630 MW 汽輪機(jī)低壓缸零出力改造方案及試驗(yàn)效果

黃坤

（東方汽輪機(jī)有限公司 四川德陽(yáng) 618000）

0 引言

國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局印發(fā)的《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》 要求到2020 年全國(guó)火電裝機(jī)比重控制在55%以內(nèi)，未來(lái)我國(guó)煤電機(jī)組將會(huì)更多地受到來(lái)自可再生能源的挑戰(zhàn)，煤電行業(yè)勢(shì)必會(huì)將節(jié)能降耗、超低排放、靈活性及高效寬負(fù)荷運(yùn)行作為今后的重點(diǎn)研究和發(fā)展方向［1-2］。我國(guó)純凝機(jī)組的實(shí)際調(diào)峰能力一般約為50%的額定出力，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在供熱期“以熱定電”的最小出力則在60%～70%左右，和國(guó)外的先進(jìn)水平還是存在比較大的差距。例如丹麥火電機(jī)組基本上是抽凝機(jī)型，其在供熱期的最小出力可以達(dá)到15%～20%額定出力；德國(guó)純凝機(jī)組的最小技術(shù)出力能達(dá)到25%左右［3］。為消納更多的可再生能源，國(guó)內(nèi)火電機(jī)組更加靈活性地參與電力市場(chǎng)的需求顯得越來(lái)越迫切。

低壓缸零出力又稱“低壓缸切缸”，是通過(guò)近似隔斷低壓缸的進(jìn)汽使低壓缸接近“零功率”運(yùn)行的技術(shù)。由于低壓缸進(jìn)汽量很少，大部分蒸汽通過(guò)中排對(duì)外供熱，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)組的深度調(diào)峰。我國(guó)自2017 年臨河電廠300 MW 機(jī)組首次實(shí)施低壓缸零出力改造后，后續(xù)在遼寧東方、黃臺(tái)、新鄉(xiāng)等數(shù)臺(tái)300 MW機(jī)組上成功應(yīng)用［4］。本文對(duì)某電廠630 MW 雙低壓缸汽輪機(jī)低壓缸零出力改造項(xiàng)目的改造背景、改造方案及試驗(yàn)效果進(jìn)行了相關(guān)介紹、分析和總結(jié)，可供后續(xù)同類機(jī)型開(kāi)發(fā)作為借鑒與參考。

1 改造背景

300 MW 機(jī)組低壓缸零出力改造項(xiàng)目目前在國(guó)內(nèi)不少電廠都已經(jīng)得到實(shí)施，文獻(xiàn)［4-5］等也對(duì)改造的技術(shù)路線、改造方案等進(jìn)行了相關(guān)說(shuō)明。300 MW 機(jī)組一般只有一個(gè)低壓缸，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，采用一個(gè)可完全密封的液壓蝶閥切除低壓缸全部進(jìn)汽，同時(shí)設(shè)置單獨(dú)的冷卻蒸汽旁路通入少量的冷卻蒸汽以帶走低壓缸零出力運(yùn)行產(chǎn)生的鼓風(fēng)熱量，增設(shè)部分監(jiān)視及保護(hù)測(cè)點(diǎn)以及控制邏輯改造等，就可以實(shí)現(xiàn)低壓缸投入/退出低壓缸零出力運(yùn)行。圖1 為其熱力系統(tǒng)布置示意圖。

圖1 300 MW 汽輪機(jī)低壓缸零出力熱力系統(tǒng)布置示意圖

與300 MW 機(jī)組相比，630 MW 及以上等級(jí)機(jī)組一般配置有2 個(gè)低壓缸，其低壓缸切除工況運(yùn)行方式更加靈活、控制要求更高，相應(yīng)的系統(tǒng)配置及改造方案也將更加復(fù)雜。某電廠汽輪機(jī)型號(hào)為N630-24.2/566/566，為超臨界、單軸、三缸四排汽凝汽式汽輪機(jī)。為滿足工業(yè)用汽需求，投運(yùn)之后進(jìn)行了汽輪機(jī)本體中低壓連通管改造，每臺(tái)機(jī)組預(yù)留400 t/h 供汽能力。后來(lái)為滿足供熱市場(chǎng)進(jìn)一步需求。最大程度發(fā)揮機(jī)組供熱能力，經(jīng)對(duì)比多種供熱改造方案，最終采用提升供熱機(jī)組靈活性的低壓缸零出力技術(shù)對(duì)汽輪機(jī)實(shí)施低壓缸零出力供熱擴(kuò)容改造。

2 改造方案

2.1 總體方案

該630 MW 機(jī)組采用三缸四排汽布置，包含2 個(gè)低壓缸（低壓缸A 和低壓缸B），并且2 個(gè)低壓缸五段及六段回?zé)岢槠沁B通的。本次改造將2 個(gè)低壓缸的回?zé)岢槠M(jìn)行隔離，分別在中壓排汽口及B 低壓缸進(jìn)汽口布置可完全密封的液壓蝶閥，通過(guò)冷卻蒸汽旁路通入少量的冷卻蒸汽以帶走低壓缸零出力運(yùn)行產(chǎn)生的鼓風(fēng)熱量，即可實(shí)現(xiàn)B 低壓缸單獨(dú)以及2 個(gè)低壓缸同時(shí)投入或退出低壓缸零出力運(yùn)行，具體改造后的抽汽部分熱力系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖2。需要說(shuō)明的是，如果在2 個(gè)低壓缸進(jìn)口分別設(shè)置可完全密封的蝶閥，則可實(shí)現(xiàn)任意1 個(gè)以及2 個(gè)低壓缸都投入或退出低壓缸零出力運(yùn)行。

圖2 改造系統(tǒng)示意圖

改造后低壓缸零出力運(yùn)行的運(yùn)行模式簡(jiǎn)要描述如下。

（1）2 個(gè)低壓缸同時(shí)零出力運(yùn)行：關(guān)閉中壓排汽口的供熱蝶閥，開(kāi)啟低壓缸A 和低壓缸B 的冷卻蒸汽旁路，開(kāi)啟中排供熱抽汽閥門，在各項(xiàng)監(jiān)視參數(shù)正常的前提下，即可實(shí)現(xiàn)雙低壓缸零出力運(yùn)行。

（2）僅低壓缸B 零出力運(yùn)行：關(guān)閉低壓缸B 上的供熱蝶閥，開(kāi)啟低壓缸B 的冷卻蒸汽旁路，關(guān)閉低壓缸B 五、六段回?zé)岢槠Ч苌系碾妱?dòng)隔離閥；調(diào)整低壓缸A 上的供熱蝶閥的開(kāi)度（在最小開(kāi)度以上），保持低壓缸A 的冷卻蒸汽旁路關(guān)閉，在各項(xiàng)監(jiān)視參數(shù)正常的前提下，即可實(shí)現(xiàn)僅切除低壓缸B 零出力運(yùn)行。

改造后，機(jī)組THA 進(jìn)汽量下中排采暖抽汽量設(shè)計(jì)值將達(dá)到900 t/h 以上，供熱能力得到大幅提高。

2.2 改造方案要點(diǎn)

在零出力工況，低壓缸主要作用為傳遞高中壓缸的扭矩，實(shí)現(xiàn)低壓缸近“零”出力3 000 轉(zhuǎn)運(yùn)行，低壓末幾級(jí)將出現(xiàn)鼓風(fēng)升溫，造成通流設(shè)備的熱應(yīng)力變形及許用應(yīng)力降低；而蒸汽高速回流與冷卻噴水會(huì)造成葉根部位的水蝕，也會(huì)引起末幾級(jí)小容積流量下葉片的顫振問(wèn)題等等，這些將會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行安全及縮短機(jī)組使用壽命。本次改造針對(duì)上述問(wèn)題，分別制定了如下技術(shù)措施以保證機(jī)組切缸工況下的安全運(yùn)行。

（1）葉片安全性校核：對(duì)切缸運(yùn)行工況低壓末幾級(jí)葉片強(qiáng)度以及振動(dòng)特性進(jìn)行計(jì)算和分析。

（2）增設(shè)冷卻減溫蒸汽旁路：分別對(duì)2 個(gè)低壓缸增設(shè)獨(dú)立的冷卻蒸汽旁路管路，管路上設(shè)置噴水減溫器、汽水分離器、調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)等。旁路上設(shè)置冷卻蒸汽減溫的目的在于盡量降低零出力工況時(shí)低壓缸的進(jìn)汽溫度，以此來(lái)改善低壓末幾級(jí)的鼓風(fēng)發(fā)熱進(jìn)而減少低壓缸末級(jí)噴水，以免加重葉片水蝕。

（3）低壓缸監(jiān)視測(cè)點(diǎn)優(yōu)化：在機(jī)組低壓缸零出力運(yùn)行工況，因通流內(nèi)部的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)絮亂，為確保機(jī)組運(yùn)行安全，需對(duì)各相應(yīng)的溫度測(cè)點(diǎn)、壓力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化校準(zhǔn)。

（4）末級(jí)噴水系統(tǒng)優(yōu)化：優(yōu)化改造低壓缸排汽噴水減溫冷卻系統(tǒng)，如重新計(jì)算噴水流量、調(diào)整噴頭布置及數(shù)量、選用噴水霧化效果更好的噴頭等。同時(shí)，A 低壓缸噴水支路上增設(shè)截止閥，在單切B 缸時(shí)通過(guò)關(guān)閉該閥門來(lái)切斷A 低壓缸不必要的噴水。需要注意的是，低壓缸零出力運(yùn)行時(shí)，為控制低壓末級(jí)葉片溫度，末級(jí)噴水可能需要長(zhǎng)期投入，在小流量情況下流道中下部會(huì)形成回流漩渦，從而加重末級(jí)葉片的水蝕，不利于葉片安全運(yùn)行。通過(guò)在動(dòng)葉回流區(qū)噴涂耐磨涂層，可以大幅提高末葉的抗水蝕能力。

（5）控制及保護(hù)邏輯升級(jí)：控制系統(tǒng)及安保系統(tǒng)改造，包括單個(gè)低壓缸及兩個(gè)低壓缸投入及退出零出力的邏輯控制，以及零出力工況的各項(xiàng)保護(hù)限值等。

3 試驗(yàn)效果

改造完成后，機(jī)組截至目前分別進(jìn)行了切雙缸、單切B 缸試驗(yàn)，切缸后各項(xiàng)參數(shù)正常，總體效果良好。

3.1 切雙缸試驗(yàn)

切雙缸時(shí)，中排蝶閥1 全關(guān)，B 低壓缸蝶閥全開(kāi)，2 個(gè)低壓缸冷卻蒸汽旁路全開(kāi)（未投減溫水），低壓缸末級(jí)噴水全開(kāi)。本文選取了切缸前、后若干個(gè)時(shí)刻機(jī)組的相關(guān)參數(shù)，詳見(jiàn)表1。

表1 切雙缸前、后中低壓缸參數(shù)匯總表

本次切雙缸在切缸前、后，機(jī)組負(fù)荷下降值約20 MW 左右，切缸前后機(jī)組的振動(dòng)、瓦溫、脹差等運(yùn)行參數(shù)未出現(xiàn)較大波動(dòng)，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，切缸試驗(yàn)圓滿完成。試驗(yàn)總結(jié)如下：

（1）切缸后未投入排汽噴水減溫（后噴水）時(shí)，末級(jí)葉片溫度上升較多，試驗(yàn)中實(shí)際溫度為在50 ℃～60 ℃左右。

（2）投入低壓缸后噴水后，末級(jí)葉片溫度基本能控制在20 ℃～30 ℃，但后噴水對(duì)次末級(jí)葉片溫度的作用不大。從試驗(yàn)過(guò)程來(lái)看，次末級(jí)溫度呈緩慢上升趨勢(shì)，最高在105 ℃左右。

3.2 單切B 缸試驗(yàn)

單切B 缸時(shí)，B 低壓缸蝶閥全關(guān)，B 低壓缸冷卻蒸汽旁路全開(kāi)（未投減溫水），切缸前、后相關(guān)參數(shù)匯總見(jiàn)表2。

表2 單切B 缸前、后中低壓缸參數(shù)匯總表

本次單切B 缸在切缸前、后，機(jī)組負(fù)荷下降值約20 MW左右，切缸前后機(jī)組的振動(dòng)、瓦溫、脹差等運(yùn)行參數(shù)未出現(xiàn)較大波動(dòng)，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，切缸試驗(yàn)圓滿完成。試驗(yàn)總結(jié)如下：

（1）切缸投入低壓缸后噴水后，末級(jí)葉片溫度基本能控制在20 ℃～30 ℃，但后噴水對(duì)次末級(jí)葉片溫度的作用不大。從試驗(yàn)過(guò)程來(lái)看，次末級(jí)溫度呈緩慢上升趨勢(shì)，最高在105 ℃左右。

（2）切缸投入低壓缸后噴水后，也嘗試投入冷卻旁路噴水減溫（前噴水），B 缸進(jìn)口溫度相比中排降低60 ℃～80 ℃，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看效果有限，次末級(jí)溫度最高達(dá)到100 ℃左右。

4 結(jié)論

本文對(duì)630 MW 等級(jí)雙低壓缸汽輪機(jī)低壓缸零出力改造的改造方案、設(shè)計(jì)特點(diǎn)及試驗(yàn)效果進(jìn)行了介紹。總的來(lái)說(shuō)，低壓缸切缸能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度上的熱電解耦，通過(guò)低壓缸后噴水也能夠控制末級(jí)葉片溫度。由于切缸工況相比常規(guī)運(yùn)行條件復(fù)雜惡劣得多，對(duì)于汽輪機(jī)低壓缸零出力運(yùn)行，建議在零出力改造時(shí)注重如葉片安全校核、總體保護(hù)策略及控制邏輯，采用葉片抗水蝕保護(hù)、葉片安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等主動(dòng)保護(hù)措施，改造后按各項(xiàng)保護(hù)要求運(yùn)行，密切關(guān)注切缸工況各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)、定期進(jìn)行設(shè)備檢查及維護(hù)，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、保障機(jī)組可靠運(yùn)行。