電網(wǎng)調(diào)峰背景下汽輪機(jī)低壓缸零出力技術(shù)現(xiàn)狀綜述

左啟堯，唐震，李慧勇，張穎，王江峰*

（1. 西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西省 西安市710049；2. 國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西省 太原市030001）

0 引言

隨著風(fēng)電、光伏電等清潔能源的飛速發(fā)展，電網(wǎng)對(duì)清潔能源的消納力度日益加大[1-3]。由于電力產(chǎn)能過(guò)剩而導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)峰的問(wèn)題十分突出，再加上傳統(tǒng)的“以熱定電”發(fā)電模式導(dǎo)致冬季采暖期電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)十分艱巨，棄風(fēng)、棄核、棄光情況愈加嚴(yán)重[4]。自2016年6 月以來(lái)，國(guó)家能源局陸續(xù)下發(fā)了一系列有關(guān)火電靈活性改造的政策，用以解決我國(guó)冬季電網(wǎng)調(diào)峰難題，整體提高我國(guó)冬季電網(wǎng)調(diào)峰能力并增大對(duì)清潔能源的消納量。

在此背景下，國(guó)內(nèi)研究人員提出了低壓缸零出力改造技術(shù)，也在在戰(zhàn)爭(zhēng)中被稱作切除低壓缸供熱技術(shù)，該技術(shù)在發(fā)展早期還被稱為汽輪機(jī)無(wú)/少蒸汽運(yùn)行技術(shù)。由于其他國(guó)家并沒(méi)有我國(guó)這樣的國(guó)情需求，故該技術(shù)的研究主要集中在國(guó)內(nèi)。

目前針對(duì)低壓缸零出力技術(shù)的研究較少，為此，本文從低壓缸零出力早期發(fā)展、現(xiàn)代技術(shù)體系發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用3 方面進(jìn)行總結(jié)，并指出需要解決的問(wèn)題，以期對(duì)該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考。

1 低壓缸零出力技術(shù)早期發(fā)展

1.1 低壓缸零出力技術(shù)在20世紀(jì)60年代的發(fā)展

早在20世紀(jì)60年代，就已經(jīng)出現(xiàn)了有關(guān)低壓缸零出力技術(shù)探索，此時(shí)電廠發(fā)電機(jī)組并未像現(xiàn)在這樣針對(duì)不同參數(shù)蒸汽而分為很多缸，就是一臺(tái)機(jī)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

該技術(shù)起源于蘇聯(lián)，早在1955年以前，蘇聯(lián)已有針對(duì)軸流式汽輪機(jī)的無(wú)蒸汽運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，而后國(guó)內(nèi)研究人員引入該技術(shù)。此時(shí)的研究方法主要是實(shí)驗(yàn)研究，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證汽輪機(jī)無(wú)/少蒸汽運(yùn)行技術(shù)的可行性，用以解決汽輪機(jī)的防腐問(wèn)題，同時(shí)提高機(jī)組靈活性和電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性，并沒(méi)有提到使用抽出的蒸汽用于供暖。

國(guó)內(nèi)最早的相關(guān)研究是，1957年王允興[5]對(duì)5臺(tái)輻流式汽輪機(jī)進(jìn)行了改造實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中針對(duì)可能發(fā)生過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)的汽封處進(jìn)行了特別監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，雖然汽封處溫度相對(duì)排汽較高，但對(duì)比帶負(fù)荷時(shí)仍較低，并且機(jī)組并未發(fā)生異常振動(dòng)。1959年，顧榮芳[6]用一臺(tái)英國(guó)茂偉型汽輪機(jī)也進(jìn)行了改造實(shí)驗(yàn)。此機(jī)組高壓側(cè)采用的是水封技術(shù)，本身就具有降溫能力，故實(shí)驗(yàn)中未通入冷卻蒸汽，機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)、壁溫均在正常范圍內(nèi)。

早期研究的實(shí)驗(yàn)機(jī)組運(yùn)行均安全可靠，初步證明無(wú)蒸汽運(yùn)行方案是安全可行的，機(jī)組并不需要規(guī)定機(jī)組的最低功率，可以妥善解決備用汽輪機(jī)的防腐問(wèn)題，還能提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性。

1.2 低壓缸零出力技術(shù)在20世紀(jì)80年代的發(fā)展

到了20 世紀(jì)80年代，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速崛起，能源需求量大大增加，電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差也隨之日益增大，如何做好調(diào)峰工作被提上日程。這個(gè)階段的研究也主要是實(shí)驗(yàn)研究，并且此時(shí)該技術(shù)也沒(méi)有用于加強(qiáng)機(jī)組供暖能力。與20世紀(jì)60年代不同的是，此時(shí)研究人員除了解決機(jī)組防腐問(wèn)題以外，還想加強(qiáng)機(jī)組調(diào)峰能力，減少機(jī)組啟停次數(shù)以延長(zhǎng)機(jī)組壽命。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也都證明使用無(wú)/少蒸汽運(yùn)行技術(shù)能達(dá)到上述目的。

王可輝等[7]對(duì)雞西發(fā)電廠5 號(hào)機(jī)組(31-25-2型)，李金榮[8]對(duì)一臺(tái)背壓機(jī)組，進(jìn)行了改造并進(jìn)行了無(wú)蒸汽運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：少蒸汽運(yùn)行作為電力系統(tǒng)調(diào)峰的運(yùn)行方式是切實(shí)可行的，機(jī)組的主要參數(shù)均在規(guī)定范圍內(nèi)。但需注意不能頻繁切換工作模式，因?yàn)槟承┎考袚Q時(shí)金屬溫度的升溫、降溫率有可能超過(guò)規(guī)定值，會(huì)在一定程度影響機(jī)組壽命。

徐奇煥[9]對(duì)母管制調(diào)峰機(jī)組無(wú)蒸汽運(yùn)行進(jìn)行了可行性分析。提出了具體的無(wú)蒸汽運(yùn)行母管制機(jī)組的必備技術(shù)條件：冷卻汽管、軸封聯(lián)絡(luò)汽管、噴水減溫裝置、并聯(lián)凝結(jié)水系統(tǒng)以及增設(shè)檢測(cè)儀表。這為后來(lái)的低壓缸改造實(shí)驗(yàn)研究提供了重要指導(dǎo)。

這個(gè)階段使用該技術(shù)僅僅是為了在不需要做功或者系統(tǒng)其他部分出現(xiàn)問(wèn)題需要檢修時(shí)，讓汽輪機(jī)保持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)避免停機(jī)，實(shí)際上僅僅相當(dāng)于機(jī)組暫時(shí)停用。但這需要額外蒸汽和電力使其運(yùn)轉(zhuǎn)，故雖對(duì)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性有所提升，但是會(huì)對(duì)電廠的經(jīng)濟(jì)性有所影響。

2 現(xiàn)代低壓缸零出力技術(shù)理論發(fā)展

自2016年以來(lái)，國(guó)家能源局陸續(xù)出臺(tái)了一系列關(guān)于火電靈活性改造方面的政策，用以解決我國(guó)冬季電網(wǎng)調(diào)峰難題，同時(shí)提高電網(wǎng)對(duì)新能源的消納能力，各大發(fā)電集團(tuán)紛紛響應(yīng)。尤其對(duì)于北方大型抽凝供熱機(jī)組，首先，冬季供熱面積不斷增加，機(jī)組供暖能力需要提高；其次，我國(guó)新能源發(fā)展迅猛，需要降低火電機(jī)組發(fā)電能力，以此降低棄風(fēng)棄光率。在2017年，首臺(tái)機(jī)組經(jīng)改造后成功運(yùn)行，因此，汽輪機(jī)低壓缸零出力技術(shù)逐漸受到各方關(guān)注。

2.1 低壓缸零出力技術(shù)基礎(chǔ)理論研究

許多學(xué)者對(duì)壓缸零出力技術(shù)進(jìn)行了理論探索，目的是驗(yàn)證低壓缸零出力技術(shù)應(yīng)用在大功率機(jī)組上的可行性。

該技術(shù)首先將低壓缸抽至高度真空，并配合使用全密封閥門將低壓缸原進(jìn)汽管道切斷，終止低壓缸進(jìn)汽，讓低壓缸保持空轉(zhuǎn)狀態(tài)，不帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，以此實(shí)現(xiàn)低壓缸電負(fù)荷為零。并且原本流入低壓缸的蒸汽被直接用于對(duì)熱網(wǎng)供熱，供熱能力得到極大提高。與此同時(shí)，汽缸溫度會(huì)因?yàn)榈蛪焊卓辙D(zhuǎn)產(chǎn)生鼓風(fēng)熱量而升高，為保證低壓缸安全，需要新增旁路管道，將冷卻蒸汽通入低壓缸，降低低壓缸溫度，保證機(jī)組安全運(yùn)行。除此之外，電廠的凝結(jié)水、循環(huán)水等系統(tǒng)均不需要改造，極大降低改造成本和縮短改造時(shí)間。

研究人員采用Ebsilon等軟件建立了低壓缸零出力熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模型，采用變工況熱力計(jì)算方法、經(jīng)濟(jì)性分析、能量利用分析等多種方法對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果表明：低壓缸零出力技術(shù)在大幅降低機(jī)組電負(fù)荷的同時(shí)，還能使機(jī)組的供熱量增大，以此提高機(jī)組在冬季的調(diào)峰能力，產(chǎn)生巨大節(jié)能效益，并且改造成本低。再結(jié)合國(guó)家電價(jià)補(bǔ)償政策，還能讓電廠效益最大化，綜合以上優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)具有十分廣闊的應(yīng)用前景[10-18]。

針對(duì)某330 MW亞臨界機(jī)組，通過(guò)計(jì)算得出，機(jī)組最小進(jìn)汽工況下輸出功率為175 MW，發(fā)電負(fù)荷率為52.5%，而經(jīng)過(guò)改造以后，機(jī)組零出力工況下輸出功率為131 MW，發(fā)電負(fù)荷率降低為39.3%，大大提升了機(jī)組調(diào)峰靈活性[11]。針對(duì)某350 MW 機(jī)組，經(jīng)改造，不僅可以使發(fā)電功率降低90 MW，還能有效降低煤耗[12]。針對(duì)某三排汽汽輪機(jī)機(jī)組，在發(fā)電量為200 MW 的情況下，改造前最大熱電比為1.278，改造后最大熱電比大幅提升到2.385[14]。針對(duì)某300 MW 供熱機(jī)組，文獻(xiàn)[16]研究了供熱負(fù)荷以及標(biāo)煤價(jià)格變動(dòng)對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益的影響，結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)改造后，機(jī)組調(diào)峰能力大幅增加，熱電比從1.72 提高至2.47，但運(yùn)行調(diào)峰損失電量補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)需達(dá)到0.15元/(kW?h)才能保證繼續(xù)運(yùn)行的效益，并且標(biāo)煤價(jià)格越低，調(diào)峰損失電量補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)也就越低。

典型低壓缸零出力供熱技術(shù)改造圖如圖1 所示[13]。僅僅是在低壓缸與中壓缸之間增加了冷卻旁路管道及閥門，在原低壓缸進(jìn)汽管道上增加了關(guān)斷蝶閥而已，改造十分簡(jiǎn)單，改造成本低。

圖1 典型低壓缸零出力供熱技術(shù)改造圖Fig.1 Typical low-pressure cylinder zero-output heating technology transformation diagram

工質(zhì)進(jìn)入鍋爐加熱蒸發(fā)并且提高參數(shù)，然后高參數(shù)蒸汽首先進(jìn)入高壓缸做功，完成第1 次做功的高壓缸出汽重新回到鍋爐進(jìn)行再熱，再熱蒸汽之后進(jìn)入中壓缸進(jìn)行第2 次做功。改造前的中壓缸出汽分2股，分別進(jìn)入低壓缸進(jìn)行第3次做功和抽出進(jìn)入熱網(wǎng)用于供暖。此時(shí)電熱負(fù)荷相互耦合，并且一般情況下是以熱定電，這種工況下的機(jī)組調(diào)峰能力十分有限。

經(jīng)改造后，增加了低壓缸冷卻旁路，機(jī)組能進(jìn)入零出力運(yùn)行工況。正常工況下低壓缸關(guān)斷蝶閥打開(kāi)，旁路關(guān)斷閥關(guān)閉，機(jī)組既發(fā)電又供熱；零出力工況下，低壓缸關(guān)斷蝶閥關(guān)閉，冷卻旁路關(guān)斷閥打開(kāi)，旁路調(diào)節(jié)閥可以調(diào)節(jié)冷卻蒸汽流量大小，而剩余絕大部分蒸汽全部進(jìn)入熱網(wǎng)用于供暖，此時(shí)低壓缸出力為零，機(jī)組不發(fā)電，供暖能力劇增，機(jī)組調(diào)峰能力得到大幅增強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，王建勛[17]還研究了背壓對(duì)零出力機(jī)組的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)降低背壓有利于增大低壓缸流量、提高機(jī)組安全性。

學(xué)者們[19-20]使用Ebsilon 軟件建立了針對(duì)某330 MW機(jī)組和某320 MW機(jī)組零出力改造前后的熱力計(jì)算模型。計(jì)算結(jié)果表明：在零出力工況下，對(duì)于330 MW機(jī)組，機(jī)組熱電比增加了75.8%，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率降低了54.5 g/(kW?h)，一個(gè)供熱期可節(jié)煤4.33萬(wàn)t；在主汽量相同的情況下，改造后供熱能力提升172.1 MW，供熱能力增加了52%，有效提升了機(jī)組調(diào)峰能力。對(duì)于320 MW 機(jī)組，最大抽汽量提升了97%，每年可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約5500 t。

2.2 低壓缸零出力關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展情況

以上理論分析得出低壓缸零出力技術(shù)有眾多優(yōu)點(diǎn)，也提出了很多注意事項(xiàng)，但是在具體改造過(guò)程中，仍然有很多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題需要解決。學(xué)者們針對(duì)低壓缸改造過(guò)程中出現(xiàn)的各種實(shí)際問(wèn)題提出了眾多解決方案，并且關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題主要集中在葉片保護(hù)方案、低壓缸冷卻方案、低壓缸閥門控制方案、復(fù)雜機(jī)組改造等，低壓缸零出力技術(shù)體系已經(jīng)得到初步發(fā)展。這些工作為今后的低壓缸改造實(shí)踐奠定了理論基礎(chǔ)。

2.2.1 葉片保護(hù)方案

對(duì)機(jī)組而言，安全問(wèn)題永遠(yuǎn)是重中之重，而安全問(wèn)題首先就要考慮在進(jìn)行低壓缸改造后，葉片能否安全運(yùn)行。低壓缸在工質(zhì)流量很小的情況下容易發(fā)生水蝕，原因是缸內(nèi)汽流會(huì)在末級(jí)及次末級(jí)出現(xiàn)氣流脫離，形成倒渦流區(qū)，長(zhǎng)期沖刷會(huì)導(dǎo)致葉片水蝕，同時(shí)形成渦流還會(huì)導(dǎo)致自激震顫，即葉片失速震顫，使葉片動(dòng)應(yīng)力增大，進(jìn)而發(fā)生危險(xiǎn)[13]。

學(xué)者們采用多種方法對(duì)低壓缸葉片進(jìn)行了研究，并在提出了讓葉片持久安全平穩(wěn)運(yùn)行的方案[21-25]。模擬結(jié)果表明：當(dāng)流量小于30%之后，末級(jí)動(dòng)葉片開(kāi)始出現(xiàn)分離區(qū)；流量小于23%之后，末級(jí)葉片進(jìn)入鼓風(fēng)狀態(tài)，流場(chǎng)溫度開(kāi)始升高；繼續(xù)降低流量，當(dāng)流量減到5%時(shí)，靜葉葉頂出氣邊附近出現(xiàn)溫度極大值，達(dá)到342 ℃[17]。

提高改造安全性的要點(diǎn)如下：

首先，應(yīng)關(guān)注葉片動(dòng)應(yīng)力，改造前需要計(jì)算末級(jí)葉片所承受的動(dòng)應(yīng)力，除了計(jì)算在設(shè)計(jì)工況和零出力工況下的受力情況，還需要注意在切換過(guò)程中葉片是否發(fā)生共振，所受動(dòng)應(yīng)力是否超過(guò)葉片承受能力。為此，需要嚴(yán)格控制切換時(shí)間，盡量減少切換次數(shù)，增加監(jiān)控測(cè)點(diǎn)，并加強(qiáng)對(duì)末級(jí)葉片的維護(hù)和更換。

其次，由于葉片溫度將升高，原廠設(shè)計(jì)的徑向通流間隙可能不再適用，要重新計(jì)算并調(diào)整動(dòng)靜葉片間隙，重點(diǎn)在末級(jí)和次末級(jí)葉片[17]，以此避免由于鼓風(fēng)導(dǎo)致的溫度升高從而導(dǎo)致的動(dòng)靜葉碰磨。

再次，要采用高效去濕裝置或其他方法提高低壓缸內(nèi)蒸汽干度，盡量避免低壓缸末級(jí)葉片水蝕，例如，在末級(jí)葉片上噴涂防水蝕涂層，優(yōu)化噴水裝置的控制邏輯，避免過(guò)量噴水，使用霧化效果更好的噴水減溫裝置，使用改進(jìn)的導(dǎo)流環(huán)結(jié)構(gòu)和雙路噴水系統(tǒng)[25]，使用噴射泵[26]提升缸內(nèi)干度等。

最后，針對(duì)零出力工況和切換過(guò)程中容易出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，還需要設(shè)計(jì)合適的控制系統(tǒng)和安保系統(tǒng)，保證機(jī)組葉片安全平穩(wěn)運(yùn)行。

2.2.2 低壓缸冷卻方案

除了葉片必須安全運(yùn)行以外，由于低壓缸空轉(zhuǎn)，低壓缸溫度將會(huì)升高，故還需保證低壓缸溫度不能過(guò)高，否則也會(huì)影響機(jī)組安全性，并且若直接使用中壓缸出汽冷卻低壓缸，會(huì)導(dǎo)致大量冷源損失，因此需要完善低壓缸的冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要在滿足冷卻需求的情況下，盡可能減少能量損失，在提高電廠效益的同時(shí)也能為節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。

黃嘉駟等[27]提出了一種針對(duì)供熱機(jī)組低壓缸零出力工況下的新型低壓缸冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用中壓缸出汽的能量將凝汽器中的凝結(jié)水閃蒸轉(zhuǎn)化為低溫低壓蒸汽，然后用該低溫低壓蒸汽冷卻低壓缸，該系統(tǒng)能穩(wěn)定控制汽源參數(shù)，節(jié)約能量并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性極強(qiáng)。

而針對(duì)中壓缸的排汽參數(shù)較高，直接用作低壓缸冷卻蒸汽時(shí)無(wú)法有效做功，造成大量高溫高參數(shù)蒸汽做功能力損失的問(wèn)題，劉學(xué)亮等[28]提出了一種新型低壓缸零出力蒸汽冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用冷卻蒸汽與蒸汽壓力無(wú)關(guān)的特點(diǎn)，通過(guò)壓力匹配器引射給水泵驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)乏汽，將乏汽壓力提高后通入低壓缸，作為冷卻蒸汽，減少了高溫高壓蒸汽的使用量，降低了機(jī)組整體冷源損失，提升了機(jī)組整體經(jīng)濟(jì)性，并可以靈活控制冷卻蒸汽流量。

2.2.3 低壓缸閥門控制方案

在保證了低壓缸安全運(yùn)行后，需要考慮的就是如何控制低壓缸進(jìn)汽閥門，使低壓缸得到足夠冷卻，節(jié)約能量的同時(shí)讓機(jī)組能在正常運(yùn)行工況和低壓缸零出力工況之間自由切換。

對(duì)此，針對(duì)某600 MW 熱電聯(lián)供機(jī)組，孫良環(huán)[29]提出了零出力改造后低壓缸閥門的控制策略：為了實(shí)現(xiàn)只切除一個(gè)低壓缸，設(shè)置了額外的控制蝶閥，并入機(jī)組汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(digital electro-hydraulic control system，DEH)中；為滿足機(jī)組的緊急停機(jī)需求，還設(shè)置了能快速反應(yīng)的液動(dòng)關(guān)閉閥，并入機(jī)組的分散控制系統(tǒng)(distribute control system，DCS)中。該策略為以后大規(guī)模改造的控制問(wèn)題提供了指導(dǎo)。

2.2.4 復(fù)雜機(jī)組改造

實(shí)際的供熱電站中，汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)并不單一，針對(duì)不同的汽缸布置方案，需要有相匹配的低壓缸改造方案，讓低壓缸零出力技術(shù)能真正大規(guī)模投用以造福社會(huì)。學(xué)者們針對(duì)不同類型的供熱機(jī)組進(jìn)行了研究。

為進(jìn)行雙背壓供熱機(jī)組零出力改造，程?hào)|濤等[30]提出了一種針對(duì)雙背壓機(jī)組改造方法。該方法是在機(jī)組2個(gè)低壓缸上分別設(shè)置2組控制閥門和獨(dú)立冷卻系統(tǒng)，可以視情況讓2 個(gè)缸單獨(dú)或同時(shí)零出力運(yùn)行，并能隨時(shí)切換，改造后可大幅增強(qiáng)機(jī)組供熱能力，使機(jī)組靈活性大大增強(qiáng)。

為解決不同機(jī)組的改造問(wèn)題，例如針對(duì)雙排汽200 MW，三排汽200、600 MW 雙低壓缸熱電聯(lián)供機(jī)組等，學(xué)者們提出了與機(jī)組結(jié)構(gòu)相匹配零出力改造方案[31-34]，用以緩解熱電聯(lián)供機(jī)組熱電負(fù)荷不匹配的矛盾，提高高品質(zhì)能源的利用率。這些系統(tǒng)兼具成本低、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，能有效解決針對(duì)汽輪機(jī)組日益增長(zhǎng)的供熱需求與機(jī)組結(jié)構(gòu)限制相矛盾的現(xiàn)狀。并且在供暖需求量較大的區(qū)域，可以將中壓缸和低壓缸進(jìn)行聯(lián)合零出力改造，以獲得更大的最大供熱負(fù)荷和更低的最小電負(fù)荷，使機(jī)組調(diào)峰能力得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

針對(duì)四分流雙低壓缸的低壓缸零出力運(yùn)行控制及保護(hù)方案的空缺，趙衛(wèi)軍等[35]提出了一種雙低壓缸機(jī)組低壓缸零出力改造后的控制及保護(hù)方案。該方案提供的保護(hù)方法是對(duì)所有測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并經(jīng)DEH控制系統(tǒng)對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)之后，能夠控制相應(yīng)的閥門不同開(kāi)度，以實(shí)現(xiàn)2 個(gè)低壓缸分別或同時(shí)投入/退出低壓缸零出力穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

3 現(xiàn)代低壓缸零出力技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

隨著我國(guó)調(diào)峰要求日益增高，各發(fā)電集團(tuán)希望更快將低壓缸零出力技術(shù)投入使用。在投產(chǎn)前，研究人員在某些電廠機(jī)組上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)[35-42]，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，為后續(xù)大規(guī)模投產(chǎn)提供寶貴參考。

陳建國(guó)等[36]針對(duì)300 MW 機(jī)組進(jìn)行了零出力改造研究。實(shí)施改造后，研究人員通過(guò)多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)措施保證了機(jī)組運(yùn)行安全性。首先，完善監(jiān)控測(cè)點(diǎn)并將測(cè)點(diǎn)全部并入DCS系統(tǒng)；其次，對(duì)低壓缸末級(jí)葉片噴涂耐磨涂層，保證涂層均勻致密；再次，為了維持汽缸高真空，增設(shè)了一臺(tái)射汽式真空泵；最后，配置了新的低壓缸冷卻系統(tǒng)，嚴(yán)格控制冷卻蒸汽的各項(xiàng)參數(shù)。相比于改造前鍋爐最小出力工況，在保證對(duì)熱負(fù)荷不變的情況下，經(jīng)改造后可使機(jī)組發(fā)電功率大幅下降，下降幅度約90 MW，供暖能力大幅上升，每小時(shí)采暖抽汽流量提高約185 t。機(jī)組調(diào)峰能力大大增強(qiáng)，并且經(jīng)計(jì)算，改造后電廠機(jī)組煤耗減少約70 g/(kW?h)，每年收入增加約1300萬(wàn)元。

劉勇等人[37]在華能上安電廠#3 號(hào)330 MW 亞臨界濕冷機(jī)組上進(jìn)行了零出力改造實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前，先對(duì)機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行核算，尤其是切缸瞬間的各項(xiàng)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，低壓缸末級(jí)溫度可以通過(guò)減溫水有效控制，軸向位移、軸、瓦振動(dòng)參數(shù)未發(fā)生顯著改變，機(jī)組輸出功率能降低到100 MW。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，改造后機(jī)組在多種工況下均能安全平穩(wěn)運(yùn)行，機(jī)組隨時(shí)可以切換到零出力工況投用，低壓缸參數(shù)變化均在可控范圍內(nèi)，尤其是振動(dòng)相關(guān)參數(shù)基本不隨低壓缸排汽壓力變化而變化。

曲大雷等[38]針對(duì)某發(fā)電公司2臺(tái)350 MW亞臨界燃煤機(jī)組進(jìn)行了低壓缸零出力運(yùn)行應(yīng)用研究。實(shí)驗(yàn)前先對(duì)低壓缸葉片強(qiáng)度進(jìn)行了校核，結(jié)果表明，零出力運(yùn)行期間可能存在的葉片應(yīng)力超標(biāo)、震顫、水蝕等都是可控的。并且完善了機(jī)組的檢測(cè)系統(tǒng)、優(yōu)化了控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在對(duì)外供熱負(fù)荷不變的前提下，與鍋爐最小處理工況相比，低壓缸零出力工況可降低發(fā)電功率約90 MW，電負(fù)荷出力系數(shù)能降低約26%，大大提高了機(jī)組調(diào)峰能力，具體參數(shù)對(duì)比如表1 所示。并且項(xiàng)目施工工期經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)整可降低至18 d 以內(nèi)，投資小，見(jiàn)效快。在機(jī)組零出力運(yùn)行450 h之后，通過(guò)解體低壓缸發(fā)現(xiàn)，低壓葉片并無(wú)異常。作者認(rèn)為，低壓缸零出力運(yùn)行從低負(fù)荷到頂尖峰靈活切換是滿足電網(wǎng)調(diào)度要求的最佳運(yùn)行方式。

表1 某350 MW機(jī)組不同工況下定供熱負(fù)荷調(diào)峰參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of constant heat supply inaccordance with peak regulation parameters of a 350 MW unit under different working conditions

2017年10 月，以遼寧東方發(fā)電有限公司1 號(hào)機(jī)組為改造對(duì)象(該機(jī)組是哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司制造的350 MW 亞臨界凝汽式汽輪機(jī))，通過(guò)實(shí)踐總結(jié)出改造工程前中后的經(jīng)驗(yàn)[39]。例如：機(jī)組停機(jī)冷卻后，檢查低壓缸噴水減溫裝置的噴頭是否堵塞，霧化效果是否良好，噴頭方向是否指向低壓缸排汽汽流方向；減溫水管道在低壓缸內(nèi)的走向是否有泄漏點(diǎn)；如果減溫水系統(tǒng)不需要改造，還要試驗(yàn)減溫水調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)是否滿足設(shè)計(jì)需要、系統(tǒng)隔離門是否嚴(yán)密；流量計(jì)前后保證足夠的管段長(zhǎng)度；施工階段仔細(xì)檢查低壓缸末級(jí)葉片，消除缺陷隱患；冷卻蒸汽管道法蘭螺栓選擇耐高溫的合金螺栓，保證足夠的緊力；關(guān)注低壓缸改造后系統(tǒng)內(nèi)各化學(xué)指標(biāo)的變化；切換運(yùn)行狀態(tài)的注意事項(xiàng)等。這些經(jīng)驗(yàn)對(duì)之后的低壓缸改造工程有重要的指導(dǎo)意義。

張繼文等[40]針對(duì)某135 MW 機(jī)組，比較了光軸改造技術(shù)和低壓缸零出力改造技術(shù)，發(fā)現(xiàn)零出力技術(shù)改造成本低，靈活性高，但可靠性稍低。不過(guò)通過(guò)安全性校核、噴水減溫和加涂耐磨涂層等手段，零出力改造安全性也得到了保證，最后選擇使用低壓缸零出力改造方案。實(shí)驗(yàn)改造了中低壓連接管道、供熱蝶閥，加裝了調(diào)節(jié)閥，完善了監(jiān)控測(cè)點(diǎn)，安裝了噴水減溫系統(tǒng)，對(duì)熱網(wǎng)水泵以及凝結(jié)水泵也進(jìn)行了改造。表2 為改造后不同額定工況下增加的供熱量和減少的煤耗量對(duì)比，表明了改造對(duì)機(jī)組的調(diào)峰能力提升十分顯著。

表2 某135 MW機(jī)組不同工況供熱量和煤耗量對(duì)比Tab.2 Comparison of heat supply and coal consumption of a 135 MW unit under different working conditions

史衛(wèi)剛等[41]針對(duì)某330 MW 機(jī)組，提出了具體改造方案：1）改造供熱蝶閥以及供熱管道，使其能夠滿足供熱需求；2）增設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，尤其是葉片的末級(jí)和次末級(jí)；3）對(duì)末兩級(jí)葉片噴涂耐磨涂層，防止水蝕發(fā)生；4）為低壓缸加裝冷卻蒸汽系統(tǒng)，帶走由于空轉(zhuǎn)產(chǎn)生的鼓風(fēng)熱量；5）為了增強(qiáng)降溫效果，為低壓缸加裝了噴水減溫裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，改造后的機(jī)組抽汽供熱能力大約增加了87 MW，在主蒸汽流量為400 t/h的情況下，發(fā)電功率可降低至80 MW，調(diào)峰能力提升顯著。

李文林[42]對(duì)寧夏西夏電廠2 臺(tái)機(jī)組的改造可能性進(jìn)行了理論分析，并實(shí)施行了改造。運(yùn)行中應(yīng)注意：若機(jī)組零出力運(yùn)行時(shí)關(guān)鍵參數(shù)異常，需及時(shí)回到正常運(yùn)行狀態(tài)；零出力運(yùn)行時(shí)，冷卻蒸汽流量應(yīng)保證大于10 t/h；在切換過(guò)程中需加強(qiáng)壓力監(jiān)視，防止超壓；長(zhǎng)期零出力運(yùn)行時(shí)，需保證循環(huán)水供水溫度不低于10 ℃；零出力運(yùn)行過(guò)程中必須嚴(yán)格監(jiān)視低壓缸溫度，防止因溫度過(guò)高而造成安全隱患。經(jīng)過(guò)改造后的機(jī)組供熱面積增加約180 萬(wàn)m2，發(fā)電煤耗率降低30～40 g/(kW?h)，約1.5年收回投資。

4 尚待解決的問(wèn)題

目前，我國(guó)電力產(chǎn)能過(guò)剩，隨著光電、風(fēng)電、核電等清潔能源消納力度加大，電網(wǎng)調(diào)峰需求日益增高，低壓缸零出力技術(shù)在調(diào)峰方面有顯著優(yōu)勢(shì)，但是未能大規(guī)模運(yùn)用推廣，主要有以下5 個(gè)問(wèn)題需要解決：

1）理論研究還未能與實(shí)際應(yīng)用完全匹配。理論研究多集中在單獨(dú)一個(gè)低壓缸上，而實(shí)際電廠中汽輪機(jī)配置方式多樣，情況復(fù)雜，雖然已經(jīng)有部分學(xué)者進(jìn)行了研究，但還不足以滿足實(shí)際需求，需要研究人員結(jié)合實(shí)際進(jìn)行方案改進(jìn)和優(yōu)化。

2）零出力工況與汽輪機(jī)設(shè)計(jì)工況不同。在每個(gè)缸實(shí)施切缸操作前，都需要對(duì)低壓葉片的安全性進(jìn)行校核，需要重點(diǎn)關(guān)注葉片動(dòng)應(yīng)力，還需要考慮葉片的水蝕和震顫問(wèn)題，保證改造后機(jī)組能安全平穩(wěn)運(yùn)行，計(jì)算復(fù)雜并且都需要實(shí)驗(yàn)。若能在設(shè)計(jì)階段就設(shè)計(jì)出在2 種工況下均能良好工作的葉片，便能使本技術(shù)更快更好投產(chǎn)。

3）附屬系統(tǒng)研究還未完善。在實(shí)際應(yīng)用中還有許多問(wèn)題，例如：控制系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)的匹配問(wèn)題。完善的附屬系統(tǒng)能讓機(jī)組更穩(wěn)定運(yùn)行，并能提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。對(duì)此，需要企業(yè)加強(qiáng)和研究機(jī)構(gòu)的合作，共同解決問(wèn)題。需要特別注意的是，當(dāng)電廠進(jìn)行了低壓缸零出力改造后，電廠供熱能力會(huì)大幅提升，當(dāng)熱負(fù)荷最大時(shí)，還需要考慮原本熱網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備是否能承受零出力情況下的負(fù)荷，這也是需要完善的輔助系統(tǒng)。

4）冷卻工質(zhì)選取。零出力工況下低壓缸的冷卻是保證機(jī)組安全運(yùn)行的關(guān)鍵，現(xiàn)在大部分使用的是蒸汽冷卻，有葉片水蝕的風(fēng)險(xiǎn)，是否可以采用別的工質(zhì)進(jìn)行冷以卻避免水蝕風(fēng)險(xiǎn)，還需要研究人員進(jìn)行進(jìn)一步探索。

5）結(jié)構(gòu)改進(jìn)。低壓缸葉片在經(jīng)過(guò)改造后會(huì)由于葉片空轉(zhuǎn)而產(chǎn)生可觀的鼓風(fēng)熱量，使低壓缸有超溫風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際上部分熱量被冷卻蒸汽帶走，但未進(jìn)行利用，可以探討將這部分蒸汽并入主汽的可能性(此時(shí)低壓缸起到預(yù)熱作用)，以進(jìn)一步提高電廠經(jīng)濟(jì)性、節(jié)約能源。

5 結(jié)論

隨著我國(guó)對(duì)清潔能源的消納力度加大，需要提升電網(wǎng)中火電機(jī)組的調(diào)峰能力，低壓缸零出力技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)過(guò)對(duì)前人研究的分析總結(jié)，得出如下結(jié)論：

1）低壓缸零出力技術(shù)作為一種電廠運(yùn)行方案，具有調(diào)峰能力顯著、改造成本低、經(jīng)濟(jì)性高的特點(diǎn)；

2）需要采用高效除濕裝置、控制葉片溫度、控制葉片應(yīng)力等方法保證葉片安全；

3）需要采用新型高效冷卻系統(tǒng)等方法保證低壓缸不超溫；

4）對(duì)于復(fù)雜的發(fā)電系統(tǒng)，可以定制有針對(duì)性的改造方案來(lái)采用低壓缸零出力技術(shù)，提升機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性等。