凝汽式汽輪機高背壓循環(huán)水供熱改造技術(shù)研究

曾婭

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

凝汽式汽輪機高背壓循環(huán)水供熱改造技術(shù)研究

曾婭

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

文章通過對汽輪機低壓通流及凝汽器改造，充分利用汽輪機排汽中的低位能供熱，極大提高了能源利用。文章研究了汽輪機高背壓供熱改造對軸系靜動特性、機組熱膨脹的影響，總結(jié)了本體結(jié)構(gòu)及設(shè)備保溫設(shè)計特點，探討了保證機組安全運行的末端冷卻手段及安全保護值設(shè)定。

高背壓，循環(huán)水供熱，雙轉(zhuǎn)子，供熱改造

0 引言

熱電聯(lián)產(chǎn)是熱能和電能聯(lián)合生產(chǎn)的一種高效能源生產(chǎn)方式，也是一種公認的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。其根據(jù)能源梯級利用的原理，將一次能源燃燒后既生產(chǎn)電能又利用已作功蒸汽對用戶供熱，能夠提高能源的利用效率。高背壓雙轉(zhuǎn)子互換循環(huán)水供熱改造機組，即在供暖期使用高背壓轉(zhuǎn)子，利用汽輪機排汽產(chǎn)生的熱量用于供暖；而在非供暖期使用高效純凝轉(zhuǎn)子提高發(fā)電效率。高背壓工況下，冷卻水采用熱網(wǎng)循環(huán)水，回收所有乏汽，汽輪機冷源損失降低接近為0，大大提高機組的循環(huán)效率，節(jié)能效果顯著。

1 技術(shù)特點概述

汽輪機高背壓雙轉(zhuǎn)子互換循環(huán)水供熱改造，主要改造部分為汽輪機的低壓部分和凝汽器部分。汽輪機的外缸、軸承座、基礎(chǔ)及管道布置保持不變，對300 MW汽輪機高背壓工況進行低壓缸全新通流設(shè)計，運用部套無擾切換、軸系調(diào)整與優(yōu)化、凝汽器流程快速切換等先進技術(shù)，實現(xiàn)在采暖期高背壓循環(huán)水供熱的目的。機組在供暖期采用高背壓模塊，凝汽器切換四流程，利用排汽加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，滿足居民供暖需要；非供暖期采用低壓通流優(yōu)化模塊，提高通流效率，凝汽器切換至純凝狀態(tài)，滿足低能耗發(fā)電需要。

2 供暖期與非供暖期無擾切換

機組在供暖期采用高背壓轉(zhuǎn)子，次年供暖結(jié)束后，揭缸更換為高效純凝轉(zhuǎn)子，如此循環(huán)，每年揭缸兩次。這要求供暖期與非供暖期通流必須保持高度通用性，以實現(xiàn)無擾切換。改造后，部套的使用情況見表1。

表1 改造范圍

從表1可以看出，每次開缸僅需更換轉(zhuǎn)子和相應(yīng)隔板即可實現(xiàn)供暖期與非供暖期無擾切換。

改造后高背壓工況下，機組級數(shù)減少2級，通流優(yōu)化降低鼓風風險，低壓通流圖見圖1。純凝工況采用先進通流技術(shù)，提高低壓缸缸效，降低熱耗，低壓通流見圖2。

圖1 采暖期通流圖

圖2 非采暖期通流圖

3 熱力系統(tǒng)

當高背壓供熱工況時，熱網(wǎng)循環(huán)水作為凝汽器的冷卻水，凝汽器背壓升高為54 kPa，此時凝汽器出口溫度為80℃。初末寒期，熱網(wǎng)循環(huán)水80℃已滿足供暖需求。極寒期，可采用本機抽汽或鄰機抽汽，在熱網(wǎng)首站對熱網(wǎng)循環(huán)水進行二次加熱，可滿足更高要求的供暖需要。回水釋放熱量后，溫度降為50℃，再回到凝汽器，構(gòu)成完整循環(huán)水路。系統(tǒng)圖見圖3。

圖3 熱力系統(tǒng)圖

高背壓供熱工況時，由于取消了末兩級，在高背壓正常運行工況下，8#低加前后端差為0，實際上僅起到通道作用。再考慮到一年兩次的拆裝量，所以對8#低加不采取封堵措施。但在啟停階段對疏水有影響，后文7章節(jié)中有詳述。熱平衡圖見圖4。

圖4 熱平衡簡圖

4 軸系計算

軸系設(shè)計是汽輪機安全性的重要方面，直接影響了機組的振動情況。而高背壓循環(huán)水供熱機組在純凝期和采暖期高中壓轉(zhuǎn)子、電機轉(zhuǎn)子不變，分別采用不同的低壓轉(zhuǎn)子，兩種工況下軸系設(shè)計都必須符合相關(guān)安全導(dǎo)則。因此軸系設(shè)計是高背壓循環(huán)水供熱機組改造的技術(shù)難點之一。

高背壓工況下，去掉了低壓轉(zhuǎn)子末兩級，軸系的質(zhì)量及質(zhì)量分布發(fā)生了比較大的變化。改造后高背壓轉(zhuǎn)子模化簡圖見圖5。軸系中各轉(zhuǎn)子基本參數(shù)見表2。

圖5 軸系概況圖

表2 軸系概況表

采用傳遞矩陣法對軸系的靜動特性進行計算，軸系臨界轉(zhuǎn)速見表3，扭振結(jié)果見表4。

表3 軸系橫振計算數(shù)據(jù)表

表4 軸系扭振計算數(shù)據(jù)表

從表3可以看出高中壓轉(zhuǎn)子及電子轉(zhuǎn)子維持現(xiàn)狀，僅更換低壓轉(zhuǎn)子，軸系臨界最大變化發(fā)生在低壓一階。由于高背壓轉(zhuǎn)子質(zhì)量降低，剛度增加，使得低壓一階臨界轉(zhuǎn)速增加大約136 r/min。但臨界轉(zhuǎn)速避開率仍大于±15%，滿足軸系振動設(shè)計導(dǎo)則。

從表4來看，高背壓工況及純凝工況扭振各階頻率均避開了[45,55]和[93,108]兩個范圍，符合設(shè)計準則。

5 熱膨脹的影響

高背壓提升到54 kPa，低壓缸的排汽溫度將提高到83～120℃。但整個機組的絕對死點、相對死點、主蒸汽參數(shù)均不變，僅排汽溫度有所提高。

可以判斷改造后的熱膨脹情況與改造前類似，但低壓缸脹差略有增加。計算結(jié)果顯示低壓缸的脹差增大了0.3～0.6 mm。詳見圖6。

圖6 機組熱膨脹圖

徑向間隙方面，低壓內(nèi)缸將向上膨脹。對于“座缸”軸承，低壓轉(zhuǎn)子將隨缸一起膨脹，故徑向間隙可以認為與純凝工況保持不變。而對“落地”軸承，需對隔板汽封、葉頂徑向汽封進行偏心加工。

凝汽器高度約14 m，根據(jù)支撐方式的不同，熱膨脹的影響也不同。“彈性連接，剛性支撐”的凝汽器，喉部與低壓外缸為膨脹節(jié)彈性連接，底部為剛性支撐，熱膨脹由膨脹節(jié)吸收，對低壓缸造成影響較小。“剛性連接，彈性支撐”的凝汽器，喉部與低壓外缸為剛性連接，底部由彈簧支撐，若彈簧剛度太大，熱膨脹將直接作用于低壓缸，對主機設(shè)備產(chǎn)生安全影響。若彈簧剛度太小，又無法滿足純凝時的要求。因此對于“剛性聯(lián)接，彈性支撐”的汽輪機，選取適宜的剛度是關(guān)鍵技術(shù)之一。

按照最高溫度120℃，對地腳螺栓間隙進行校核:軸向膨脹量為4.35 mm；橫向膨脹量為4.56 mm；膨脹量仍在改造前地腳螺栓間隙內(nèi)。

6 低壓缸保護與減溫減壓系統(tǒng)

保護定值采取“三取二”的原則。測點盡量利用原有位置，數(shù)量不足時，需在合適位置增加測點。高背壓工況下，某些壓力或溫度參數(shù)將超過原有測量元件的量程，需進行更換。

低壓缸排汽溫度設(shè)置為90℃報警，140℃停機。減溫噴水設(shè)置為90℃投噴水，85℃停噴水。同時結(jié)合低壓進汽壓力與背壓關(guān)系，對低壓缸進行雙重保護。

考慮到特殊工況下排汽可能處于過熱區(qū)，故對噴水系統(tǒng)進行校核計算。減溫噴水的水源分別按照除鹽水和凝結(jié)水進行校核，見表5。

表5 噴水減溫流量計算表

Q水:冷卻水流量；H1:排汽焓值；H2:目標溫度焓值；Q:排汽流量；Hs:冷卻水焓值。

高背壓正常運行時，排汽溫度為83℃，而當主蒸汽量減少或中排抽汽過多，排汽缸溫度可能升至120℃。表5中，排汽焓值H1按照54 kPa、120℃查得。從計算結(jié)果來看，采用約11 t/h的凝結(jié)水可將低壓缸排汽從120℃降低至85℃，若采用除鹽水，用水量為9.4 t/h。

為減小凝汽器超溫，利用濕蒸汽的高效換熱性能，在凝汽器喉部增加一組水幕保護裝置，如圖7所示。當?shù)团艤囟瘸^實時排汽壓力對應(yīng)的飽和溫度（不含）時投噴水，低壓缸排汽溫度低于實時排汽壓力對應(yīng)的飽和溫度（不含）時停噴水。噴水量可由水幕保護裝置系統(tǒng)上的調(diào)節(jié)閥控制。

圖7 水幕保護裝置示意圖

7 凝汽器及低加改造

高背壓工況時，為滿足換熱需要，需增加凝汽器流程，系統(tǒng)設(shè)置見圖8。

圖8 雙流程與四流程示意圖

通過圖8中的蝶閥實現(xiàn)雙流程與四流程順利切換，滿足純凝和高背壓兩種不同工況的需求。

汽封加熱器面積由110 m2增加至200 m2，可在原系統(tǒng)不變的情況下滿足要求。由于汽封加熱器面積增大，對應(yīng)風機功率增加，軸封抽汽更強，有效控制軸端漏氣。

7&8低加為合體低加，布置于凝汽器喉部，其正常疏水方式為低加疏水經(jīng)過7號，再流經(jīng)8號，最后進入凝汽器熱井。改造后，在供熱工況，8號低加抽蒸汽量為零，若繼續(xù)采用原疏水方式，由于8號與凝汽器壓差降低，7號疏水不能滿足逐級自流要求，造成疏水不暢。因此，采用如圖9所示布置方式，在7號正常疏水閥后管道上另引一路直接到熱井，兩條管路上各加一只截止閥，以兩只閥門的啟、閉來滿足運行要求。

圖9 7號低加旁路疏水布置圖

8 低壓缸及凝汽器保溫

良好的保溫可以減少汽輪機本體及其管道表面的散熱損失,提高機組的熱效率。因此對汽輪機本體部分的保溫,從設(shè)計到施工都應(yīng)給予充分的重視。在汽輪機本體設(shè)備改造完成后，可以對低壓外缸及凝汽器外殼進行保溫。

保溫材料在使用溫度為120～150℃范圍內(nèi)要求導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.09 kcal/（m·h·℃）。最低耐熱溫度應(yīng)大于被保溫金屬表面溫度，而且在高溫情況下性能穩(wěn)定。還要求保溫材料容重輕，一般不適宜超過350 kg/m3。可以是硅酸鋁纖維毯，也可以是抹面涂層材料。較厚的硅酸鋁纖維毯不宜用于曲率半徑小的設(shè)備上。保溫材料不可含有石棉。由于一年兩次揭缸換轉(zhuǎn)子，低壓外缸的保溫層需按照上下半分別敷設(shè)，中分面要方便拆卸。

9 結(jié)論

（1）此供熱機組可完全利用排汽余熱，極大地提高機組供熱能力，大幅降低機組熱耗。解決了供暖期與非供暖期電、熱負荷不一的矛盾，對降低能源損耗，保護生態(tài)環(huán)境有極大意義。

（2）高背壓循環(huán)水供熱是一種獨特供熱方式，但研發(fā)高背壓循環(huán)水供熱機組涉及的計算原理、安全準則、技術(shù)手段與常規(guī)凝汽式汽輪機是相同的。在具體工程實施上有成熟可靠的技術(shù)保障。

（3）高背壓循環(huán)水供熱機組的成功實施不僅有利于老機組供熱改造，還可用于北方供熱期較長地區(qū)的新機。

[1]中國動力工程學(xué)會.火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊：第二卷：汽輪機[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998：.29-47.

[2]鐘一諤.轉(zhuǎn)子動力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1987.

[3]丁有宇.汽輪機強度計算手冊[M].北京：中國電力出版社，2010.

Technical Study of Heating Retrofitting with Circulation Water by High Back Pressure for Condensing Turbine

Zeng Ya

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Through the retrofit of steam turbine low pressure flow and steam condenser,it can make full use of low grade heating in exhaust steam,greatly improve energy utilization.This paper studies the effect of high back pressure steam turbine retrofit on the static and dynamic characteristics of shafting and thermal expansion,summarizes the characteristics of body structure and thermal insulation,discusses the end cooling means and the protection setting value of unit.

high back pressure,supplying heat with circulation water,double rotor,heating retrofitting

TK262

B

1674-9987（2017）02-0008-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.02.003

曾婭（1982-），女，工程師，畢業(yè)于四川大學(xué)機械制造設(shè)計及自動化專業(yè)，主要從事汽輪機本體設(shè)計工作。