四排汽及以上汽輪機(jī)提高調(diào)峰深度的方案研究

文圓圓，韋龍飛，米斌，張東連，鐘剛云，孫奇

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000）

0 前言

長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭在我國(guó)一次能源消費(fèi)的比重均在50%以上，減少燃煤發(fā)電量是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”的重要舉措。降低煤電發(fā)電量就必須大力發(fā)展清潔能源發(fā)電，構(gòu)建以清潔能源為主體的新型電力系統(tǒng)，然而太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源具有間歇性、隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，需要在役煤電機(jī)組發(fā)揮靈活調(diào)峰的作用，從而解決清潔能源發(fā)電的消納問(wèn)題。圍繞雙碳目標(biāo)，“十四五”期間，國(guó)家政策指導(dǎo)通過(guò)對(duì)存量煤電機(jī)組實(shí)施大規(guī)模靈活性改造，大幅增加電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，有效滿(mǎn)足電力系統(tǒng)調(diào)峰需求，促進(jìn)更大規(guī)模新能源消納。

本文針對(duì)四排汽及以上汽輪機(jī)（多個(gè)低壓缸汽輪機(jī)）的一種深度調(diào)峰的技術(shù)方案進(jìn)行研究，著重分析了機(jī)組深度調(diào)峰對(duì)汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片的影響，探討了切除部分低壓缸，從而提高機(jī)組調(diào)峰深度的技術(shù)措施及其可行性。

1 深度調(diào)峰對(duì)汽輪機(jī)的影響分析

一般來(lái)說(shuō)，汽輪機(jī)允許的最小連續(xù)運(yùn)行負(fù)荷為30%額定負(fù)荷（濕冷機(jī)組）或40%額定負(fù)荷（空冷機(jī)組），當(dāng)機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間在該負(fù)荷以下運(yùn)行時(shí)，諸多參數(shù)將偏離設(shè)計(jì)安全運(yùn)行的范圍，可能會(huì)造成機(jī)組運(yùn)行異常，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致跳機(jī)甚至設(shè)備損壞等故障。

根據(jù)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)及實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，機(jī)組在深度調(diào)峰時(shí)（低于允許的最小連續(xù)運(yùn)行負(fù)荷），對(duì)機(jī)組的影響主要有以下幾個(gè)方面：

（1）低壓缸長(zhǎng)葉片安全性

機(jī)組進(jìn)汽流量很小，低壓缸長(zhǎng)葉片將處于小容積流量工況，其氣動(dòng)特性惡化，此時(shí)長(zhǎng)葉片極易發(fā)生顫振、鼓風(fēng)以及根部返流造成的出汽邊水蝕等問(wèn)題。

（2）閥門(mén)小開(kāi)度沖刷及振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)

機(jī)組進(jìn)汽流量很小，此時(shí)高壓調(diào)節(jié)閥開(kāi)度很小，在閥座與閥碟配合形成的環(huán)形通流面上蒸汽流速極高，極易導(dǎo)致閥門(mén)沖刷，且存在一定的閥芯振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

（3）輔助系統(tǒng)適應(yīng)性

機(jī)組輔助系統(tǒng)適應(yīng)性不佳主要體現(xiàn)在疏水邏輯不適應(yīng)、凝汽器除氧能力不足、軸封供汽溫度不穩(wěn)定、給水泵汽輪機(jī)出力不足等。

從總體來(lái)看，低壓缸長(zhǎng)葉片安全性是制約調(diào)峰深度的最主要限制瓶頸因素。本文將主要針對(duì)深度調(diào)峰工況下汽輪機(jī)低壓缸長(zhǎng)葉片安全性問(wèn)題進(jìn)行探討，提出相應(yīng)的解決方案。

2 深度調(diào)峰工況下長(zhǎng)葉片安全性分析

根據(jù)長(zhǎng)葉片特性可知，限制機(jī)組最低允許運(yùn)行負(fù)荷的是長(zhǎng)葉片相對(duì)容積流量。深度調(diào)峰時(shí)，機(jī)組在小流量工況下運(yùn)行，低壓缸長(zhǎng)葉片工作在小容積流量下，末級(jí)氣動(dòng)特性將惡化。末級(jí)汽流發(fā)生脫流可能導(dǎo)致葉片氣動(dòng)彈性失穩(wěn)，發(fā)生失速顫振，同時(shí)動(dòng)葉根部回流使?jié)裾羝械乃坞S汽流倒流沖刷動(dòng)葉根部出汽側(cè)，產(chǎn)生侵蝕，危及葉片安全。如果低壓缸進(jìn)汽量小于末兩級(jí)葉片的最小冷卻流量，末兩級(jí)葉片運(yùn)行時(shí)處于鼓風(fēng)狀態(tài)，工作溫度大幅上升，對(duì)葉片和轉(zhuǎn)子安全性造成影響。

某長(zhǎng)葉片動(dòng)應(yīng)力與相對(duì)容積流量關(guān)系如圖1所示。

圖1 某長(zhǎng)葉片動(dòng)應(yīng)力與相對(duì)容積流量關(guān)系

從圖1 可以看出，隨著長(zhǎng)葉片相對(duì)容積流量降低，其動(dòng)應(yīng)力水平先逐漸上升，在某一相對(duì)容積流量下達(dá)到峰值，隨后動(dòng)應(yīng)力水平又逐漸下降，不同的葉片動(dòng)應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)的相對(duì)容積流量略有不同。研究表明：長(zhǎng)葉片相對(duì)容積流量10%～30%時(shí)，其動(dòng)應(yīng)力水平較高，在此區(qū)間外的動(dòng)應(yīng)力水平則較低。除控制葉片的流量使其在相對(duì)安全工況下運(yùn)行外，對(duì)于長(zhǎng)葉片顫振問(wèn)題，還可以通過(guò)增加相應(yīng)的葉片安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控葉片運(yùn)行情況。此外，葉片鼓風(fēng)、水蝕等問(wèn)題也需要采取相應(yīng)措施予以解決，從葉片設(shè)計(jì)、材質(zhì)選取、表面處理、溫度監(jiān)測(cè)及噴水減溫等方面著手。

3 提高多低壓缸汽輪機(jī)調(diào)峰深度的方法

根據(jù)上述分析，要繼續(xù)降低機(jī)組最低連續(xù)運(yùn)行負(fù)荷，提高機(jī)組調(diào)峰深度，就必須繼續(xù)減小低壓缸末級(jí)葉片的最小容積流量，而隨著低壓末葉片容積流量不斷減小，面臨的主要問(wèn)題就是顫振、鼓風(fēng)以及水蝕的防控問(wèn)題。對(duì)此，針對(duì)四排汽及以上的多低壓缸機(jī)組，本文提出保留一個(gè)低壓缸的最小進(jìn)汽流量，切除其余低壓缸的進(jìn)汽（僅保留一小部分冷卻流量）的方法，降低機(jī)組總的進(jìn)汽量，從而降低機(jī)組最低負(fù)荷，達(dá)到提高調(diào)峰深度的目的。

雙低壓缸機(jī)組的切除低壓缸系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 深度調(diào)峰雙低壓缸汽輪機(jī)系統(tǒng)

如上述系統(tǒng)所示，通常汽輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，A、B 2 個(gè)低壓缸進(jìn)汽流量基本一致，且單個(gè)低壓缸進(jìn)汽流量需控制在一定范圍。根據(jù)長(zhǎng)葉片顫振研究分析，一般認(rèn)為顫振易發(fā)范圍為葉片相對(duì)容積流量的10%～30%。當(dāng)排汽流量降低到相對(duì)容積流量30%時(shí)，負(fù)荷無(wú)法進(jìn)一步降低。為進(jìn)一步降低機(jī)組電負(fù)荷，可以將其中一個(gè)低壓缸流量快速降低直至完全切除運(yùn)行，避開(kāi)顫振易發(fā)范圍，在保證葉片相對(duì)安全的情況下降低電負(fù)荷。

具體操作：在需要深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，低壓缸關(guān)斷閥A 全開(kāi)，旁路調(diào)節(jié)閥A 全開(kāi)，蒸汽經(jīng)低壓缸進(jìn)汽管A，低壓缸進(jìn)汽管旁路A 進(jìn)入汽輪機(jī)低壓缸A；快速關(guān)閉低壓缸關(guān)斷閥B，旁路調(diào)節(jié)閥B開(kāi)啟一定開(kāi)度，蒸汽經(jīng)低壓缸進(jìn)汽管旁路B 進(jìn)入汽輪機(jī)低壓缸B，通過(guò)調(diào)整旁路調(diào)節(jié)閥B 開(kāi)度，將汽輪機(jī)低壓缸B 流量控制在最小冷卻流量下運(yùn)行。

4 可行性分析

以某600 MW 超臨界機(jī)組為例對(duì)可行性進(jìn)行分析，該機(jī)組為三缸四排汽，低壓分為A、B 2 個(gè)低壓缸。低負(fù)荷工況下低壓缸流量和單缸切除工況下對(duì)比見(jiàn)表1。可以看出，未切除低壓缸時(shí)，在20% THA 工況下，末級(jí)相對(duì)容積流量＜30%，無(wú)法在此工況長(zhǎng)期運(yùn)行，機(jī)組安全運(yùn)行的最低電負(fù)荷為30%THA，通過(guò)切除A 低壓缸，僅流過(guò)較少的冷卻流量，20% THA 工況B 低壓缸末級(jí)相對(duì)容積流量迅速增大，遠(yuǎn)大于30%，機(jī)組安全運(yùn)行的最低電負(fù)荷可以降低到20% THA 甚至更低。

表1 電負(fù)荷與末葉相對(duì)容積流量關(guān)系

對(duì)于切除的A 低壓缸，存在鼓風(fēng)、水蝕等問(wèn)題，目前已有成熟的安全防控措施防止切缸后長(zhǎng)葉片出現(xiàn)嚴(yán)重的安全問(wèn)題。

（1）針對(duì)長(zhǎng)葉片鼓風(fēng)問(wèn)題，低壓缸通入的少量蒸汽可以起到冷卻作用，同時(shí)還應(yīng)增設(shè)溫度監(jiān)控措施，一般在長(zhǎng)葉片出汽側(cè)增加溫度測(cè)點(diǎn)對(duì)鼓風(fēng)升溫情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)運(yùn)行調(diào)整確保長(zhǎng)保葉片工作溫度不超過(guò)允許范圍。另外，視情況投入低壓缸排汽噴水，控制排汽溫度在允許范圍內(nèi)，避免低壓外缸因工作溫度過(guò)高發(fā)生變形等問(wèn)題。

（2）針對(duì)葉片出汽邊水蝕問(wèn)題，有必要對(duì)末葉易水蝕部位進(jìn)行防水蝕處理，同時(shí)優(yōu)化低壓缸排汽噴水，改善其霧化效果，緩解葉片水蝕情況。

（3）制定完善的切除低壓缸的運(yùn)行控制、保護(hù)邏輯，包括葉片溫度保護(hù)定值，切缸投入和退出的相關(guān)操作，出現(xiàn)異常的應(yīng)對(duì)措施等，從而保障機(jī)組切缸功能的順利實(shí)現(xiàn)。

上述措施實(shí)施后，可以使切除的低壓缸工作在相對(duì)安全的范圍內(nèi)。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

下面分別對(duì)純凝和供熱工況下，切除單個(gè)低壓缸的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

（1）純凝工況經(jīng)濟(jì)性分析

隨著負(fù)荷減小，低壓缸的容積流量降低，低壓末級(jí)的排汽環(huán)形速度逐漸減少，當(dāng)排汽環(huán)形速度到達(dá)某一數(shù)值時(shí)，排汽損失最小，對(duì)應(yīng)低壓缸效率最高，容積流量如果繼續(xù)降低，排汽損失逐漸增大。負(fù)荷降低到一定程度時(shí)，葉片表面開(kāi)始出現(xiàn)明顯的脫流，尾緣處產(chǎn)生通道渦，進(jìn)一步增大了通流損失，低壓缸效率明顯降低。

圖3 低負(fù)荷下流線(xiàn)圖

以某600 MW 超臨界機(jī)組為例，低壓缸效率和負(fù)荷的關(guān)系見(jiàn)表2 和圖4。

圖4 低壓缸效率和負(fù)荷關(guān)系曲線(xiàn)

表2 低壓缸效率和負(fù)荷的關(guān)系（雙低壓缸運(yùn)行）

由表2 可以看出，在75%負(fù)荷，低壓缸效率達(dá)到最高，此時(shí)排汽速度為175 m/s，隨著負(fù)荷進(jìn)一步降低，低壓缸效率降低。當(dāng)機(jī)組為了滿(mǎn)足調(diào)峰需求，負(fù)荷降到30%時(shí)，低壓缸效率比較低。

如果采取切除單個(gè)低壓缸的方式運(yùn)行，以切除A 低壓缸為例，此時(shí)A 低壓缸不進(jìn)汽，所有的蒸汽都進(jìn)入B 低壓缸，則對(duì)于B 低壓缸來(lái)說(shuō)，容積流量大幅增加，排汽環(huán)形速度也將相應(yīng)增加，變化情況詳見(jiàn)表3（缸效率變化以雙低壓缸運(yùn)行THA 工況為基準(zhǔn)）。

表3 低壓缸效率和負(fù)荷的關(guān)系（切除單個(gè)低壓缸）

由表3 可以看出，當(dāng)切除A 低壓缸后、30%負(fù)荷時(shí)，B 低壓缸的容積流量和排汽速度與不切缸工況下75%負(fù)荷相當(dāng)，此時(shí)，低壓缸效率達(dá)到最高。

從以上的例子可以看出，對(duì)于四排汽機(jī)組，由于深度調(diào)峰，機(jī)組排汽容積流量降低，低壓缸效率降低，但通過(guò)切除單個(gè)低壓缸，排汽容積流量大幅增加，在30%負(fù)荷工況下，排汽環(huán)形速度提高到效率最佳點(diǎn)附近，低壓缸效率大幅提高。

接下來(lái)對(duì)機(jī)組整體熱耗情況進(jìn)行分析，從表4 可以看出，除了20%THA 工況，切除單個(gè)低壓缸后，熱耗有所降低，其他工況熱耗反而升高了。原因在于切除單個(gè)低壓缸后，相當(dāng)于低壓缸通流面積縮小，導(dǎo)致中排壓力大幅升高，中壓通流完全偏離了設(shè)計(jì)工況，中壓缸效率大幅降低。而20% THA 工況低壓缸效率提高較多，產(chǎn)生的熱耗收益抵消中壓缸效率降低的影響后，仍使整體熱耗降低。

表4 中壓缸效率對(duì)比

（2）供熱工況經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)于中排供熱機(jī)組，一般通過(guò)蝶閥憋壓滿(mǎn)足供熱壓力，低負(fù)荷工況下，為了滿(mǎn)足供熱壓力，蝶閥開(kāi)度逐漸關(guān)小，閥門(mén)壓損增大，機(jī)組熱耗迅速增加。通過(guò)切除單個(gè)低壓缸，可以使蝶閥后壓力憋高，相當(dāng)于低壓缸通流面積縮小，此時(shí)在滿(mǎn)足同樣的供熱壓力，蝶閥開(kāi)度大幅增加，甚至全開(kāi)，閥門(mén)壓損降低。相對(duì)于純凝工況，由于中排壓力不變，切除單個(gè)低壓缸并不會(huì)影響中壓缸效率，所以機(jī)組整體熱耗大幅降低。以某600 MW超臨界機(jī)組為例，供熱壓力0.8 MPa，供熱流量200 t/h，分別按照60%、50%和40%負(fù)荷主汽流量進(jìn)行計(jì)算，其經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見(jiàn)表5?？梢钥闯觯弘S著主汽流量降低，低壓缸進(jìn)汽壓力降低，進(jìn)汽壓損增大，切缸單個(gè)低壓缸后，60%主汽流量工況自然升壓，50%和40%主汽流量工況壓損遠(yuǎn)小于不切缸工況，熱耗大幅降低。

表5 供熱工況下經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

下面給出機(jī)組實(shí)際供熱工況下，低壓進(jìn)汽壓損情況。

切缸前，機(jī)組負(fù)荷為206 MW，中排供熱抽汽量為361 t/h，A、B 低壓缸蝶閥開(kāi)度分別為16.4%和17.2%。通過(guò)DCS 運(yùn)行數(shù)據(jù)可以看出2 個(gè)低壓缸的蝶閥壓損都接近50%，見(jiàn)表6。

表6 切缸前機(jī)組參數(shù)

切除A 低壓缸后，機(jī)組負(fù)荷為204 MW，中排供熱抽汽量為356 t/h，A 低壓缸蝶閥完全關(guān)閉，少量蒸汽通過(guò)旁路進(jìn)入低壓缸用于冷卻，B 低壓缸蝶閥開(kāi)度為36.4%。通過(guò)DCS 運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以看出中壓缸效率基本維持不變，B 低壓缸碟閥壓損大幅降低，為11.4%。切除A 低壓缸后，機(jī)組振動(dòng)情況基本維持不變，見(jiàn)表7。

表7 切缸后機(jī)組參數(shù)

6 結(jié)論

針對(duì)有多個(gè)低壓缸的汽輪機(jī)組，通過(guò)切除部分低壓缸運(yùn)行，可以大幅降低機(jī)組允許的最低連續(xù)運(yùn)行負(fù)荷，提高機(jī)組調(diào)峰深度。純凝工況下，切除部分低壓缸后，低壓缸效率提高，但由于中壓缸效率降低，經(jīng)濟(jì)性總體變差；對(duì)于供熱工況，切除部分低壓缸后，低壓缸進(jìn)汽壓力升高，閥門(mén)壓損大幅降低，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性提高。