直接空冷機組高背壓供熱系統及安全運行

黃治坤,張 攀,張艷輝,徐則林,楊世斌

(1.國電科學技術研究院北京電力技術研究分院,北京100081；2.國電榆次熱電有限公司,山西晉中030600)

直接空冷機組高背壓供熱系統及安全運行

黃治坤1,張 攀1,張艷輝1,徐則林1,楊世斌2

(1.國電科學技術研究院北京電力技術研究分院,北京100081；2.國電榆次熱電有限公司,山西晉中030600)

對直接空冷機組高背壓供熱系統進行了介紹,對高背供熱方式下的幾個關鍵問題進行了論述。通過控制低壓缸的進流量或進汽溫度來防止高背壓運行工況下低壓缸末級葉片產生鼓風；在單列小進汽流量下,通過打開此列的凝結水門和關閉真空門可有效防凍；通過優化全廠機組間的負荷分配可以提高高背壓供熱方式下運行經濟性；通過增加水環真空泵工作水冷卻裝置,提高真空泵的抽吸效率。工程實踐證明空冷機組高背壓供熱是一種安全可靠的供熱方式。

直接空冷機組；凝汽器；大口徑蝶閥；鼓風

供熱的熱效率主要體現在其對蒸汽汽化潛熱的利用上；熱電聯產的經濟性主要體現在供熱蒸汽做功能力的利用上,包括用來發電和驅動設備。排汽熱損失是火電廠熱損失中最大的一項,汽輪機排汽潛熱沒有釋放,且蒸汽的做功能力也沒有充分發揮出來,若能加以利用,機組的熱效率必將大幅提升。而排汽余熱最為有效的利用方式就是用來加熱熱網循環水,進行冬季采暖供熱［1-2］。目前較常見的余熱利用方式有熱泵技術和循環水高背壓供熱技術。濕冷機組的循環水高背壓供熱在國內已有工程案例［3-4］。

空冷機組高背壓供熱技術的應用,是通過改變供熱方式,實現熱能轉化梯級利用,相對傳統供熱方式獲得更多的經濟效益。筆者結合示范工程對直接空冷機組高背壓供熱系統進行了介紹,同時對系統改造和運行中的關鍵問題進行了論述,對末級鼓風現象的防止、空冷島防凍、電負荷經濟分配、水環真空泵低真空運行提效做了分析,對空冷機組高背壓供熱技術的推廣具有借鑒意義。

1 總體改造方案

1.1 機組概況

某廠300 MW機組汽輪機為NZK330-16.7/ 538/538型亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸、雙排汽、直接空冷凝汽式汽輪機。汽輪機設有七段不調整抽汽,高壓缸設有二段抽汽,分別供1號、2號高壓加熱器；中壓缸設有二段抽汽,分別供3號高壓加熱器和除氧器；低壓缸共有四級葉片,設有三段抽汽,分別供5號、6號及7號低壓加熱器。空冷島工程ACC系統共6列,每列配備6臺風機。風機由變頻電機經減速機驅動,所有的風機和電動機在30%～110%的額定風機轉速范圍內運行,風機電動機最小轉速為30%。每列2、4單元的風機應可以反轉,其他風機不能反轉。機組第一、二、五、六列裝有蒸汽隔離閥、凝結水閥和抽真空閥。機組配備3臺水環真空泵,正常情況下一用二備。

機組在冬季由2臺機組共同承擔全廠的采暖熱負荷,當前全廠最大采暖抽汽量為650 t/h,共布置有4臺熱網加熱器,供汽采用母管制,由機組的五段抽汽(中排)供汽。

1.2 系統布置連接及供熱方式

圖1為高背壓供熱系統圖。

在空冷汽輪機主排汽管上增設一旁路排汽至低位熱源加熱器,通過低位熱源加熱器表面換熱來加熱熱網循環水回水,在低位熱源加熱器入口蒸汽管道上裝有大口徑真空電動蝶閥。在空冷島上方原6列排汽支管中有2列未裝設閥門,改造時在此2列處增設大口徑真空電動蝶閥,這樣便于機組在供熱期運行時利用這些閥門,實現對空冷凝汽器的調整和切除；低位熱源加熱器的排汽凝結水接至原空冷凝結水回水母管至機組回熱系統。原機組具有的中排抽汽供熱系統保留,作為尖峰熱負荷時調整采用。

不對汽輪機本體作任何改造,根據空冷汽輪機的高背壓設計特點,機組可以在34 k Pa的高壓下長期穩定運行,主要是末級葉片的設計適應較寬范圍的背壓變化［5-6］。所以在改造后,供熱期間機組的最高背壓控制在34 k Pa。當熱網循環水供水溫度要求低于71℃時,僅利用汽輪機排汽通過低位熱源加熱器加熱循環水即可滿足供熱要求。當供水溫度要求高于71℃時,除利用汽輪機排汽通過低位熱源加熱器加熱循環水作為基本加熱手段外,還需利用原五段抽汽供熱系統,提供部分五段抽汽作為尖峰加熱手段,繼續加熱循環水,從而達到外網要求的供水溫度。

在供熱初末期供熱量較小,單臺機組只需要維持在34 k Pa以下的背壓下運行就可以滿足供熱的要求；同時原來的五段抽汽也不需要抽汽供熱,鄰機采用純凝的運行方式。在采暖的高峰期供熱量增大,僅一臺機組采用高背壓和中排聯合供熱的方式不能滿足供熱要求,這時鄰機也要參與供熱。

2 高背壓運行中的重要問題及應對

2.1 機組末級鼓風現象的產生與防止

在原冬季運行方式下,機組的背壓為10 kPa左右,機組的排汽干度為0.96,對應的排汽比體積為14.1 m3/kg；當運行背壓提高到34 k Pa,干度增加到0.97左右,對應的排汽比體積為4.50 m3/kg。壓力升高后,機組的排汽比體積減小為原運行壓力下的32%,所以同樣的排汽流量下,到末級前的體積流量減小了68%。末級葉片前的體積流量太小,首先會在葉根處出現流動分離,出現渦回流,這時蒸汽不但不做功,還起反作用,產生鼓風,致末級效率急劇下降,因此在運行過程中要避免鼓風現象的產生［7-8］。一般認為空冷機組在高背壓低負荷可能會由于體積流量減小而出現鼓風［9］,而鼓風狀態的存在,使得在從葉根到約45%葉高區域的汽溫上升,成為過熱蒸汽［10］,所以高背壓運行直接空冷機組在高背壓小體積流量時,如果低壓缸排汽溫度高于排汽壓力對應下的飽和溫度時,極有可能已經發生鼓風現象,這時要加以干預。廠家在設計計算時,計算過產生鼓風時的體積流量的大小。由于缸效和進汽溫度與設計存在一定的偏差,所以根據實際運行數據最有說服力。

試驗條件為背壓維持在34 kPa,機組負荷為230 MW。試驗過程中熱網循環水流量為9 500～10 000 t/h。試驗開始時排汽溫度對應運行壓力下的飽和溫度,在濕蒸汽區；然后通過不斷提高循環水供水溫度,增加機組中排抽汽量,減少低壓缸的進汽流量。低當壓缸出現約2～5 K的過熱度時,通過計算低壓缸的排汽量為447 t/h,排汽的體積流量為558 m3/s。當進汽溫度波動±10 K,基本上排汽出現過熱時的排汽流量在440～450 t/h。

通過現場實際的調整經驗來看,為了消除鼓風,當出現鼓風時,在不影響供熱和發電負荷情況下,最直接最快速的調整方法是降低再熱汽溫(可通過減溫水調節)。降低再熱汽溫防止出現鼓風的原理見圖2。

圖2 降低再熱汽溫后膨脹曲線示意圖

從圖2可以看出：如不降低再熱汽溫出現鼓風時,低壓缸中的膨脹曲線如1-3；低壓缸進汽溫度從1降低到2(通過降再熱汽溫),如不考慮體積流量的變化,膨脹曲線會變為2-5,這時排汽溫度會從3點下降到5點。但溫度降低以后,同樣負荷下蒸汽的比體積也會降低,也會使鼓風現象加劇。所以,當降低再熱汽溫后,低缸的膨脹曲線會變成2-4,相比3點,4點的溫度有所降低。稍慢一點的調整方法是通過熱電負荷的調整,減少高背壓運行機組五抽采暖供汽量,增加其低壓缸的進汽量。雖然通過提高循環水流量、降回水溫度增加排汽供熱量也可以增加排汽量,但供熱的外部條件很難改變。

在運行中,要防止鼓風的發生,就要保證低壓缸的最小進汽流量。流量的大小可以根據六段抽汽壓力來判斷。圖3中給出了不同試驗工況下低壓缸排汽流量同六段抽汽壓力之間的關系曲線,線性相關系數R2=0.999 4≈1,說明線性關系很好,所以可以用六段的抽汽壓力來表征排汽流量的大小。

圖3 不同工況下排汽流量同六抽壓力的關系

2.2 空冷島最小進汽流量與防凍

在冬季運行,低位熱源加熱器的排汽流量在300 t/h以上,同時中壓排汽還利用一部分蒸汽,所以進空冷島的蒸汽流量一般情況下都不超過300 t/h,由兩列風機運行可維持機組背壓。所以在冬季高背壓供熱情況下,空冷島長時間只運行一到兩列風機,有一列處于備用投入狀態。通過實際運行,環境溫度在-10～20℃,當只留最后一列風機,且順流區的風機全停,逆流區風機低速運行,門全開進汽量為50～60 t/h,這種狀態下運行,空冷島運行情況良好,且背壓可以維持。在關閉某一列風機時,當風機幾乎全停,進汽門也接近全關,有個別門不嚴的情況,這時空冷島的進汽量在10 t/h以下,在這種情況下維持長時間運行,開啟凝結水門,關閉抽真空門,空冷島沒有出現凍結的狀況。當真空門不關時,由于真空的抽吸作用,蒸汽流到較遠處充分冷卻后會出現凍結的情況,主要是背壓高,進汽溫度高,開啟凝結水門,蒸汽在散熱片中還沒有完全冷卻就由于壓差作用被抽到熱井中去了。在最后一列解列時,可以改變此列的邏輯,當進汽門關到50%以下時,就可以關閉此列的抽真空門,防止這一列在小汽量進汽下的凍結。不是最后一列解列時,就要迅速關閉進汽門,快速解列,防止解列過程中出現凍結,關后門不嚴時,可以開啟此列凝結水門,關閉抽真空門。所以可以認為高背壓的運行方式下,對空冷島的冬季防凍是有利的,基本上不存在冬季防凍的問題(環境溫度-25℃以上沒有問題,但當環境溫度低于-30℃,要根據實際情況進行驗證)。同時對于鄰機,由于五抽采暖抽汽量減少,排汽量增加,也利于鄰機的空冷島防凍。

所以對于直接空冷機組進行高背壓供熱系統改造時,最理想的狀態是供熱所需熱負荷剛好完全利用完低壓缸排汽余熱,在此狀態下,空冷島完全解列。

2.3 電負荷的經濟分配

在高背壓的運行方式下,為了提高供熱的經濟性,在保證低壓缸最小進汽流量的情況下,要盡量減少空冷島的進汽流量,減少高背壓工況下做功的蒸汽。在實際運行中,機組負荷采用單機調度的方式,當高背壓運行的機組負荷較高、五段抽汽量又較少時,這時進入空冷島的排汽量本身就較大,同時鄰機的帶負荷能力還有很大裕量,這時要求高背壓運行機組加負荷,會進一步增加空冷島的汽量,蒸汽做功能力損失很大。所以這是一種很不經濟的負荷分配方式。

以數據分析,在34 k Pa高背壓運行方式下,進入熱網凝汽器蒸汽的平均焓值為2 570 kJ/kg,鄰機平均運行背壓為10 k Pa,平均排汽焓為2 435 kJ/kg,在供熱量不變的前提下,對于鄰機每增加10 MW負荷,排汽量增加約20 t/h,相對高背壓運行機組,這部分排汽多做功0.75 MW。所以最經濟的方式就是先把負荷加到鄰機上。高背壓運行的機組,負荷維持在230～260 MW,通過調整五采暖抽汽量來保證空冷島進最少汽量。當要加負荷時,由鄰機來進行加負荷,當鄰機達到最大出力以后,再由高背壓運行的機組進行加負荷。這就要電廠同當地的電力主管部門進行協商,改變全廠電負荷的調度方式,由單機調度的方式轉變為全廠調度。

2.4水環真空泵低真空下的運行提效

機組原水環真空泵正常運行情況下一用二備,單臺水環真空泵可以滿足機組長期運行的需要。在高背壓投運一段時間后,出現了熱網凝汽器上端差大的問題；當運行2臺真空泵后,端差可恢復正常。懷疑是漏空氣所致,但真空嚴密性合格。最后發現,高背壓投運很短的時間后,真空泵運行電流明顯下降,工作水溫度升高,水環真空泵出現抽吸效率低的問題［11］。針對這種問題可以通過增加水環真空泵工作水冷卻裝置,加強換熱,以提高真空泵的抽吸效率［12］。

3 結語

筆者對直接空冷機組高背壓供熱系統及供熱運行方式進行了介紹；對運行中出現的問題進行了分析,并提出了應對的方案措施。通過改造并實際運行,說明了直接空冷機組高背壓供熱方式是安全可靠的,首次工程示范的成功為以后此類改造提供了豐富的參考價值。

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Introduction to High Back-pressure Heating System of Direct Air-cooling Units and the Safety Operation

Huang Zhikun1,Zhang Pan1,Zhang Yanhui1,Xu Zelin1,Yang Shibin2
(1.GUODIAN Science and Technology Research Institute Beijing Branch,Beijing 100081,China；2.GUODIAN Yuci Thermal Power Co.,Ltd.,Jinzhong 030600,Shanxi Province,China)

An introduction is being presented to the high back-pressure heating system of a direct aircooling unit,together with a description to several key problems that may occur during high back-pressure operation conditions.The air-blast failure in last-stage blade of low-pressure cylinder under high backpressure operation mode could be prevented by controlling the flow rate and inlet temperature of the steam. When the inlet flow rate of one row is low,freezing of the row could be forbidden through opening the condensate valve and closing the vacuum valve of the row.The economy of the heating mode could be improved by optimizing the load allocation.The efficiency of the water ring vacuum pump could be raised by adding cooling equipment for the working medium.Practical applications prove the high back-pressure heating mode of direct air-cooling unit to be safe and reliable.

direct air-cooling unit；steam condenser；large caliber butterfly；air blast

TK262

A

1671-086X(2015)03-0196-04

2014-06-26

黃治坤(1987-),男,工程師,主要從事火電機組節能研究。

E-mail：huangzhikunp@163.com