140MW凝汽機組“雙背壓雙轉子互換”供熱改造技術分析

成渫畏， 王學棟， 郝玉振

（1.華電國際山東分公司安生部，山東濟南 250014；2.山東電力研究院，山東濟南 250002）

0 引言

在常規凝汽式火力發電廠中，汽輪機排汽在凝汽器中被冷卻而凝結成水，同時冷卻水被加熱，其熱量通過冷卻塔散發到大氣中，產生冷源損失。這種冷源損失是造成汽輪機組循環熱效率低的一個主要原因，如果將這部分冷源損失加以利用，會大大提高汽輪機組的循環熱效率。汽輪機高背壓循環水供熱就是為了利用汽輪機的冷源損失而發展起來的一項節能環保技術。汽輪機提高背壓運行，凝汽器的排汽溫度升高，提高了循環水出口溫度。將凝汽器循環水入口管和出口管接入采暖供熱系統，循環水經凝汽器加熱后，注入熱網，滿足用戶采暖要求，冷卻后的循環水再回到凝汽器進行加熱。高背壓循環水供熱將原來從冷卻塔排入自然界的熱量回收利用，達到了節約供熱用蒸汽、提高汽輪機組經濟效益的目的。

目前凝汽發電機組冬季實施高背壓循環水供熱技術已在國內各大中城市得到普遍推廣與使用，是節約能源、改善環境以及深化熱電聯產的有力措施。據文獻資料，目前有6MW、12MW、25MW等幾種容量的小型機組

進行了高背壓改造[1～3]，研究者對機組高背壓改造的方式、經濟性和安全性進行了闡述和分析、計算[4～7]。

某電廠超高壓140MW凝汽機組原由上海汽輪機有限公司生產和改造。為實現高背壓供熱，機組實施“雙背壓雙轉子互換”改造方式，對低壓缸通流部分進行了改造，在采暖季節和在非采暖季節，實現“雙背壓雙轉子互換”，以滿足冬季高背壓供熱和全年經濟運行的要求。

表1 機組改造前后不同運行方式的技術參數

1 “雙背壓雙轉子互換”方式的低壓缸通流改造

低壓缸雙背壓雙轉子互換，即采暖期間使用動靜葉片級數相對較少的低壓轉子，非采暖期使用原設計配備的低壓轉子，采暖期凝汽器高背壓運行，非采暖期低背壓運行。以上超高壓140MW凝汽機組，原低壓轉子為2×6級，在進入采暖期前更換為去掉兩級動葉和隔板的2×4級低壓轉子，同時機組的末兩級低壓加熱器停運，只有2臺低加和2臺高加、除氧器運行，排汽背壓提升至30～45kPa；當采暖期結束后，再將原2×6級動葉的低壓轉子和相應兩級的隔板恢復，汽輪機排汽背壓同時恢復至4.9kPa，從而使機組完全恢復原設計狀態。機組改造前后不同運行方式的技術參數見表1。

2 機組“雙背壓雙轉子互換”改造內容

2.1 低壓缸高背壓供熱改造內容

低壓缸通流部分改造范圍：低壓轉子更換為新整鍛轉子，通流級數由2×6個壓力級改為2×4個壓力級；更換低壓2×4級隔板及汽封，更換低壓前、后軸端汽封體及汽封圈；增加低壓末級導流環2套，更換低壓分流環；中低、低發連軸器螺栓更換為液壓拉伸螺栓。

低壓缸采用“雙背壓雙轉子互換”技術，在設計和改造中對低壓通流部分進行整體優化，保證機組高背壓工況下的安全高效運行，具體實施措施如下：

（1）根據新的高背壓運行工況點重新調整低壓通流面積以降低中低壓連通管抽汽的壓損，確保低壓缸排汽溫度在較大負荷范圍內不超溫，根據最佳速比設計原則調整通流幾何尺寸并兼顧氣流通道的光順性。

（2）在氣動設計中采用根部高反動度設計，并控制反動度沿葉高緩慢變化，使末級葉片具有良好的氣動性能；在結構設計中通過適當的葉片材料選擇、葉片型線設計以及葉片連接型式，使末級葉片能夠承受小容積流量下可能發生脫流、倒流等引發的交變動應力，具有較高的強度、剛度、良好的阻尼特性。

（3）新的低壓轉子為2×4級，與舊轉子相比減少兩級葉輪，通過調整無葉輪側轉子直徑，實現新低壓轉子重量與舊轉子重量相當，保持低壓軸承載荷的穩定性。對低壓轉子臨界轉速進行優化并根據需要進行調整，使低壓轉子臨界轉速在原設計轉速范圍內，保證軸系穩定性。

（4）排汽溫度升高后，低壓轉子膨脹量明顯增大，重新設計通流部分動靜間隙和汽封，通過增加低壓前后軸端汽封圈數量并使用刷式汽封等，減少低壓前后軸封漏汽量。當低壓缸排汽溫度達到100℃時，為防止低壓缸對其前后軸承箱的熱輻射，采取遮熱措施，最后兩級隔板采用平滑過渡的導流環代替，同時對后缸噴水系統進行改造，用后缸噴水進行降溫。

（5）低壓缸雙背壓雙轉子互換，新、舊轉子需具備完全互換性以滿足軸系對轉子的聯接要求，如何保證聯軸器銷孔的一致性是其技術難點。液壓拉伸螺栓采用錐套和錐形螺栓配合使用，通過二次拉伸，滿足安裝精度和緊力的要求。在每年需要二次更換轉子的情況下，可以保證更換轉子后不需重新鉸孔。

機組改造后，低壓缸通流部分示意圖如圖1所示。

2.2 凝汽器改造內容

為了適應高背壓工況下，較高的低壓缸排汽溫度和排汽壓力，以及低背壓和高背壓工況下凝汽器運行工況的巨大變化，凝汽器進行加強型整體改造。對冷卻管束、管板、支撐板及水室進行重新設計改造，水室采用弧形水室。N-8830加強型凝汽器為單背壓、單殼體、表面式凝汽器，循環水采用雙流程、雙進雙出。為適應冬季高背壓供熱運行時殼體高溫引起的熱膨脹，在后水室側殼體上焊接了膨脹節，在后水室下部設有一個滑動支座，滑動面采用PTFE板，用于支撐后水室重量，吸收軸向熱膨脹。凝汽器喉部與汽輪機排汽口采用焊接連接，下部彈簧支撐，安裝時凝汽器重量由彈簧承受，運行時凝汽器上、下的熱膨脹由彈簧補償。殼體內部由中間管板支撐加強，傳熱管材料為TP316L，管子與管板之間連接采用先脹后焊的工藝，從而保證管子與管板的連接不因溫度高而松脫，保證了密封性能。凝汽器管板采用適當加厚的Q345R鋼板。

2.3 機組輔助系統改造

（1）在機組高背壓供熱期間，發電機空冷器、冷油器、冷水器、給水泵冷油器等設備的冷卻用水，因供熱循環水溫度較高而不能使用，從臨機循環水系統另接一路水源至本機。

（2）在機組高背壓供熱期間，凝結水溫度升高，軸加熱負荷增加，導致其對軸封回汽的冷卻能力降低，同時造成回汽不暢，繼而軸封處易漏汽，造成油中帶水。因此在軸加進水管上加裝1臺冷卻器，將凝結水溫度由80℃降至40℃左右，從而保證軸加對軸封汽的冷卻能力正常，避免了軸封汽回汽不暢。

3 機組改造后性能試驗結果分析

機組改造后，進行了高背壓純凝、高背壓帶中低壓缸聯通管抽汽工況的性能試驗，以分析機組高背壓改造后的經濟指標、供熱能力、帶電負荷能力，以及機組全年運行的經濟性。

3.1 機組高背壓供熱工況的性能試驗結果

機組改造后，高背壓供熱工況下，進行了3VWO工況、順序閥110MW工況、VWO工況、以及采暖抽汽量75t/h、50t/h工況的試驗，試驗結果見表2。

3.2 高背壓運行方式下的經濟性能分析和供熱運行優化

機組高背壓供熱，熱耗率和熱效率受循環水溫度和循環水流量的影響較大，受汽輪機進汽參數和排汽參數的影響小，根據制造廠提供的參數修正曲線進行試驗結果修正時，修正量也小，對于順序閥110MW工況，主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度、再熱蒸汽壓損、低壓缸排汽壓力五項對機組試驗熱耗率的總修正系數僅為1.000 103，而且制造廠沒有提供高背壓供熱參數和采暖抽汽參數影響的修正曲線，因此在進行以上試驗結果的分析比較時，只分析試驗熱耗率。

在高背壓純凝工況，機組試驗熱耗率從3673.8kJ/kWh到3724.2kJ/kWh，低壓缸效率約86.8%。根據制造廠設計計算書，112MW工況下的設計熱耗率為3776.6kJ/kWh，設計低壓缸效率為91.34%，循環水流量為7240t/h，循環水進水溫度52.78℃，循環水出水溫度72℃。由于試驗時循環水出水溫度比設計值高，供用戶的熱量高，因此試驗熱耗率比設計值低，但低壓缸效率沒有達到設計值，說明低壓缸高背壓改造的設計技術和加工技術還有待于改進。

比較高背壓純凝工況和帶采暖抽汽工況，由于高、中壓缸沒有改造，試驗得到的高、中壓缸效率差別不大，其中的差別只跟工況調整有關。帶采暖抽汽工況，由于采暖抽汽量沒有經過低壓缸做功，因此在相同的機組進汽流量和熱負荷情況下，機組發電功率降低，機組試驗熱耗率增加。

表2 超高壓140MW機組高背壓改造后供熱工況性能試驗結果

高背壓供熱機組，凝汽器作為外部供熱管網的一級加熱器，中低壓缸聯通管上的采暖抽汽，作為外部供熱管網的二級加熱汽源。在熱網熱負荷一定的情況下，應優先由凝汽器供熱，如用聯通管上的采暖抽汽供熱網負荷，汽輪機功率存在損失，汽輪機熱耗率增加。在冬季供暖期，根據熱負荷情況，機組應優先采用凝汽高背壓供熱，并調整循環水流量和循環水出水溫度在最佳狀態，當熱負荷增加時，才考慮由機組采暖抽汽作為熱網加熱器的二級汽源，進一步加熱循環水。此種運行方式，可使汽輪機和凝汽器在最佳的設計狀態下運行，汽輪機組熱效率最高，節能效果最好。

3.3 機組改造后全年運行的經濟指標

機組供暖期結束，低壓缸復裝原設計的低背壓運行的低壓轉子，由機組低背壓工況的性能試驗結果，125MW工況下，機組試驗發電功率125 117.3kW，試驗熱耗率8726.496 kJ/kWh，修正后熱耗率8474.528kJ/kWh，而機組改造前低背壓125MW工況下，修正后的熱耗率為8368.75kJ/kWh，說明低壓缸恢復原設計的低壓轉子后，機組熱耗率指標基本恢復。

超高壓140MW凝汽機組高背壓改造后，高背壓工況下的最高電負荷達到111MW，熱負荷達到202.97MW，機組運行穩定，熱負荷和電負荷基本達到設計值。機組在高背壓工況運行時，原有的循環水系統退出運行，由熱網循環泵建立起新的“熱-水”交換系統，機組冷源損失降為0，汽輪機組熱效率最高達到98%，平均為97.268%。三個高背壓純凝試驗工況，機組試驗熱耗率平均值為3701.23kJ/kWh，鍋爐效率取為0.9、管道效率取為0.99，則機組發電煤耗為141.74g/kWh，而改造前純凝工況機組發電煤耗為320.48g/kWh，按機組年利用小時5500h（即相當于機組全年負荷率75%，運行小時7300h），每個供熱季4個月可節約標煤約45 876.6t。改造后純凝工況機組發電煤耗為324.53g/kWh，綜合全年4個月高背壓供熱工況期和8個月低背壓純凝工況期，機組全年加權平均發電煤耗率為263.6g/kWh，優于超超臨界1000MW機組的發電煤耗率。

4 結語

超高壓140MW凝汽機組采用“雙背壓雙轉子互換”方式，對低壓缸通流部分進行了改造，采暖期凝汽器高背壓運行，非采暖期低背壓運行，滿足了機組冬季高背壓供熱和全年經濟運行的要求。采用液壓拉伸螺栓實現了新、舊轉子的完全互換；通過對低壓后缸噴水系統優化，增加噴水量，對低壓缸前后軸承箱采取遮熱措施，有效避免了低壓缸排汽溫度高帶來的危害；通過凝汽器加強型整體改造，保證了凝汽器在較高的低壓缸排汽溫度和排汽壓力，以及低背壓和高背壓運行工況巨大變化下運行的安全性。改造后機組性能試驗數據和經濟指標統計表明，“雙背壓雙轉子互換”方式的供熱改造具有良好的經濟效果和推廣價值。

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