300 MW亞臨界供熱機組高背壓供熱改造的研究

常立宏

(華電能源股份有限公司，黑龍江哈爾濱150001)

1 項目概述

1.1 高背壓供熱

高背壓供熱(低真空循環水供熱)是將汽輪機低壓缸排汽壓力提高，從而使排汽溫度提高，加熱進入汽輪機凝汽器的熱網循環水，使其供熱。也就是使凝汽器成為供熱系統的熱網加熱器，充分利用機組排汽的汽化潛熱加熱熱網循環水，將冷源損失降為零，提高機組的循環熱效率。采用該方法供熱是在不增加機組規模的前提下，回收冷源損失，增加了供熱量，增大了供熱面積。

1.2 高背壓供熱研究現狀

一般情況下，50 MW以下的運行熱電聯產機組采用可調抽汽或背壓機組供熱，100 MW及以上機組基本采用抽凝式供熱。抽凝式供熱機組與背壓式機組在供熱運行工況下的發電煤耗相差100 g左右。背壓式機組或低真空循環水供熱機組與抽凝式機組相比，其供熱經濟性根本的差異在于:背壓(或低真空循環水供熱)機組在供熱工況下運行時，其冷源損失全部被利用，而抽凝式機組只有部分抽汽被用于供熱，汽輪機排汽份額有所減少，但這部分排汽仍存在較大冷源損失。

高背壓供熱機組是近年為適應北方采暖供熱而出現的改造型機組，大都是由純凝或抽凝式機組經改造而成。該供熱方式于20世紀80年代出現在我國東北地區，而后逐步發展到華北地區。機型涉及純凝、抽凝式，機組容量等級涵蓋6～150 MW。迄今為止，對于150 MW以上的大型機組和非落地軸瓦機組，國內、國外尚無汽輪機高背壓循環水供熱改造和成熟運行的先例，且國內、國外也未見到這方面的研究。

1.3 300 MW機組高背壓供熱項目的提出

亞臨界300 MW高背壓運行的機組一般排汽溫度在50～85℃，其對應的背壓在20～55 kPa。亞臨界300 MW濕冷機組的排汽背壓一般不能超過18.6 Pa，不適應高背壓運行的要求。但是亞臨界300 MW直接空冷機組的背壓變化幅度完全適應高被壓運行的要求。因此，提出對亞臨界300 MW濕冷機組進行空冷化改造，以使亞臨界300 MW濕冷機組適應高被壓運行的要求，實現高背壓供熱的目的。

2 空冷化改造范圍

300 MW亞臨界濕冷機組與300 MW空冷機組的高、中壓部分結構、參數完全一樣的，因此現有機組高、中壓部分不用改動。只需要將300 MW濕冷機組的低壓部分改造為300 MW直接空冷機組的低壓部分，便可適應高背壓運行。

目前，成熟的空冷300 MW機組，其設計背壓一般為11～18 kPa，夏季背壓為32～35 kPa，最高運行背壓65 kPa，夏季實際運行背壓一般約為40 kPa。對汽輪機低壓部分來說，高背壓供熱的外部條件和空冷機組夏季運行時基本一致，因此可以將原機組低壓缸更換為空冷機組低壓缸，末級采用空冷專用葉片，使機組具備高背壓運行能力。對于300 MW空冷機組，可以選擇620 mm和680 mm兩種末級葉片。620 mm葉片的設計背壓在15～18 kPa，680 mm葉片的設計背壓在11～13 kPa。高背壓改造后，對末級葉片的要求主要是背壓的適應性。680 mm葉片能夠適用于高背壓運行要求，同時對夏季負荷及部分負荷都有較好的適應性，也就是說，在純凝運行時的經濟性損失較小。衡量末級葉片長度的主要參數是余速損失，620 mm及680 mm葉片的余速損失對比如圖1所示。

圖1 620 mm及680 mm末級葉片余速損失曲線

由圖1可見，純凝運行時，680 mm的余速損失小些(曲線右側)，高背壓運行時，620 mm的余速小些(曲線左側)。但是考慮高背壓運行主要考慮葉片的安全性，兩只葉片都能夠滿足要求，而在純凝運行時，680 mm葉片的經濟性要好一些，因此改造選擇680 mm末級葉片。

3 改造后汽輪機低壓部分安全性和可靠性校核

300 MW空冷機組低壓轉子兩聯軸器端面總長為8 181.5 mm，重量為 60 499.5 kg。而改造后300 MW濕冷機組低壓轉子兩聯軸器端面總長為8 181.5 mm，重量為62 692.2 kg。由于軸系參數發生了變化，因此，需從幾個方面校對軸系的安全性。

3.1 軸承標高變化對軸系性能的影響

軸系的性能分析主要是系統的靜態分析和動態分析。其中，動態分析主要討論3個方面的問題:一是轉子系統的固有頻率(如橫振和扭振)與系統工作頻率間的關系，以保證轉子系統的各階頻率相對工作頻率有足夠的避開余量;二是討論外界擾力與轉子系統振動幅值之間的關系(不平衡響應及轉子對不平衡響應的敏感性計算)，保證在各種擾力作用下轉子系統的振動幅值應小于某一限定值;三是討論轉子系統的振動特性隨時間的變化趨勢(即系統穩定性)，保證振動特性隨時間的延長呈穩定或收斂狀態。

轉子的更換帶來軸系標高的變化，一方面從橫振角度影響軸承的剛度、軸系的臨界轉速及機組的安全運行;另一方面從高周疲勞角度帶來動應力的變化，會影響機組高周疲勞安全因子。

3.2 高周疲勞的校核

汽輪機轉子要承受穩定負載和振動負載的聯合作用，所以在轉子設計時高周疲勞分析非常重要。作用在葉片和葉輪上的蒸汽壓力降將在轉子的本體內產生軸向應力(靜應力)σp，整個轉子系統每一位置的橫向彎矩將產生交變的軸向應力σb。轉動、紅套葉輪和聯軸器將引起切向靜應力σz。

轉子承受的扭轉負載會產生扭剪靜應力τxy，由于傳動線的布置、負載的不平衡和軸承的不對中，將會產生交變的部分進汽應力σpa和不對中應力σnom。由轉動、紅套負載和壓力降將產生殘余剪切應力 τyz和 τzx。

將靜應力的值代入方程式(1)，求得當量應力σe，用σe值在歌曼表上找出在某溫度時所在截面的持久極限。然后該持久極限乘以尺寸效應系數，并除以所在截面里所用的強度換算系數，就可求得修正的持久強度。

將所有的交變應力值代入方程式(1)內，來求得交變的當量張應力。當乘以應力集中系數時，(如果需要可考慮其缺口敏感性)，就可得到其最大的交變應力，這樣的計算必須進行兩次;1次用重力彎矩所致的σx，另1次用重力彎矩和不對中彎矩所致的 σx。

修正持久強度除以最大的交變應力，就可給出安全系數。其中，安全系數應大于等于2。

機組軸系不對中量的變化，增大了轉子的交變動應力，因此影響了轉子的高周疲勞壽命。

對軸系進行高周疲勞考核，主要針對轉子有應力集中的區域，計算中選取了4個部位，如圖2所示。

圖2 轉子應力集中區域(單位:mm)

4 凝汽器適應性分析

機組改為高背壓運行后，熱網循環水的工作參數和原機組循環水的參數存在差別，因此，需要對凝汽器的可靠性進行必要的論證和確認熱網水質能否滿足現有不銹鋼冷卻管TP304對水質的要求［1］。

300 MW機組高背壓運行時，8號低加停止工作，7號、8號低加入口水溫不超過90℃，此溫度7號、8號加熱器可以承受，不需要進行改造，但是要對水處理系統需進行校核，以保證系統可靠運行［2］。

5 給水泵驅動方式的選取

機組改為高背壓運行后，如果原給水泵汽輪機排汽還進入凝汽器，則給水泵運行的背壓會隨之升高，一方面背壓升高，給水泵汽輪機出力降低，不能滿足機組運行要求，另一方面原給水泵汽輪機的末級葉片也不允許背壓升高到55 kPa，因此需對給水泵驅動方式進行論證。

6 主機凝結水系統適應性分析

凝結水系統設計采用單元制中壓凝結水系統，凝結水經凝結水泵進入凝結水處理裝置，經100%處理后，依次進入軸封加熱器、4臺低壓加熱器和除氧器。

改造前主機凝結水系統設計溫度為50℃，改造后主機凝結水系統設計溫度變為79℃。凝結水系統受到影響的主要是凝結水泵以及凝結水精處理裝置。

凝結水精處理是大容量、高參數發電機組中一種特有的水處理方式。其目的主要是去除凝結水中金屬腐蝕產物及微量的溶解性鹽。凝結水精處理系統的正常投運，對保證機組水汽品質，縮短新機組的啟動時間，提高機組凝汽器泄漏的保護能力，延長機組酸洗周期都有其實際意義。

由于低真空改造后機組凝結水極限溫度高達79℃，而原有的凝結水精處理混床離子交換系統使用溫度一般不超過50℃，這主要是陰離子交換樹脂和設備襯膠所決定的，因此，本次低真空改造的同時，新增一套100%容量的粉末樹脂覆蓋過濾系統設備(運行溫度最高可達85℃)與原有的凝結水精處理混床系統并列運行。當凝結水溫度超過50℃時，混床系統投入，高于50℃粉末樹脂覆蓋過濾系統投入運行。

7 全廠運行優化調整

7.1 背壓限制

根據葉片本身的特性，動應力在相對容積流量小于20%時會急劇升高，相對容積流量至11%左右時達到峰值。為安全起見，要控制高背壓運行時排汽容積流量大于末級葉片設計容積流量的20%。根據這個原則，考慮一定的安全余量，給出末級葉片的背壓限制線，即機組在報警線以下區域可安全運行，如圖3所示。

圖3 680 mm末級葉片的背壓限制曲線

7.2 汽輪機運行方式

冬季高背壓運行時，盡量讓改造后機組多帶負荷運行，從而減少冷端損失，提高整個電廠經濟性。當機組投入高背壓運行時，要采取以熱定電的運行方式。熱負荷變工況時有3種調整途徑:一是在采暖初期，熱負荷需求量小時，回水溫度降低(低于60℃)，采用降低背壓運行的方式，減少排汽量，降低供熱量;二是當回水溫度達到60℃，供熱量需求仍舊沒有達到最大需求時，可以調整抽汽量，調整供水溫度;三是兩種調整方式可以同時進行［3］。

夏季運行時，盡量讓未改造機組多帶負荷運行。改造后機組由于排汽面積減小，在較大的進汽量下，阻塞背壓排汽壓力已經高于原設計4.9 kPa背壓，所以，應調整凝汽器真空，使汽輪機排汽壓力不低于阻塞背壓。汽輪機進汽量與阻塞背壓曲線如圖4所示。

8 結束語

圖4 汽輪機進汽量與阻塞背壓關系

綜上所述可見，對300 MW汽輪機實施高背壓循環水供熱改造，可以明顯提高經濟效益和社會效益。同時，可以預見該改造工程將會對北方地區的300 MW等級機組供熱改造提供很好的示范效應。

［1］吳季蘭.汽輪機設備及系統［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［2］王智雷，鄒翠芳.汽輪機［M］.北京:中國電力出版社，2003.

［3］賀平，孫剛.供熱工程［M］.北京:中國電力出版社，2009.