325MW汽輪機低壓缸零出力技術應用實踐探析

陳元峰

（甘肅電投張掖發電有限責任公司，甘肅 張掖 734000）

1 成果背景

近年來，以風電、光伏為代表的新能源快速發展。受新能源波動性大、隨機性強等特點的影響，電網面臨巨大的調峰、調頻壓力。我國以火電機組為主的電源結構，決定的火電機組必然成為電網調峰、調頻的主力電源。而隨著我國“碳達峰、碳中和”宏偉戰略目標的提出，進一步明確了能源行業向清潔低碳、安全高效方向快速轉型的基本路線，火電機組面臨巨大的靈活調峰運行挑戰。

隨著城市現代化建設步伐的加快，張掖市的工農業生產和城市建設迅速發展，城市供熱面積迅速擴大，供熱負荷快速增長。根據張掖市城市供熱與燃氣管理辦公室發給張掖電廠的《關于提升供熱能力與保障城區供熱》的函（張掖市燃辦[2018]單臺文件），2018～2020年張掖市城區集中供熱面積缺口分別達300萬、200萬、240萬平方米，城區集中供熱能力不足問題凸顯。該文件明確指出，建議張掖電廠進行供熱擴容改造，滿足城區供熱需求，保障居民用熱。

根據《張掖市城區供熱規劃》（2007～2020）以及甘肅省建設廳《關于對張掖市城區供熱專項規劃的批復》（甘建城【2009】16號）。截至2007年底，張掖市城區的總建筑面積約為797萬平方米，集中供熱面積約為170萬平方米，最大用熱負荷約為116MW，全部由張掖恒達熱力公司提供，現集中供熱普及率為21%。張掖市至2010年城區總集中供熱面積達1263萬平方米。遠期新增加集中供熱面積1089萬平方米，至2020年城區總集中供熱面積達2352萬平方米。

甘肅電投張掖發電有限責任公司（以下簡稱“張掖電廠”）裝機容量為2×325MW。汽輪機為東方汽輪機廠生產的NC325/280-16.7/0.8/537/537亞臨界、單軸、雙缸、雙排汽、一次中間再熱、沖動、抽凝式汽輪機。2013年5月，張掖電廠1、2號汽輪機實行供熱改造。設計最大采暖抽汽量為2×400t/h。加熱汽源來自1、2號汽輪機中壓缸排汽，供熱過程通過中低壓連通管上的蝶閥調整抽汽壓力。

綜上所述，從國家政策、行業發展要求和地區供熱發展需求來看，張掖電廠面臨巨大的熱、電供需矛盾。為滿足地區供熱發展需要、響應國家火電靈活性改造政策要求和提高機組供熱期供熱能力及深度調峰能力，張掖電廠于2020年10月采用低壓缸零出力技術應用，完成提升供熱能力改造工程。

2 技術原理及性能指標

2.1 汽輪機低壓缸零出力技術原理

“汽輪機低壓缸零出力改造技術”是在低壓缸高真空運行條件下，通過在低壓缸通入少量的冷卻蒸汽，用于帶走切除低壓缸進汽后低壓轉子轉動產生的鼓風熱量。在冬季供熱需求量較高時，將低壓缸蒸汽流量用于供熱，實現汽輪機低壓缸零出力，機組發電出力顯著減小，供熱能力顯著提升。而供熱需求量較低時，機組正常運行不同的熱電需求，切換運行模式，有效地提升了機組運行靈活性。與改造前相比，“汽輪機低壓缸零出力改造技術”解除了低壓缸最小蒸汽流量的制約，在鍋爐出力不變的情況下，可顯著提高機組供熱能力；幾乎沒有冷源損失，大大降低了機組發電煤耗，有利于提高企業的市場競爭力。

2.2 張掖電廠325MW機組低壓缸零出力改造后性能指標

采用低壓缸零出力技術對單臺汽輪機提升供熱能力改造后，單臺汽輪機供熱能力大幅度提升，與改造前最大供熱抽汽量400t/h相比較，單臺汽輪機改造后最大供熱抽汽量提升至610t/h以上，增加供熱能力提高約154MW，同時在供熱季供熱抽汽量不變的前提下，電調峰能力增加110MW，實現供暖季深度調峰需求。

2.3 張掖電廠325MW機組低壓缸零出力改造后效益分析

“低壓缸零出力改造技術”在單臺機組得到了成功應用，技術指標優良，并取得了良好的經濟效益和社會效益。綜合收益包含增加供熱量收益及減少冷源損失節煤收益兩部分。單臺機組低壓缸零出力改造完畢后，采暖季低壓缸零出力一個采暖季運行小時數按照800小時計算，減少低壓缸排汽量約150t/h，節約標煤量9826噸/年（150×2400×800/29308=9826噸/年），標 煤 單價536.2元/噸，一個采暖季節煤收益為526萬元。增加供熱抽汽量180t/h，一個采暖季增加供熱量397061GJ（180×1000×800×（3092-334）×10-6=397061GJ），增加供熱收益112萬元。綜上單臺汽輪機低壓缸零出力改造完畢后年收益為638萬元，靜態投資回收期為1.65年。極大程度地提高了供熱機組電-熱能量解耦能力，改造后單臺機組供熱抽汽量可達610t/h，供熱能力極大提升且有效的降低了其最小技術出力，機組調峰深度達到了30%左右，滿足國家靈活性產業政策需求。單臺機組低壓缸零出力改造完成后，全年節約標煤總量達到9826噸；減少CO2排放25559t；減少SO2排放減少383噸；減少NOX排放97t；減少粉塵排放1966噸。提升的供熱能力至少可以增加供熱面積200萬m2，加強了滿足日益增長的民生供熱需求的安全保障。

針對“低壓缸零出力改造技術”在東汽325MW抽凝機組上應用開展了一系列針對性、適應性的研究。諸如，冷卻蒸汽系統、本體安全監測系統、真空系統改造和噴水減溫系統的設計方法、低壓缸零出力狀態下主輔設備運行特性等、安裝851mm末級葉片的低壓轉子末兩級葉片鼓風特性等。研究成果對于同類機組低壓缸零出力改造具有指導意義和實踐意義。該技術應用于燃煤火電機組，燃煤消耗和污染物排放有所降低，符合國家的節能減排國策，支撐了國家要求提升電力系統調節能力的產業政策，為破解新能源消納難題做出了貢獻，并加強了滿足日益增長的民生供熱需求的安全保障，社會效益明顯。

3 技術的創造性與先進性

（1）針對東汽325MW抽凝機組，提出了低壓缸冷卻系統設計方法，掌握了包括葉片氣動特性、冷卻蒸汽參數、排汽壓力等影響冷卻蒸汽流量的主要關聯因素，確定了冷卻管徑、壁厚以及支撐跨距等幾何結構參數和流速、溫度等熱力參數，提出了低壓缸冷卻系統設計要點。

（2）針對汽輪機低壓缸零出力運行工況下低壓末端高真空運行的技術要求，提出了低壓缸真空系統綜合治理方案。具體內容包括：汽輪機真空系統及所有可能影響真空的負壓系統（如低壓缸本體及附件、低壓缸抽汽系統、凝汽器系統等）進行氦質譜檢漏，對檢查的漏點進行治理；深度調研和對比各種低壓缸端部汽封優缺點，選用接觸式汽封降低低壓缸端部汽封泄漏量；增設一臺羅茨——水環真空泵組，在顯著降低設備耗電率的同時，有效提升抽空氣設備極限抽吸能力，提高機組運行真空度。

（3）針對低壓缸減溫水不完全閃蒸的小液滴在末級葉片的卷吸作用下對末級葉片出汽側形成水蝕的問題，提出末級葉片出汽邊防水蝕措施，降低了排汽大渦流卷吸濕蒸汽對末級葉片的危害。

（4）針對東汽325MW抽凝汽輪機低壓缸特點，創造性提出監測系統上、下缸分區布置的低壓缸鼓風區溫度監測控制方案，從而更真實反映低壓缸溫度場變化，提升低壓缸末級葉片安全運行的可靠性，同時便于后期運行維護。

（5）輔機設備高效節能運行研究。針對低壓缸零出力運行模式下，受給水泵密封水壓力限制凝結水泵無法深度變頻運行問題，提出增加給水泵密封水升壓泵（功率20kW，變頻運行），在凝結水泵深度變頻運行時開啟升壓泵滿足給水泵密封水壓力要求，實現在低壓缸零出力時凝結水泵更加節能。

（6）提出了低壓缸零出力狀態下控制系統無擾切換策略，開發了低壓缸零出力控制模塊，保證了機組在常規抽汽供熱和低壓缸零出力運行兩種狀態下的平穩切換。

（7）開展東汽325MW汽輪機低壓末兩級葉片鼓風特性試驗研究，得出了葉片鼓風與凝汽器真空、冷卻蒸汽流量、冷卻蒸汽溫度等邊界參數的定量關系，為低壓缸零出力運行工況的投入/調整/切除及優化運行提供了技術支撐，同時可為同類機組改造提供參考。

該技術從火電供熱機組提升靈活性需求出發，在技改技術路線、成套方案、末級葉片保護、變工況無擾投切控制和特性試驗等方面開展了研究，順利完成東汽325MW抽凝汽輪機低壓缸零出力工程應用，該技術居國際先進水平。

4 技術的成熟程度，適用范圍和安全性

4.1 技術研究成熟程度

供熱機組進行“汽輪機低壓缸零出力改造技術”改造后，隨著進汽流量的進一步降低，在汽輪機低壓通流區域的流動形態將發生改變，氣流將不再推動葉片做功，而會以惰性形態被動葉扇動排擠出葉片通道，這便是鼓風現象。鼓風摩擦現象會導致汽輪機葉柵通道局部出現高溫區域，嚴重者將使得內缸受熱變形，影響轉靜部件中心一致性，進而會威脅到機組的安全運行。

采用CFD分析和強度分析的方法，建立小容積流量下汽輪機長葉片鼓風態流場下氣動強度特性的流-熱-固多物理場耦合模型。首先，采用CFD方法中的共軛傳熱模塊對系統進行流固耦合傳熱分析，得到長葉片部件溫度、壓力分布。該方法的優勢在于計算流場的同時考慮了蒸汽和固體部件之間的流動換熱以及固體內部導熱作用，因此能夠直觀獲得更加準確的長葉片部件的溫度、壓力分布。其次，通過軟件之間的數據接口實現不同模型表面之間溫度的精確傳遞，將傳熱分析得到的固體表面溫度傳遞到有限元模型對應表面作為載荷進行熱分析，在求解得到部件整體溫度場的基礎上進一步耦合結構分析可以得到熱應力分布。傳遞耦合傳熱分析得到的固體表面壓力分布并添加轉速以分別考慮汽流力和離心力的作用，最終可以獲得綜合等效應力分布。經過核算低壓缸零出力供熱工況下葉片的最大動應力小于設計工況，該機組低壓缸零出力供熱工況下葉片的動強度滿足制造廠設計規范。

4.2 低壓缸零出力技術適用范圍

我國風電、光伏等新能源電力裝機容量持續快速增長，具有明顯的資源地域性，主要集中在風、光資源較好的“三北”地區，為了降低新能源電源出現大面積棄風棄光，配套新能源電源升降發電負荷，亟須提高火力發電機組運行靈活性，同時供熱機組受限于供熱負荷的約束，在采暖季無法實現機組低負荷運行，不能滿足新能源電源的運行要求。采用“汽輪機低壓缸零出力改造技術”能夠提高機組供熱能力和電調峰能力，降低機組發電煤耗率，機組供熱期運行范圍大大增加。因此，采用低壓缸零出力技術能夠實現供熱機組在滿足供熱負荷需求的情況下，提升供熱機組的調峰能力。

4.3 低壓缸零出力技術安全性

通過全廠汽水參數熱力平衡計算與汽輪機低壓通流區域氣動強度分析相結合的技術手段，研究小容積流量下低壓缸的安全問題，指出了通流區湍流渦動耗散高溫危險位置，并進行了高溫預警監測，通過優化低壓缸噴水減溫系統，解決了鼓風高溫帶來了安全問題，并在供熱機組上進行了工程應用，驗證了改造后長葉片通流區的安全可靠性。

5 應用情況及存在的問題

本次改造實現了低壓缸零出力在東汽325MW抽凝機組上的工程應用，改造達到預期效果。需要指出的是，低壓缸零出力技術雖然能夠一定程度弱化供熱機組熱電耦合強度，提高機組的電調峰能力，但仍未完全實現供熱機組熱電解耦。對于具有進一步調峰需求或完全熱電解耦需求的火電機組，則需要借助其他技術方案，達到改造目的。

6 結語

低壓缸“零出力”改造是近幾年在國內開始應用的新技術，低壓缸“零出力”改造后可以提高機組的供熱能力，增加機組的運行靈活性，滿足機組深度調峰的需求，機組可以以抽凝背三種方式運行，且可以靈活切換。改造可借鑒應用于東方汽輪機、哈爾濱汽輪機和上海汽輪機等主要汽輪機主力機型，張掖電廠低壓缸零出力技術目前為省內成功改造應用，具有良好的節能效益、環保效益和社會效益，也將為電網大力發展新能源提供調峰調頻保障，進一步為我國“碳達峰、碳中和”宏偉戰略目標的實現奠定基礎。