600 MW超臨界供熱汽輪機及供熱系統設計特點

邱云峰

(江蘇省電力設計院，江蘇南京211102)

南京熱電廠在拆除老廠6臺機組后騰出的場地上，建設2×600 MW超臨界燃煤發電供熱機組，不考慮再擴建。機組采用600 MW超臨界供熱汽輪機。汽輪機為東方汽輪機廠生產的600 MW超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式、8級回熱、兩級可調整抽汽供熱汽輪機，每臺機組中壓最大抽汽量和低壓最大抽汽量均為150 t/h。該工程汽輪機為國內首臺采用雙抽可調600 MW超臨界汽輪機。

1 汽輪機設計特點

汽輪機設計采用三缸四排汽總體設計方案，高中壓缸、低壓缸、軸承和閥門均采用東方汽輪機廠成熟的600 MW超臨界純凝機型的總體結構。針對機組雙抽供熱的設計技術特點，汽輪機主機結構設計除抽汽級葉片（高壓末級葉片、中壓末級葉片）進行了加強設計外，對高中壓缸抽汽口強度也進行核算加強。

1.1 高中壓缸可靠性設計

高中壓缸的工作條件比較復雜：工作壓力較高，最高使用溫度可能達到580℃；進汽、排汽及抽汽管集中。特別是供熱機組，由于中壓排汽壓力（抽汽壓力）、溫度的降低以及抽汽管道的加大使問題更加突出。東汽應用大型結構分析軟件對汽缸應力、變形、中分面螺栓強度、法蘭的密封性能等進行詳細校核的計算分析，同時消化吸收日立300 MW，600 MW汽輪機汽缸的設計思想和設計原則，保證汽缸結構更加合理，使用更加安全。

1.2 供熱汽輪機供熱可靠性設計

目前，大型供熱汽輪機可以作為一般純凝汽機組帶基本負荷或調峰負荷運行，也可以在熱網中按熱電聯供工況運行。因此就可靠性設計而言，它既有常規凝汽機組的共同性，又有供熱壓力大范圍可調的供熱型機組的特殊性[1]。

供熱機組可靠性設計主要滿足下列方面的特殊要求：

（1）供熱抽汽點前的葉片在正常允許運行工況范圍內強度足夠，不超溫；

（2）低壓末級葉片在最小允許冷卻流量下不噴水，附加動應力不超限；

（3）蝶閥及其油動機在設計壓差及全行程范圍內不卡澀，開關靈活自如；

（4）甩電負荷時，保證不發生危險超速。

1.2.1 供熱抽汽點前的葉片可靠性

大型供熱機組供熱抽汽點前的葉片，由于受到抽汽壓力和流量變化的影響，將受到抽汽口脈動激振力的作用，對葉片產生很大的動應力；當抽汽級壓差增大時，抽汽壓力達最低，供熱抽汽點前幾級，特別是最近級，輪周功率將大大增加，最大供熱工況與凝汽工況相比可能大一倍多。因此在葉片強度設計上必須作特殊考慮。通過各種設計技術和運行限制措施，能保證葉片安全可靠的工作。

1.2.2 低壓末級葉片可靠性

在最大供熱工況時，低壓缸只通過用來冷卻缸內零件的流量，流動狀況十分惡劣。末級葉片處于小容積流量鼓風工況，出現倒流，旋渦，并可能誘發葉片顫振自激振動，使動應力大幅度升高。因此，供熱機組低壓缸末級葉片設計一般選擇剛度好、阻尼大、氣動性能優良的高可靠性長葉片。汽輪機采用成熟的1 016 mm末級葉片，保證該機組能長期安全可靠地運行。

供熱機組低壓末級葉片（1 016 mm末級葉片）在可靠性方面具有以下特點：（1）在設計工況下有較高的根部反動度，能推遲小容積流量工況下根部倒流的出現，保證在最小冷卻工況下排汽不超溫，不需要投噴水減溫；（2）具有高剛度和高強度，在正常背壓及最小允許冷卻流量工況下附加動應力很小，長期運行時既不會發生疲勞破壞，更不可能發生顫振破壞，因此具有足夠的安全可靠性。

1.2.3 調壓系統可靠性

調壓系統包括蝶閥及其油動機、動力油、調壓控制系統等，其可靠性是保證自動供熱的前提，同時也是在事故工況（如甩負荷）時影響機組安全性的主要原因之一。因此，大型供熱機組調壓系統具有以下技術特點，這些技術使得調壓系統的可靠性得到足夠的保證：

（1）動力油采用高壓抗燃油，它既減少油動機體積又大大提高了提升力；

（2）控制系統采用全電調系統，使控制邏輯更合理、更嚴密；

（3）核準油動機最大舉力，并將安全系數放大到K＝3,以便將更多的不確定因素（如蝶閥發生少量變形，特殊工況下閥前壓力瞬間提高等）考慮進去，使蝶閥在任何工況下都能靈活開、關；

（4）在抽汽管道上加裝抽汽快關調節閥，滿足機組在供熱工況下運行在“超壓區”時實現外部自動調節的需要。此閥只在較大的進汽量、較小的抽汽量工況下起調節作用。此閥兼有甩負荷工況下快關的功能，因此不用再設快關閥。

1.2.4 甩電負荷時可靠性

熱電聯供時甩電負荷的事故工況對機組安全可靠性是最嚴峻的考驗，也是用戶最關心的問題，原因是大機組轉子時間常數小，而供熱機組甩電負荷后有害容積大，正常動態超速最大，若抽汽管道上的閥門因故障不能關閉，供熱系統蒸汽大量倒灌，足以引起嚴重超速，后果不堪設想。

東方汽輪機廠分析比較了國外大型供熱機組有關甩電負荷可靠性設計的特點，結合我國國情，最終采用了具有多重冗余安全功能的設計方案，使可靠性獲得切實的保證。

每根供熱抽汽管道上除按常規要求設置一個逆止閥及一個電動閥外，還串聯一個具有快關功能的抽汽調節閥，其主要目的是為甩負荷（包括只甩熱負荷）時快關而設。

甩電負荷信號既聯動抽汽快關調節閥快關，也聯動蝶閥暫關，使高、中壓缸短時做負功，以阻止機組超速。

1.2.5 甩熱負荷時可靠性

甩熱負荷時可靠性系指維持鍋爐工況不變，將供熱工況快速可靠地轉變為純凝汽工況。

甩熱負荷信號聯動抽汽管道上抽汽快關調節閥與逆止閥快關，迅速切除供熱抽汽。

同時聯動蝶閥快開，讓抽汽快速改道進入低壓缸做功，將供熱工況轉為純凝汽工況。

1.3 中壓調節閥參與供熱調節可靠性分析

中壓供熱抽汽從再熱熱段抽出，供熱壓力要求4.2 Mpa；而設計中再熱熱段壓力在純凝THA工況下僅能達到4 Mpa，抽汽后將會更低，因而必須有調節手段才能滿足參數要求，為此，該工程采用了中壓調節閥參與調節的方式實現該段可調供熱。

中壓調節閥原設計在啟動及低負荷下參與調節，在高負荷下閥門開度增加，主要為整流作用。保持閥門穩定性良好的最根本措施是盡可能削弱汽流對閥蝶和閥桿的激振。因此，在閥內設置整流濾網，合理設計濾網孔徑分布及閥蝶型線從而合理地組織閥內流道是改善閥門內部汽流流動有效的途徑。

通過吹風試驗和理論計算相結合的方法，不斷優化閥門型線和結構，使閥門流量特性、提升力特性及穩定性達到了非常完美的程度。優化后在80%負荷以上，中調門在相對行程5%～15%以內時，對流量具有調節作用。同時在該區域內，流量變化較平緩，表明調節特性較好。調節曲線連續、光滑，表明該閥門全行程下的調節特性及操控特性良好，即中壓調節閥參與壓力調節的方式是可行的。

1.4 機組供熱控制方案設計

1.4.1 雙抽供熱機組描述

雙抽機組由中壓調節閥、連通管蝶閥、高中低壓缸組成。

雙抽機組有2個抽汽口，一個在中壓缸下部排汽口處，靠聯通管蝶閥控制低壓抽汽壓力。一個在再熱器和中壓調節閥之間，靠中壓調節閥來控制中壓抽汽壓力。

1.4.2 控制設計方案描述

（1）汽輪機自動控制方式下的分調和牽連2種模式。

①自動牽連：各被控量分別實行閉環控制，各閥之間按照相互影響關系發生聯系。運行人員操作被控量完成對機組輸出量的調整。

②自動分調：各被控量分別實行閉環控制,各閥之間的控制信號沒有聯系。 運行人員操作被控量給定值完成對機組輸出量的調整。

（2）手動控制方式下分調模式。當機組部分設備有缺陷時可選擇手動分調方式，運行人員設置高壓調節閥給定，設置中壓調節閥給定，設置操作蝶閥給定來調整機組功率和抽汽壓力。

2 供熱系統設計特點

南京熱電廠2臺600 MW超臨界雙抽供熱機組作為供熱工業用汽汽源，供熱介質為過熱蒸汽。參數分別為4.2 MPa（a），420℃和1.0 MPa（a），330℃。每臺600 MW超臨界機組最大供熱量為300 t/h。熱網補水由化學處理車間來，直接進入凝汽器除氧，不設低壓除氧器。熱網不考慮回水。

中、低壓供熱蒸汽分別從再熱熱段及四級抽汽上抽取。中壓供熱蒸汽從再熱熱段上引出，抽汽經過布置在汽機房毗屋運轉層的減溫器減溫后接至A排外4.2 MPa（a）供熱母管，單機額定供熱量為150 t/h。低壓供熱蒸汽從汽機中壓缸排汽即四級抽汽上引出，管徑D N500，再接至A排外1.0 MPa（a）供熱母管，單機額定供熱量為150 t/h。中壓供熱抽汽利用中壓進汽調節閥整定供熱壓力，經減溫后向熱用戶供汽；低壓供熱抽汽采用供熱蝶閥控制整定供熱壓力，供熱蝶閥布置在汽輪機中、低壓連通管上。在中低壓供熱抽汽管道還裝有液動逆止閥、電動快關調節閥、電動隔斷閥，以及作為超壓保護用的安全閥。在蒸汽管道上另外設有流量測量裝置，便于計量供熱蒸汽量。

中壓供熱原則性熱力系統如圖1所示。低壓供熱原則性熱力系統如圖2所示。

圖1 中壓供熱原則性熱力系統

圖2 低壓供熱原則性熱力系統

為提高供熱系統的可靠性，該工程供熱母管與鄰近的華能南京電廠供熱母管聯通，供熱互為備用。由于2個電廠供熱參數不同，2個廠供熱系統聯通的設計方案如下：該工程的中壓汽源減溫減壓后作為華能南京電廠的供熱備用汽源（約1.5 MPa）；而華能南京電廠供熱汽源減溫減壓后作為該工程低壓汽源的備用汽源。

南京熱電廠供熱系統的設計滿足以上要求，目前機組已經投運，實踐證明是安全可靠的。

3 結束語

南京熱電廠600 MW超臨界雙抽供熱機組，在純凝工況下發電廠熱效率為44.26%，對應發電標準煤耗率277.5 g/（kW·h）；在額定供熱工況下發電廠熱效率為57.47%，對應發電標準煤耗率僅為260.5 g/（kW·h）。該工程性能指標遠優于同類純凝機組，甚至也優于1 000 MW超超臨界機組，具有良好的經濟效益及社會效益。

目前，300 MW級供熱汽輪機為國內熱電廠的主流機型，而效率更高的600 MW超臨界雙抽供熱汽輪機很少見，該機型在南京熱電廠的成功應用，將大大拓寬熱電廠供熱機型的選擇范圍。

[1]康 松，楊建明，胥建群.汽輪機原理[M].北京：中國電力出版社，2000.