.4 試驗(yàn)收獲

試驗(yàn)期間，在排汽壓力為9 kPa～10 kPa水平下，低壓缸末級和次末級測點(diǎn)溫度本應(yīng)遠(yuǎn)高于當(dāng)前值，但未出現(xiàn)超溫現(xiàn)象的原因，通過分析推斷是由六段抽汽反向進(jìn)低溫飽和蒸汽引起的。為確認(rèn)該結(jié)論，之后關(guān)閉六段抽汽閥后，原本溫度較為穩(wěn)定的末級測點(diǎn)溫度和次末級測點(diǎn)溫度開始逐漸升高，溫升速率相對平緩，如圖4所示，推測是由于六段抽汽閥閥門在關(guān)閉狀態(tài)下，有一定可能還保留一定漏流量。

由于低壓缸零功率工況下對機(jī)組背壓即真空度要求較高(5 kPa～10 kPa)，這勢必增加空冷凝汽器額外的廠用電耗，同時(shí)中煤大同電廠深處華北地區(qū)北部，冬季最低氣溫可達(dá)-20 ℃以下，機(jī)組低背壓運(yùn)行將大大增加空冷凝汽器散熱片結(jié)凍的風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何在高背壓工況下實(shí)現(xiàn)低壓缸零功率運(yùn)行，同時(shí)又確保高背壓運(yùn)行下低壓缸次末級葉片不超溫，是空冷機(jī)組探討的新課題。

經(jīng)過探究，有必要在低壓缸零出力工況下，對六段抽汽反向進(jìn)入汽輪機(jī)的飽和蒸汽加以利用，從而保持低壓缸次末級、末級葉片的溫度處在安全范圍，從而實(shí)現(xiàn)高背壓工況的低壓缸零出力運(yùn)行。

4 汽輪機(jī)六段抽汽改造應(yīng)用探討

4.1 應(yīng)用條件

電廠汽輪機(jī)低壓缸為2×5壓力級對稱布置，左側(cè)為19級～23級，右側(cè)為24級～28級，在21級和26級后設(shè)有完全對稱的抽汽口抽汽至6號低壓加熱器，作為回?zé)嵯到y(tǒng)的一部分。而這兩抽汽口正好位于兩側(cè)次末級動(dòng)葉前；同時(shí)在六段抽汽管道上只設(shè)有抽汽電動(dòng)門，沒有設(shè)計(jì)抽汽逆止門，為六段抽汽的反向應(yīng)用提供了有利條件。正常運(yùn)行時(shí)，六段抽汽正向抽汽至6號低壓加熱器，抽汽疏水隨4號、5號低加逐級自流來疏水經(jīng)氣液兩相流疏水器進(jìn)入排氣凝汽裝置。此次調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，低壓缸靈活性改造后，4號、5號低加來疏水經(jīng)6號低加后，由于六段抽汽電動(dòng)門關(guān)閉后內(nèi)漏，疏水閃蒸直接反向進(jìn)入低壓缸(低壓缸為負(fù)壓狀態(tài))，對次末級和末級的動(dòng)葉形成冷卻效應(yīng)，從而在高背壓條件下仍能確保末級、次末級葉片在正常范圍內(nèi)。但考慮到六段抽汽反向進(jìn)入的為飽和蒸汽，有一定可能存在濕蒸汽進(jìn)入低壓缸第三級動(dòng)葉片前，特別是在低壓加熱器水側(cè)泄漏的極端情況下，將造成汽輪機(jī)水沖擊的風(fēng)險(xiǎn)。因此需要對該部分蒸汽管道進(jìn)行適當(dāng)改造，從而保證反向進(jìn)入汽輪的蒸汽干度大于0.99以上，降低反向進(jìn)汽對葉片的水蝕影響，確保高背壓低壓缸零功率工況下汽輪機(jī)葉片的安全運(yùn)行。

4.2 應(yīng)用方案

1)為保證進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽干度大于0.99以上，在低壓缸現(xiàn)有抽汽管道即六段抽汽管道上增加旁路，旁路上設(shè)置汽水分離裝置，在非零功率工況運(yùn)行時(shí)，低壓缸原抽汽管道運(yùn)行，抽汽進(jìn)入回?zé)嵯到y(tǒng)參與6號低壓加熱器凝結(jié)水加熱；當(dāng)機(jī)組低壓缸零功率工況運(yùn)行時(shí)，關(guān)閉六段抽汽閥，打開抽汽旁路閥門，6號低加中的汽水混合物(疏水)通過汽水分離汽后，分離出的蒸汽反向進(jìn)入低壓缸作為零功率工況時(shí)的冷卻蒸汽，從而降低次末級葉片溫度，實(shí)現(xiàn)高背壓工況下的零功率運(yùn)行，并通過汽水分離裝置確保了汽輪機(jī)組的安全，如圖5所示。

正常運(yùn)行時(shí)，閥門1開啟，蒸汽由低壓缸抽至6號低加，抽汽系統(tǒng)運(yùn)行；當(dāng)?shù)蛪焊琢愠隽\(yùn)行時(shí)，閥門1關(guān)閉，打開閥門2和3，汽水分離裝置投入運(yùn)行，5號低加來的疏水在6號低加內(nèi)閃蒸后經(jīng)汽水分離裝置進(jìn)入低壓缸，對次末級和末級動(dòng)葉進(jìn)行冷卻。

2)修改(降低)號6號低壓加熱器水位高原保護(hù)定值，同時(shí)設(shè)置汽水分離器水位高保護(hù)，在低加及汽水分離裝置水位升高時(shí)，及時(shí)關(guān)閉抽汽閥門并打開事故放水閥門進(jìn)行放水，防止低壓缸進(jìn)水，有效保護(hù)汽輪機(jī)安全。

5 結(jié)語

通過低壓缸六段抽汽反向冷卻蒸汽改造的應(yīng)用，使機(jī)組低壓缸零功率工況下的運(yùn)行方式更為靈活，同時(shí)機(jī)組末級、次末級葉片超溫及空冷防凍問題也得到了有效解決，特別是對北方地區(qū)直接空冷機(jī)組低壓缸零功率改造后的拓展性技術(shù)研究提供了更加豐富的經(jīng)驗(yàn)與借鑒。