200MW超高壓抽凝式汽輪機組高背壓改造的可行性研究

周博

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

0 引 言

國家政策對現有機組能耗指標及排放標準越趨嚴格，導致當今電力市場200 MW以下機組生存空間越來越小[1]。但隨著我國北方地區供熱需求進一步增加、供熱型式向大面積集中供熱發展，整體所需供熱量大幅增大。在此形勢下，將原200 MW凝汽式機組進行高背壓供熱改造就是拯救老200 MW機組最有前景的方案之一。如今將機組進行高背壓供熱改造具體有兩種方法：一種為低真空供熱改造；另一種為高背壓光軸改造。具體改造方案下面分別會進行詳細分析論述。

1 高背壓改造具體方案分析

1.1 循環水低真空供熱技術

低真空供熱是指通過特定的手段降低凝汽器真空度，進而提高機組排汽背壓、提高機組排汽溫度，利用汽輪機排汽來加熱熱網循環水，并利用循環水對外進行供熱的運行方式[2-7]。

圖1 參考熱平衡圖

以某廠200 MW超高壓汽輪機為例，機組為三缸兩排汽單軸結構型式，具有一次中間再熱，進汽參數為12.75 MPa/535℃/535℃。在原機組冷凝系統基礎上，將凝汽器冷卻水系統與熱網循環水回路通過管道連接，使機組低真空運行時溫度較高的凝汽器冷卻水可以在熱網換熱站中釋放熱量，達到機組排汽為熱用戶供熱的目的。同時，機組乏汽大量余熱得以利用，可以大幅提高機組循環熱效率。

低真空改造工程中，需要特別注意熱網循環水量、熱網回水溫度及機組常見負荷這三個關鍵性的參數，根據某電廠汽輪機組的實際情況，可設計以下兩種改造方案[8-13]：

1）方案一。此方案不考慮連通管采暖抽汽，低壓缸各級面積按純凝工況進行設計，低壓缸按照全容量設計通流面積，采取低壓前三級不動，將末兩級去掉，重新更換一級新的末級葉片。這一方案下，機組冬季應盡可能按照大負荷運行，負荷不要低于150MW。盡量不抽汽或少抽汽，同時循環水量應在11000 t/h以上為宜。

為了保證機組的安全運行，并且低壓末葉不發生較大的鼓風現象，因此對應低真空運行的最高背壓計算值最高為是36 kPa.a。參考熱平衡圖如圖1所示。

由于200 MW機組再熱壓力較低，改造起來比較困難，為滿足用戶需求，考慮如果可以降低再熱溫度，即在再熱溫度降低為525℃的情況下，對應低真空運行的最高背壓計算值為是38 kPa.a。任何時候為保證機組安全運行，排汽溫度都不應高于80℃。方案熱平衡圖見圖2所示。

2）方案二。此方案考慮采暖抽汽，按抽汽工況（最大抽汽量為240 t/h）來設計低壓缸，低壓缸按照半容量設計通流面積，采取更換低壓葉片，新設計的低壓共4級。低壓缸排汽保證不大于270 t/h。因此夏季純凝工況時，汽輪機的最大負荷會受到一定限制。本改造方案對應的循環水量應在8000～11 000 t/h之間為宜。

為了保證機組的安全運行，并且低壓末葉不發生較大的鼓風現象，因此對應低真空運行的最高背壓計算值為是38.7 kPa.a。方案熱平衡圖如圖3所示。

根據計算，若適當降低再熱溫度，可以改善排汽過熱現象，但是改善幅度不大，計算結果顯示，再熱溫度降10℃，冬季背壓可以允許升高2 kPa，但是出力會下降一些，大約2 MW。任何時候為保證機組安全運行，排汽溫度都不應高于80℃。

技術完善過程中需要遵循以下設計原則[14-17]：1）低真空改造時需保持機組設計進汽參數不變；2）低真空改造時需保持機組回熱系統與再熱參數不變；3）安全可靠性第一，采用的技術成熟可靠；4）對低壓部分進行改造，高中壓部分不改造；5）保證機組支撐、死點位置不改動、推力在安全運行允許范圍內；6）設計、制造、檢驗符合現行的國際、國家及行業的標準和要求。

圖2 方案熱平衡圖

圖3 方案熱平衡圖

1.2 高背壓光軸供熱改造技術

因供暖期的需要，除了上述的低真空供熱改造方案外，現多家電廠均對機組進行了汽輪機光軸改造，光軸改造方案也是目前機組供熱改造的手段之一，光軸改造技術簡單來說即低壓缸不進汽，主蒸汽由高壓主汽門、高壓調節汽門進入高中壓缸做功。中壓排汽（低加回熱抽汽切除）全部進入熱網加熱器供熱。低壓轉子拆除，更換成一根光軸，連接高中壓轉子與發電機，起到傳遞轉矩的作用。

機組在運行過程中，光軸會與低壓缸內的蒸汽（或空氣）產生摩擦鼓風發熱，需要對其進行冷卻，這個冷卻方案要結合冷凝器的運行方式一并考慮，有兩種情況：一是冷凝器熱備用，對光軸采用蒸汽冷卻；二是冷凝器停用，采用鼓風機冷卻。

1）冷凝器熱備用，采用蒸汽冷卻。原機組給水系統采用100%汽動給水泵組，導致改造后凝汽器仍需要接收給水泵汽輪機排汽。因此，為維持凝汽器及給水泵正常運行，需要增設一臺小循環水泵[3]。運行中為了防止低壓缸鼓風發熱，讓10 t/h蒸汽減溫減壓后（60～90℃）進入低壓缸，帶走熱量。運行中真空泵正常運行，少量循環水進入凝汽器，機組真空5～10 kPa，低壓軸封不做改動，運行中正常供汽密封。這樣做的優點是系統改動量小、廠用電少，缺點是要增加小循環泵、減溫減壓器等，同時運行中循環水系統、軸封系統均要運行，維護工作量較大。

2）冷凝器停用，采用鼓風機冷卻。冷凝器也可以停用，配1臺合適容量的鼓風機，將一股空氣從冷凝器人孔鼓入，從低壓缸上部原低壓進汽口排出，以帶走光軸的摩擦發熱量。給水泵采用電動給水泵（如電廠已經有1臺50%容量的，需要再增設1臺）。這樣做的優點是系統簡單、維護工作量較小、系統節能，缺點是需要增加少量廠用電。

圖4 方案熱平衡圖

仍然以某廠200 MW超高壓汽輪機為例，在采暖季前將原汽輪機組的低壓轉子更換為光軸轉子，將連通管及蝶閥拆除，徹底解列低壓缸運行，中壓缸排汽大約有5.0 t/h蒸汽引入低壓缸，冷卻光軸，其余蒸汽全部進入熱網加熱器去供熱，光軸轉子直接連接中壓轉子和發電機轉子，不做功，僅起傳遞轉矩的作用[3]。在采暖季結束后，將低壓光軸轉子再更換為純凝轉子，并安裝上原連通管，即完全恢復至純凝機組設計狀態。

機組改造過程中需要遵循以下設計原則：1）低真空改造時需保持機組設計進汽參數不變；2）低真空改造時需保持機組回熱系統與再熱參數不變；3）安全可靠性第一，采用的技術成熟可靠；4）高中壓部分不改造、對低壓部分進行改造；5）保證機組支撐、死點位置不改動、推力在設計規范范圍內；6）新設計一根低壓供熱光軸，光軸轉子和純凝低壓轉子每年進行互換使用，其對輪連接按我廠工藝方案執行；7）設計、制造、檢驗符合現行的國際、國家及行業的標準和要求。

凝結水系統改造方案說明：改造后1#、2#低加汽側切除，水側正常運行，3#、4#低加正常投運，軸封系統不做改動[18-20]。按照電廠要求，100 t/h熱網疏水引接至凝汽器，其他熱網疏水經疏水泵直接回到3#低加。方案熱平衡圖如圖4所示。

綜上所述，通過低真空供熱改造就光軸改造，可以實現電廠需要增加機組供熱面積的需求。

2 結語

低真空供熱改造與光軸改造方案相比較而言，低真空供熱改造技術較復雜，要求有充足的熱網循環水量、較低的熱網回水溫度，適用于機組常見負荷在80%額定負荷左右；光軸改造技術較為簡單，對熱網循環水量及熱網回水溫度沒有苛刻要求，適用于機組負荷較低的情況下。

綜上所述，通過高背壓改造，提高了機組的排汽溫度，實現了冬季供暖期間機組排汽余熱的利用，增加了機組的供熱能力，減少了環境污染，符合國家規定的熱電廠以熱定電運行方式。

[參 考 文 獻]

[1] 王慶一,陳彥碩.供熱初末期50MW機組低真空循環水供熱的可行性[J].節能,2013,32(12):25-29.

[2] 駱宗偉.凝汽發電低真空供熱[J].礦業工程,2013,11(3):66-67.

[3] 田曉龍,張雷,卜心明.試論200MW機組汽輪機低壓轉子光軸供熱改造[J].內蒙古教育(職教版),2016(10):91-92.

[4] 方守印,楊成寶.汽輪機低壓排汽缸排汽壓力的變化對汽輪機運行的影響[J].汽輪機技術,2013,55(6):471-472,475.

[5] 崔冰.100MW機組低真空供熱可行性分析 [J].資源節約與環保,2015(1):9-13.

[6] 楊明.哈發公司#1機組低真空供熱改造報告[J].中國科技投資,2016(7):161.

[7] 王國斌.汽輪發電機組低真空供熱的應用[J].內蒙古科技與經濟,2017(2):111-112.

[8] 張子敬.低真空供熱熱網改造中的經濟性探討 [J].節能技術,2005,23(3):267-269.

[9] 包偉偉,任偉,張啟林,等.大型空冷機組低真空供熱特性分析[J].區域供熱,2015(4):73-78,124.

[10]李伍亮.300MW等級汽輪機低真空供熱改造研究[J].機械工程師,2015(11):276-277.

[11] 王峻青,李凱.低真空供熱改造技術在汽輪鼓風上的應用[J].冶金動力,2016(4):31-33.

[12] 潘瑞巖,馬振軍.關于汽輪機低真空供熱的討論[J].林業科技情報,2008,40(1):55-56.

[13] 高英權,朱振軍,馬清泉,等.低真空抽凝式汽輪機排汽供熱的研究及其改造[J].節能技術,2005,23(2):165-166,176.

[14] 高旭峰,夏顯杰.超高壓150MW機組低真空供熱改造分析[C]//京津冀晉蒙魯電動機工程(電力)學會第二十三屆學術交流會論文集.2013:430-435.

[15] 劉云松.關于北方某電廠低真空供熱方案的可行性[J].林業科技情報,2013,45(1):58-59.

[16] 王正.低真空供熱的設計及應用[J].城市建設理論研究(電子版),2015(11):1425-1426.

[17] 李勇,趙會剛,曹麗華,等.汽輪機低真空供熱時最末級的運行特性分析[J].東北電力學院學報,2004,24(2):6-9.

[18]欒忠興,徐立巍.汽輪機低真空供熱的經濟性分析[J].東北電力學院學報,2003,23(4):44-47.

[19]王曉紅,孫超.凝汽器低真空供熱經濟性分析 [J].華電技術,2009,31(1):37-39.

[20]李曉忠.凝汽式汽輪機低真空供熱改造分析[J].河北電力技術,2006,25(4):38-40.