670MW汽輪機(jī)靈活性供熱改造方案研究

陳 剛

（華電國際電力股份有限公司技術(shù)服務(wù)分公司，山東濟(jì)南 250014）

0.概述

某電廠3號(hào)汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的670MW超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、凝汽式，機(jī)組型號(hào)為192。對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行凝抽背供熱改造，在汽輪機(jī)TMCR進(jìn)汽量2040t/h下，經(jīng)過切缸改造，汽輪機(jī)中排抽汽能力可達(dá)約1100t/h，并且能適應(yīng)連續(xù)變工況的靈活性供熱需求。

1.改造方案

方案采用在中低壓連通管立管上增設(shè)六通并引出一根抽汽母管，作為供熱熱源，在中壓排汽豎直管段上加裝連通管壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)整抽汽參數(shù)。抽汽母管接口后的熱網(wǎng)管道上加裝安全閥、氣動(dòng)抽汽逆止閥、電動(dòng)抽汽調(diào)節(jié)閥、液動(dòng)抽汽快關(guān)閥。

為進(jìn)一步增大機(jī)組的供熱能力和深度調(diào)峰的需要，本次改造后機(jī)組具備切除低壓缸功能。在汽輪機(jī)低壓缸正常運(yùn)行工況下，在兩個(gè)中低壓連通管上分別設(shè)置可完全密封的調(diào)節(jié)蝶閥，能夠全工況調(diào)節(jié)低壓缸原進(jìn)汽管道進(jìn)汽量，并增加一路旁路管道，通過新增旁路管道對(duì)低壓缸通入少量的冷卻蒸汽，用于帶走切除原低壓缸進(jìn)汽后低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的鼓風(fēng)熱量。中低壓連通管及抽汽管方案如圖1所示。

2.改造范圍

為實(shí)汽輪機(jī)中壓排汽處的調(diào)整抽汽功能，需對(duì)機(jī)組現(xiàn)有的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，總體工作范圍如圖1所示：

圖1 中低壓連通管及抽汽管方案

2.1 中低壓連通管

對(duì)中低壓連通管進(jìn)行改造，改造后的中低壓連通管預(yù)留壓力調(diào)節(jié)閥的安裝空間及切缸改造的旁路接口。中低壓連通管采用新型工藝技術(shù)，采用雙通道進(jìn)汽模式。改造后的中低壓連通管取消了弓形彎頭形式，采用壓力自平衡式波形膨脹節(jié)，以吸收供熱管道改造后由于汽缸的差脹產(chǎn)生的位移及推力。更換后的中低壓連通管將采用整體圓弧彎頭形式，可以有效降低蒸汽汽流的壓力損失，大大提高中低壓連通管通流效率。

2.2 連通管壓力調(diào)節(jié)閥

在兩根中低壓連通管水平管道上分別加裝電動(dòng)抽汽調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)整中低壓連通管抽汽參數(shù)。中低壓連通管壓力調(diào)節(jié)閥為密封閥門，切缸運(yùn)行時(shí)，閥門全關(guān)。

2.3 抽汽母管

新增的中低壓連通管處抽汽母管及其支吊架，支吊架包括立柱、桁架、彈簧支座等。支吊架的載荷按照設(shè)計(jì)要求考慮中低壓聯(lián)通管抽汽調(diào)節(jié)閥、逆止門和快關(guān)閥等閥門的荷載安全。將供熱抽汽母管供至距機(jī)組中心線約5000mm處（汽輪機(jī)罩殼外），抽汽母管分界口附近設(shè)置固定死點(diǎn)，死點(diǎn)盡可能靠近雙方接口分界線，以保證供熱管道上的力和力矩滿足機(jī)組安全運(yùn)行需要。

2.4 中低壓連通管旁路冷卻

在供熱最大負(fù)荷，全切低壓缸運(yùn)行工況下，連通管壓力調(diào)節(jié)蝶閥處于全關(guān)狀態(tài)，冷卻旁路上加裝調(diào)節(jié)閥。這時(shí)，低壓缸冷卻蒸汽旁路打開，保證少量冷卻蒸汽進(jìn)入低壓缸，將運(yùn)行中低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的鼓風(fēng)熱量帶走，防止低壓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生鼓風(fēng)發(fā)熱。

2.5 低壓缸噴水系統(tǒng)

低壓缸排汽室中的濕蒸汽溫度相應(yīng)于出口壓力下的飽和溫度，然而在切缸工況下，由于低壓缸進(jìn)汽量偏小，低壓缸末幾級(jí)葉片做負(fù)功，可能引起低壓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生鼓風(fēng)發(fā)熱，使低壓缸的排汽溫度迅速升高。機(jī)組應(yīng)盡量避免發(fā)生高的排汽溫度，以減少轉(zhuǎn)子與靜子部件之間由于熱變形或過度差脹而產(chǎn)生碰擦的可能性。這樣的碰擦在一定轉(zhuǎn)速以上會(huì)發(fā)生嚴(yán)重危害，甚至導(dǎo)致強(qiáng)迫或長期停機(jī)。本次改造重新核算低壓缸噴水量及完成配套設(shè)計(jì)選型工作。

2.6 末級(jí)葉片在線監(jiān)視系統(tǒng)及獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集裝置

低壓缸末兩級(jí)葉片在小容積流量工況運(yùn)行時(shí)，構(gòu)成的低壓末兩級(jí)內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生劇烈變化，產(chǎn)生葉片進(jìn)汽沖角沿葉片高度的劇烈變化，在低壓葉面上形成流動(dòng)分離，在低壓葉根處的脫流、鼓風(fēng)加劇、低壓葉片的動(dòng)應(yīng)力增加等現(xiàn)象。這些變化可能誘發(fā)低壓末級(jí)葉片顫振，威脅機(jī)組安全運(yùn)行，也會(huì)影響汽輪機(jī)的熱效率。本系統(tǒng)需增加一套獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，增設(shè)在線監(jiān)視系統(tǒng)，可以時(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，有效監(jiān)控長葉片運(yùn)行狀態(tài)，為安全運(yùn)行提供保障。

2.7 配套汽輪機(jī)本體運(yùn)行監(jiān)視測(cè)點(diǎn)改造

汽輪機(jī)組切除低壓缸進(jìn)汽運(yùn)行時(shí)，低壓缸通流部分運(yùn)行工況與原純凝工況存在很大的差別，低壓缸運(yùn)行在極低容積流量條件，低壓缸可能產(chǎn)生不安全的工況點(diǎn)。配套增加運(yùn)行監(jiān)視測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)低壓缸內(nèi)部通流運(yùn)行狀況，可大大提升低壓缸在切缸工況下的運(yùn)行安全。

2.8 供熱系統(tǒng)配套閥門

熱網(wǎng)管道上增設(shè)抽汽管道，并設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液動(dòng)快關(guān)閥、氣動(dòng)逆止閥、抽汽安全閥，安裝在新設(shè)計(jì)的熱網(wǎng)管道上，閥門應(yīng)盡量靠近汽輪機(jī)，在閥門設(shè)計(jì)布置完成后需反饋給主機(jī)廠家確認(rèn)。

2.9 自動(dòng)控制系統(tǒng)

除安全閥外的其他閥門均能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方操作。改造范圍內(nèi)所涉及的DEH控制部分供貨、組態(tài)，有關(guān)供熱閥門的控制邏輯、閥門與主機(jī)的連鎖保護(hù)邏輯等由主機(jī)廠家負(fù)責(zé)，以保證機(jī)組的性能、安全指標(biāo)符合要求。

2.10 汽封冷卻器

汽封減溫裝置噴水：低壓軸封進(jìn)汽設(shè)有噴水減溫器降低軸封蒸汽溫度，使之不超過低壓缸允許的極限溫度，噴水減溫器整定的溫度值為160℃。切缸后，如果凝結(jié)水溫度較高，建議汽封減溫冷卻水按照60℃校核，汽封減溫裝置出力可滿足要求。

汽封冷卻器水量：切缸工況下，凝結(jié)水量較少，此時(shí)，冷卻水水量要求大于350m3/h，按照60℃進(jìn)行校核，原有的軸封冷卻器可以滿足低壓缸切缸供熱工況運(yùn)行。

3.安全性分析

3.1 葉片顫振

進(jìn)行切缸運(yùn)行操作就容易落在葉片的顫振區(qū)域，在低壓缸較小容積流量下，葉片容易產(chǎn)生顫振現(xiàn)象，低壓缸在切缸工況下，進(jìn)汽量較少，流場(chǎng)不穩(wěn)定，在低壓缸內(nèi)形成汽流不穩(wěn)、激振力波動(dòng)，更容易發(fā)生顫振現(xiàn)象。

3.2 葉片水蝕

低壓缸在切缸供熱工況下，鼓風(fēng)發(fā)熱，低壓排汽需要噴水進(jìn)行減溫，在較低排汽容積流量下，汽輪機(jī)排汽區(qū)域會(huì)形成回流，回流夾帶噴水產(chǎn)生的水滴，在低壓缸末級(jí)葉片根部產(chǎn)生嚴(yán)重的水蝕現(xiàn)象，末級(jí)葉片區(qū)域具有離心應(yīng)力水平高的特點(diǎn)，葉片水蝕后產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展速度快，對(duì)低壓葉片的安全運(yùn)行產(chǎn)生較大風(fēng)險(xiǎn)[1]。

3.3 動(dòng)靜間隙變化

汽輪機(jī)切缸工況變化較大，末級(jí)葉片、汽缸隔板溫度變化大，運(yùn)行中溫度變化徑向不均勻?qū)?huì)引起葉頂、葉根間隙的改變，容易產(chǎn)生汽輪機(jī)動(dòng)靜摩擦隱患。

3.4 葉片超溫

切缸狀態(tài)運(yùn)行低壓缸末級(jí)、次末級(jí)葉片由于進(jìn)汽流量下，處于做負(fù)功狀態(tài)，葉片鼓風(fēng)發(fā)熱嚴(yán)重，葉片局部有可能超過設(shè)計(jì)允許的溫度，造成低壓葉片剛度變化，導(dǎo)致低壓葉片共振區(qū)變化，如果達(dá)到工作轉(zhuǎn)速附近，就會(huì)造成共振現(xiàn)象發(fā)生。另外，低壓缸排汽溫度超過凝汽器的允許溫度存在損壞設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。

4.風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)策略

4.1 低壓缸實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)-監(jiān)測(cè)汽缸顫振、水蝕、動(dòng)靜間隙變化

低壓缸實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子振幅、間隙的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過有限元數(shù)值分析模擬，得出葉片表面動(dòng)應(yīng)力分布與葉片振幅的關(guān)系，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)葉片振幅從而實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片動(dòng)應(yīng)力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。以上任一參數(shù)超限，該系統(tǒng)即可發(fā)出報(bào)警，提醒運(yùn)行人員調(diào)整運(yùn)行工況規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

該系統(tǒng)具備以下功能：一是對(duì)機(jī)組運(yùn)行中低壓葉片振動(dòng)特性進(jìn)行檢測(cè)和過程實(shí)時(shí)分析，避開切缸過程中的不安全工況；二是對(duì)切缸過程中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)或者突發(fā)的設(shè)備異常進(jìn)行報(bào)警；三是對(duì)低壓葉片檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集分析，通過計(jì)算對(duì)切缸后低壓葉片的壽命進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估。

4.2 低壓缸靈活運(yùn)行-葉片水蝕、超溫解決方案

精確計(jì)算和優(yōu)化低壓缸的運(yùn)行，給出低壓缸運(yùn)行背壓指導(dǎo)曲線，如圖2所示。在葉片健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輔助下協(xié)助電廠實(shí)現(xiàn)極低流量下，葉片不超溫，低壓缸不噴水運(yùn)行，盡量將水蝕的影響降至最低。

圖2 低壓缸切缸運(yùn)行指導(dǎo)曲線示意圖

4.3 測(cè)點(diǎn)全面加裝、定值精確校核-防止葉片超溫

對(duì)影響到低壓缸切缸的所有關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全面的加裝，并對(duì)各測(cè)點(diǎn)定值進(jìn)行全面校核以保證切缸過程可控，汽輪機(jī)安全運(yùn)行。

4.4 連通管、旁路設(shè)計(jì)優(yōu)化-實(shí)現(xiàn)抽凝到切缸過程平滑切換

連通管和旁路的設(shè)計(jì)考慮以下5點(diǎn)：（1）實(shí)現(xiàn)低壓缸靈活運(yùn)行；（2）實(shí)現(xiàn)抽凝到切缸狀態(tài)的平穩(wěn)過度；（3）實(shí)現(xiàn)大蝶閥密封面的保護(hù)；（4）避免大蝶閥嚴(yán)重節(jié)流引發(fā)的振動(dòng)問題；（5）實(shí)現(xiàn)低壓缸最小冷卻流量的精確控制。

4.5 噴水系統(tǒng)改造和優(yōu)化-降低水蝕影響

切低壓缸運(yùn)行時(shí)，低壓缸末兩級(jí)會(huì)由于鼓風(fēng)產(chǎn)生大量熱量，需要采取降低排汽溫度措施，持續(xù)增加投入噴水減溫，原噴水管路流量不能滿足要求，因此需增加噴水管路滿足切缸運(yùn)行要求，同時(shí)將原噴水管路的噴頭更換為霧化效果更好的噴頭作為備用，維持低壓排汽缸溫度在安全范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)低壓缸噴水量的精確控制[2]。

4.6 控制邏輯改造-切缸的自動(dòng)控制及保護(hù)策略

（1）將增加的中壓缸排汽，低壓缸進(jìn)汽，低壓缸末級(jí)和次末級(jí)的壓力，溫度測(cè)點(diǎn)接入DEH系統(tǒng)（增加相應(yīng)控制卡件，若原DEH容量不滿足，新增一面擴(kuò)展柜），根據(jù)工況的不同，增加相應(yīng)的報(bào)警保護(hù)邏輯，用來保護(hù)低壓缸和末級(jí)葉片；將冷卻低壓缸的旁路的壓力、溫度、流量（根據(jù)壓力測(cè)點(diǎn)計(jì)算）接入DEH系統(tǒng)，用于對(duì)低壓缸的監(jiān)視和保護(hù)[3]。

（2）增加切除低壓缸出力大容量抽汽的控制畫面，當(dāng)抽凝工況無法滿足抽汽的容量要求時(shí)，運(yùn)行人員可以在畫面上選擇切除低壓缸的按鈕，將連通管調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，通過小旁路調(diào)節(jié)低壓缸的進(jìn)汽量。同時(shí)對(duì)抽汽相關(guān)的各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度和壓力進(jìn)行保護(hù)。

（3）梳理原DEH系統(tǒng)中的抽汽相關(guān)運(yùn)行的保護(hù)定值設(shè)置，優(yōu)化抽汽保護(hù)報(bào)警邏輯和優(yōu)化噴水保護(hù)邏輯。