325MW汽輪機(jī)低壓缸零出力技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐探析

陳元峰

（甘肅電投張掖發(fā)電有限責(zé)任公司，甘肅 張掖 734000）

1 成果背景

近年來，以風(fēng)電、光伏為代表的新能源快速發(fā)展。受新能源波動性大、隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)的影響，電網(wǎng)面臨巨大的調(diào)峰、調(diào)頻壓力。我國以火電機(jī)組為主的電源結(jié)構(gòu)，決定的火電機(jī)組必然成為電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻的主力電源。而隨著我國“碳達(dá)峰、碳中和”宏偉戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，進(jìn)一步明確了能源行業(yè)向清潔低碳、安全高效方向快速轉(zhuǎn)型的基本路線，火電機(jī)組面臨巨大的靈活調(diào)峰運(yùn)行挑戰(zhàn)。

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，張掖市的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市建設(shè)迅速發(fā)展，城市供熱面積迅速擴(kuò)大，供熱負(fù)荷快速增長。根據(jù)張掖市城市供熱與燃?xì)夤芾磙k公室發(fā)給張掖電廠的《關(guān)于提升供熱能力與保障城區(qū)供熱》的函（張掖市燃辦[2018]單臺文件），2018～2020年張掖市城區(qū)集中供熱面積缺口分別達(dá)300萬、200萬、240萬平方米，城區(qū)集中供熱能力不足問題凸顯。該文件明確指出，建議張掖電廠進(jìn)行供熱擴(kuò)容改造，滿足城區(qū)供熱需求，保障居民用熱。

根據(jù)《張掖市城區(qū)供熱規(guī)劃》（2007～2020）以及甘肅省建設(shè)廳《關(guān)于對張掖市城區(qū)供熱專項(xiàng)規(guī)劃的批復(fù)》（甘建城【2009】16號）。截至2007年底，張掖市城區(qū)的總建筑面積約為797萬平方米，集中供熱面積約為170萬平方米，最大用熱負(fù)荷約為116MW，全部由張掖恒達(dá)熱力公司提供，現(xiàn)集中供熱普及率為21%。張掖市至2010年城區(qū)總集中供熱面積達(dá)1263萬平方米。遠(yuǎn)期新增加集中供熱面積1089萬平方米，至2020年城區(qū)總集中供熱面積達(dá)2352萬平方米。

甘肅電投張掖發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡稱“張掖電廠”）裝機(jī)容量為2×325MW。汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的NC325/280-16.7/0.8/537/537亞臨界、單軸、雙缸、雙排汽、一次中間再熱、沖動、抽凝式汽輪機(jī)。2013年5月，張掖電廠1、2號汽輪機(jī)實(shí)行供熱改造。設(shè)計(jì)最大采暖抽汽量為2×400t/h。加熱汽源來自1、2號汽輪機(jī)中壓缸排汽，供熱過程通過中低壓連通管上的蝶閥調(diào)整抽汽壓力。

綜上所述，從國家政策、行業(yè)發(fā)展要求和地區(qū)供熱發(fā)展需求來看，張掖電廠面臨巨大的熱、電供需矛盾。為滿足地區(qū)供熱發(fā)展需要、響應(yīng)國家火電靈活性改造政策要求和提高機(jī)組供熱期供熱能力及深度調(diào)峰能力，張掖電廠于2020年10月采用低壓缸零出力技術(shù)應(yīng)用，完成提升供熱能力改造工程。

2 技術(shù)原理及性能指標(biāo)

2.1 汽輪機(jī)低壓缸零出力技術(shù)原理

“汽輪機(jī)低壓缸零出力改造技術(shù)”是在低壓缸高真空運(yùn)行條件下，通過在低壓缸通入少量的冷卻蒸汽，用于帶走切除低壓缸進(jìn)汽后低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的鼓風(fēng)熱量。在冬季供熱需求量較高時(shí)，將低壓缸蒸汽流量用于供熱，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)低壓缸零出力，機(jī)組發(fā)電出力顯著減小，供熱能力顯著提升。而供熱需求量較低時(shí)，機(jī)組正常運(yùn)行不同的熱電需求，切換運(yùn)行模式，有效地提升了機(jī)組運(yùn)行靈活性。與改造前相比，“汽輪機(jī)低壓缸零出力改造技術(shù)”解除了低壓缸最小蒸汽流量的制約，在鍋爐出力不變的情況下，可顯著提高機(jī)組供熱能力；幾乎沒有冷源損失，大大降低了機(jī)組發(fā)電煤耗，有利于提高企業(yè)的市場競爭力。

2.2 張掖電廠325MW機(jī)組低壓缸零出力改造后性能指標(biāo)

采用低壓缸零出力技術(shù)對單臺汽輪機(jī)提升供熱能力改造后，單臺汽輪機(jī)供熱能力大幅度提升，與改造前最大供熱抽汽量400t/h相比較，單臺汽輪機(jī)改造后最大供熱抽汽量提升至610t/h以上，增加供熱能力提高約154MW，同時(shí)在供熱季供熱抽汽量不變的前提下，電調(diào)峰能力增加110MW，實(shí)現(xiàn)供暖季深度調(diào)峰需求。

2.3 張掖電廠325MW機(jī)組低壓缸零出力改造后效益分析

“低壓缸零出力改造技術(shù)”在單臺機(jī)組得到了成功應(yīng)用，技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。綜合收益包含增加供熱量收益及減少冷源損失節(jié)煤收益兩部分。單臺機(jī)組低壓缸零出力改造完畢后，采暖季低壓缸零出力一個(gè)采暖季運(yùn)行小時(shí)數(shù)按照800小時(shí)計(jì)算，減少低壓缸排汽量約150t/h，節(jié)約標(biāo)煤量9826噸/年（150×2400×800/29308=9826噸/年），標(biāo) 煤 單價(jià)536.2元/噸，一個(gè)采暖季節(jié)煤收益為526萬元。增加供熱抽汽量180t/h，一個(gè)采暖季增加供熱量397061GJ（180×1000×800×（3092-334）×10-6=397061GJ），增加供熱收益112萬元。綜上單臺汽輪機(jī)低壓缸零出力改造完畢后年收益為638萬元，靜態(tài)投資回收期為1.65年。極大程度地提高了供熱機(jī)組電-熱能量解耦能力，改造后單臺機(jī)組供熱抽汽量可達(dá)610t/h，供熱能力極大提升且有效的降低了其最小技術(shù)出力，機(jī)組調(diào)峰深度達(dá)到了30%左右，滿足國家靈活性產(chǎn)業(yè)政策需求。單臺機(jī)組低壓缸零出力改造完成后，全年節(jié)約標(biāo)煤總量達(dá)到9826噸；減少CO2排放25559t；減少SO2排放減少383噸；減少NOX排放97t；減少粉塵排放1966噸。提升的供熱能力至少可以增加供熱面積200萬m2，加強(qiáng)了滿足日益增長的民生供熱需求的安全保障。

針對“低壓缸零出力改造技術(shù)”在東汽325MW抽凝機(jī)組上應(yīng)用開展了一系列針對性、適應(yīng)性的研究。諸如，冷卻蒸汽系統(tǒng)、本體安全監(jiān)測系統(tǒng)、真空系統(tǒng)改造和噴水減溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、低壓缸零出力狀態(tài)下主輔設(shè)備運(yùn)行特性等、安裝851mm末級葉片的低壓轉(zhuǎn)子末兩級葉片鼓風(fēng)特性等。研究成果對于同類機(jī)組低壓缸零出力改造具有指導(dǎo)意義和實(shí)踐意義。該技術(shù)應(yīng)用于燃煤火電機(jī)組，燃煤消耗和污染物排放有所降低，符合國家的節(jié)能減排國策，支撐了國家要求提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的產(chǎn)業(yè)政策，為破解新能源消納難題做出了貢獻(xiàn)，并加強(qiáng)了滿足日益增長的民生供熱需求的安全保障，社會效益明顯。

3 技術(shù)的創(chuàng)造性與先進(jìn)性

（1）針對東汽325MW抽凝機(jī)組，提出了低壓缸冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，掌握了包括葉片氣動特性、冷卻蒸汽參數(shù)、排汽壓力等影響冷卻蒸汽流量的主要關(guān)聯(lián)因素，確定了冷卻管徑、壁厚以及支撐跨距等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和流速、溫度等熱力參數(shù)，提出了低壓缸冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

（2）針對汽輪機(jī)低壓缸零出力運(yùn)行工況下低壓末端高真空運(yùn)行的技術(shù)要求，提出了低壓缸真空系統(tǒng)綜合治理方案。具體內(nèi)容包括：汽輪機(jī)真空系統(tǒng)及所有可能影響真空的負(fù)壓系統(tǒng)（如低壓缸本體及附件、低壓缸抽汽系統(tǒng)、凝汽器系統(tǒng)等）進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏，對檢查的漏點(diǎn)進(jìn)行治理；深度調(diào)研和對比各種低壓缸端部汽封優(yōu)缺點(diǎn)，選用接觸式汽封降低低壓缸端部汽封泄漏量；增設(shè)一臺羅茨——水環(huán)真空泵組，在顯著降低設(shè)備耗電率的同時(shí)，有效提升抽空氣設(shè)備極限抽吸能力，提高機(jī)組運(yùn)行真空度。

（3）針對低壓缸減溫水不完全閃蒸的小液滴在末級葉片的卷吸作用下對末級葉片出汽側(cè)形成水蝕的問題，提出末級葉片出汽邊防水蝕措施，降低了排汽大渦流卷吸濕蒸汽對末級葉片的危害。

（4）針對東汽325MW抽凝汽輪機(jī)低壓缸特點(diǎn)，創(chuàng)造性提出監(jiān)測系統(tǒng)上、下缸分區(qū)布置的低壓缸鼓風(fēng)區(qū)溫度監(jiān)測控制方案，從而更真實(shí)反映低壓缸溫度場變化，提升低壓缸末級葉片安全運(yùn)行的可靠性，同時(shí)便于后期運(yùn)行維護(hù)。

（5）輔機(jī)設(shè)備高效節(jié)能運(yùn)行研究。針對低壓缸零出力運(yùn)行模式下，受給水泵密封水壓力限制凝結(jié)水泵無法深度變頻運(yùn)行問題，提出增加給水泵密封水升壓泵（功率20kW，變頻運(yùn)行），在凝結(jié)水泵深度變頻運(yùn)行時(shí)開啟升壓泵滿足給水泵密封水壓力要求，實(shí)現(xiàn)在低壓缸零出力時(shí)凝結(jié)水泵更加節(jié)能。

（6）提出了低壓缸零出力狀態(tài)下控制系統(tǒng)無擾切換策略，開發(fā)了低壓缸零出力控制模塊，保證了機(jī)組在常規(guī)抽汽供熱和低壓缸零出力運(yùn)行兩種狀態(tài)下的平穩(wěn)切換。

（7）開展東汽325MW汽輪機(jī)低壓末兩級葉片鼓風(fēng)特性試驗(yàn)研究，得出了葉片鼓風(fēng)與凝汽器真空、冷卻蒸汽流量、冷卻蒸汽溫度等邊界參數(shù)的定量關(guān)系，為低壓缸零出力運(yùn)行工況的投入/調(diào)整/切除及優(yōu)化運(yùn)行提供了技術(shù)支撐，同時(shí)可為同類機(jī)組改造提供參考。

該技術(shù)從火電供熱機(jī)組提升靈活性需求出發(fā)，在技改技術(shù)路線、成套方案、末級葉片保護(hù)、變工況無擾投切控制和特性試驗(yàn)等方面開展了研究，順利完成東汽325MW抽凝汽輪機(jī)低壓缸零出力工程應(yīng)用，該技術(shù)居國際先進(jìn)水平。

4 技術(shù)的成熟程度，適用范圍和安全性

4.1 技術(shù)研究成熟程度

供熱機(jī)組進(jìn)行“汽輪機(jī)低壓缸零出力改造技術(shù)”改造后，隨著進(jìn)汽流量的進(jìn)一步降低，在汽輪機(jī)低壓通流區(qū)域的流動形態(tài)將發(fā)生改變，氣流將不再推動葉片做功，而會以惰性形態(tài)被動葉扇動排擠出葉片通道，這便是鼓風(fēng)現(xiàn)象。鼓風(fēng)摩擦現(xiàn)象會導(dǎo)致汽輪機(jī)葉柵通道局部出現(xiàn)高溫區(qū)域，嚴(yán)重者將使得內(nèi)缸受熱變形，影響轉(zhuǎn)靜部件中心一致性，進(jìn)而會威脅到機(jī)組的安全運(yùn)行。

采用CFD分析和強(qiáng)度分析的方法，建立小容積流量下汽輪機(jī)長葉片鼓風(fēng)態(tài)流場下氣動強(qiáng)度特性的流-熱-固多物理場耦合模型。首先，采用CFD方法中的共軛傳熱模塊對系統(tǒng)進(jìn)行流固耦合傳熱分析，得到長葉片部件溫度、壓力分布。該方法的優(yōu)勢在于計(jì)算流場的同時(shí)考慮了蒸汽和固體部件之間的流動換熱以及固體內(nèi)部導(dǎo)熱作用，因此能夠直觀獲得更加準(zhǔn)確的長葉片部件的溫度、壓力分布。其次，通過軟件之間的數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)不同模型表面之間溫度的精確傳遞，將傳熱分析得到的固體表面溫度傳遞到有限元模型對應(yīng)表面作為載荷進(jìn)行熱分析，在求解得到部件整體溫度場的基礎(chǔ)上進(jìn)一步耦合結(jié)構(gòu)分析可以得到熱應(yīng)力分布。傳遞耦合傳熱分析得到的固體表面壓力分布并添加轉(zhuǎn)速以分別考慮汽流力和離心力的作用，最終可以獲得綜合等效應(yīng)力分布。經(jīng)過核算低壓缸零出力供熱工況下葉片的最大動應(yīng)力小于設(shè)計(jì)工況，該機(jī)組低壓缸零出力供熱工況下葉片的動強(qiáng)度滿足制造廠設(shè)計(jì)規(guī)范。

4.2 低壓缸零出力技術(shù)適用范圍

我國風(fēng)電、光伏等新能源電力裝機(jī)容量持續(xù)快速增長，具有明顯的資源地域性，主要集中在風(fēng)、光資源較好的“三北”地區(qū)，為了降低新能源電源出現(xiàn)大面積棄風(fēng)棄光，配套新能源電源升降發(fā)電負(fù)荷，亟須提高火力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行靈活性，同時(shí)供熱機(jī)組受限于供熱負(fù)荷的約束，在采暖季無法實(shí)現(xiàn)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行，不能滿足新能源電源的運(yùn)行要求。采用“汽輪機(jī)低壓缸零出力改造技術(shù)”能夠提高機(jī)組供熱能力和電調(diào)峰能力，降低機(jī)組發(fā)電煤耗率，機(jī)組供熱期運(yùn)行范圍大大增加。因此，采用低壓缸零出力技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)供熱機(jī)組在滿足供熱負(fù)荷需求的情況下，提升供熱機(jī)組的調(diào)峰能力。

4.3 低壓缸零出力技術(shù)安全性

通過全廠汽水參數(shù)熱力平衡計(jì)算與汽輪機(jī)低壓通流區(qū)域氣動強(qiáng)度分析相結(jié)合的技術(shù)手段，研究小容積流量下低壓缸的安全問題，指出了通流區(qū)湍流渦動耗散高溫危險(xiǎn)位置，并進(jìn)行了高溫預(yù)警監(jiān)測，通過優(yōu)化低壓缸噴水減溫系統(tǒng)，解決了鼓風(fēng)高溫帶來了安全問題，并在供熱機(jī)組上進(jìn)行了工程應(yīng)用，驗(yàn)證了改造后長葉片通流區(qū)的安全可靠性。

5 應(yīng)用情況及存在的問題

本次改造實(shí)現(xiàn)了低壓缸零出力在東汽325MW抽凝機(jī)組上的工程應(yīng)用，改造達(dá)到預(yù)期效果。需要指出的是，低壓缸零出力技術(shù)雖然能夠一定程度弱化供熱機(jī)組熱電耦合強(qiáng)度，提高機(jī)組的電調(diào)峰能力，但仍未完全實(shí)現(xiàn)供熱機(jī)組熱電解耦。對于具有進(jìn)一步調(diào)峰需求或完全熱電解耦需求的火電機(jī)組，則需要借助其他技術(shù)方案，達(dá)到改造目的。

6 結(jié)語

低壓缸“零出力”改造是近幾年在國內(nèi)開始應(yīng)用的新技術(shù)，低壓缸“零出力”改造后可以提高機(jī)組的供熱能力，增加機(jī)組的運(yùn)行靈活性，滿足機(jī)組深度調(diào)峰的需求，機(jī)組可以以抽凝背三種方式運(yùn)行，且可以靈活切換。改造可借鑒應(yīng)用于東方汽輪機(jī)、哈爾濱汽輪機(jī)和上海汽輪機(jī)等主要汽輪機(jī)主力機(jī)型，張掖電廠低壓缸零出力技術(shù)目前為省內(nèi)成功改造應(yīng)用，具有良好的節(jié)能效益、環(huán)保效益和社會效益，也將為電網(wǎng)大力發(fā)展新能源提供調(diào)峰調(diào)頻保障，進(jìn)一步為我國“碳達(dá)峰、碳中和”宏偉戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。