大型火電機組供熱改造選型

馬靜波　汪廣慧　李玉峰　郭鑫　馮琪

[摘? ? 要]火力發電廠的冷端損失是電廠熱力系統的最大能量損失，大量的汽輪機凝汽器余熱通過不同的冷卻設備排放至大氣中。將汽輪機冷凝余熱回收用于城市居民采暖供熱，相當于在不增加電廠容量，不增加大氣污染物排放，耗煤量和發電量都不變的情況下，擴大了熱源的供熱能力，提高了電廠的綜合能源利用效率。

[關鍵詞]采暖;供熱技術;改造服

[中圖分類號]TM621 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）09–00–02

[Abstract]The cold end loss of a thermal power plant is the maximum energy loss of the thermal system of the power plant. A large amount of steam turbine condenser waste heat is discharged into the atmosphere through different cooling equipment. The use of steam turbine condensing waste heat recovery for heating and heating of urban residents is equivalent to expanding the heating capacity of the heat source and increasing the heating capacity of the heat source without increasing the capacity of the power plant， increasing the emission of air pollutants， and maintaining the same coal consumption and power generation. The comprehensive energy utilization efficiency of the power plant is improved.

[Keywords]heating; heating technology; transformation

1 概述

目前采暖供熱改造技術路線包括如下幾個方式。針對供熱機組供熱和電調節能力提升改造的主要技術路線包括：熱水儲熱供熱改造、電鍋爐供熱改造、連通管打孔抽汽改造、汽輪機旁路供熱改造、低壓缸零出力改造、光軸供熱改造、高背壓供熱改造等。

（1）以國內某知名電廠為例，電廠有6臺機組，總裝機容量為3400 MW。各機組情況如下：一期工程安裝兩臺俄羅斯500 MW超臨界機組，分別于1998年11月和1999年9月投產發電，后進行通流改造，改后機組型號為N550-23.54/540/540，設計工況下中壓缸排汽量為1055 t/h，排汽壓力為0.25 MPa，排汽溫度為194 ℃;二期工程安裝兩臺哈爾濱汽輪機廠生產的600 MW亞臨界機組，分別于2007年和2008年投產發電，汽輪機型號為N600-16.7/538/538，設計工況下中壓缸排汽量為1281 t/h，排汽壓力為0.81 MPa，排汽溫度為335 ℃;三期工程安裝兩臺哈爾濱汽輪機廠生產的600 MW超臨界機組，分別于2010年和2011年投產發電，汽輪機型號為CLN600-24.2/566/566，設計工況下中壓缸排汽量為1197 t/h，排汽壓力為1.03 MPa，排汽溫度為365 ℃。全廠6臺純凝機組供熱潛力巨大，亟待進行供熱改造提升全廠機組供熱能力，提高全廠6臺機組盈利能力和運行經濟性。

（2）電廠1、2號機組設計工況下，單臺機組廠用汽抽汽量：再熱器冷段抽汽量60 t/h，抽汽參數為3.761 MPa、275 ℃;再熱器熱段抽汽量80 t/h，抽汽參數為3.366 MPa、540 ℃;五段抽汽量30 t/h，抽汽參數為0.3987 MPa、250 ℃;六段抽汽量96 t/h，抽汽參數為0.1982 MPa、175 ℃。3、4號機組設計工況下，單臺機組廠用汽抽汽量：四段抽汽量30 t/h，抽汽參數為0.7995 MPa、31 ℃;六段抽汽量60 t/h，抽汽參數為0.3088 MPa、218 ℃。5、6號機組設計工況下，單臺機組廠用汽抽汽量：再熱器冷段抽汽量60 t/h，抽汽參數為4.2 MPa、311 ℃;四段抽汽量80 t/h，抽汽參數為1.003 MPa、355 ℃;五段抽汽量30 t/h，抽汽參數為0.375 MPa、38 ℃。

（3）該廠經過供熱改造的技術對比，最終確定以汽輪機切缸改造作為技術路線。在以汽輪機切缸改造作為技術路線的同時，結合實際的供熱需求以及不同參數的汽輪機在切缸運行后的經濟型對比，最終確定對中壓缸排汽參數最低的1、2號機組進行切缸供熱改造，以此獲得最大的經濟效益。以下對1、2號機組低壓缸零出力供熱技術的主要內容及改造方案進行詳細說明。

低壓缸零出力供熱技術在低壓缸高真空運行條件下，采用可完全密封的液壓蝶閥切除低壓缸原進汽管道進汽，通過新增旁路管道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。

（4）根據低壓缸零出力供熱技術運行需求，改造將新增可完全密封的液壓蝶閥，液壓蝶閥接口尺寸與改造后中低壓連通管規格保持一致。在每臺機組的低壓缸兩根進汽母管上分別安裝低壓缸進汽蝶閥，在新增低壓缸進汽蝶閥前引出冷卻蒸汽至低壓缸進汽口，用于冷卻低壓缸末級葉片，在原聯通管上低壓缸進汽蝶閥前、后開口，低壓缸進汽蝶閥前開口位置取在供熱抽汽管道上，低壓缸進汽蝶閥后開口位置分別取在機組低壓缸進汽口處，通過冷卻蒸汽旁路管道相連接并增加相關監視測點。

（5）為滿足低壓缸零出力運行要求，新增低壓缸進汽蝶閥選用可完全密封的液控三偏心硬密封快關調節型蝶閥，蝶閥要求雙向密封。每臺機組新增低壓缸進汽蝶閥執行器為單油缸加碟簧形式，執行器零壓狀態為閥門全開狀態，執行器配備蓄能器，在控制油中斷的情況下閥門能夠進行保位功能，執行器需有機械限位裝置。新增供熱管道調整蝶閥執行器為單油缸加碟簧形式，執行器零壓狀態為閥門全關狀態，執行器配備蓄能器，在控制油中斷的情況下閥門能夠進行保位功能。每臺機組設置兩根抽汽管道，每根抽汽管道上設置供熱快關蝶閥、逆止閥、電動截止閥、安全門等設備。每臺機組的所有油動執行器均為非轉動執行器，所有油動機且共用一套液壓供油單元，液壓單元主油泵選擇定壓-變流泵，系統壓力維持穩定的14±0.5 MPa運行壓力，油泵一運一備，配獨立的濾油系統、冷卻/加熱系統，所有控制系統接入DCS。

（6）對于抽汽和供熱管道蝶閥執行器的選擇有4種方式：電動執行器、雙油缸執行器、單油缸+圓柱簧執行器、單油缸+蝶形彈簧執行器。機組抽汽供熱改造的供熱蝶閥、低壓缸進汽關斷蝶閥，除具有抽汽調整功能外，還需在機組跳閘時進行快速動作（供熱蝶閥快速關閉、低壓缸進汽蝶閥快速開啟）。

根據此要求，供熱蝶閥的執行器不選擇電動執行器。對雙油缸執行器、單油缸+彈簧執行器，雙油缸執行器通過改變卸荷閥的口徑，雖能夠實現短時（0.5～1.5 s）快速關閉功能，但調速系統閥門關閉的最短時間要求均小于0.3 s。使用雙油缸執行器還存在以下缺陷：

①只為了響應關閉時間要求，使得雙油缸執行器卸荷閥口徑過大，降低了卸荷閥嚴密性的保證，在運行期間的閥門調整穩定性差，閥門出現擺動問題。

②雙油缸執行器的動作均建立在油系統穩定運行、系統有足夠安全余量的蓄能器儲備的基礎上，油站存在多種因素都可能導致失去油壓的情況（如：油泵故障、系統泄漏、蓄能器泄漏、電源失去等原因），配備蓄能器數量不足、蓄能器壓力不足、蓄能器皮囊泄漏等原因，均會使雙油缸執行器不能穩定運行，在機組跳閘時，供熱蝶閥不能快速的嚴密關閉，汽輪機將發生超速事故。

③機組抽汽供熱改造的供熱蝶閥、低壓缸進汽關斷蝶閥的作用與汽輪機的主汽門、調門的作用是相同的，均需要在機組故障期間快速動作。汽輪機的主汽門、調門均使用單油缸形式，目的是確保在汽輪機跳閘時，閥門均能依靠彈簧力使閥門可靠的快速關閉。現300 MW以上汽輪機的主汽門、調速汽門均沒有采用雙油缸形式的執行器。根據機組主汽門、調門的執行器選型和雙油缸執行器驅動力的安全、穩定、可靠性分析，供熱蝶閥的執行器選擇單油缸+彈簧執行器要優于選擇雙油缸執行器。

對圓柱彈簧、蝶形彈簧比對分析。圓柱形彈簧在長期頻繁運行后，會出現疲勞松弛，導致彈簧與套筒發生碰摩。長期運行后，一旦發生斷裂，整個彈簧就會失效。圓柱形彈簧發生斷裂時，閥門無法動作。蝶形彈簧是根據閥門力矩要求，進行單片累加，長期運行疲勞后，不會發生松弛變形。如使用蝶形彈簧，當蝶形彈簧有一片發生斷裂，不會導致彈簧組整體失效，只能使執行器動作時間有所增長，不存在閥門無法動作的風險。蝶形彈簧相比較圓柱形彈簧有更大的彈簧力，在相同閥門力矩的要求下，蝶形彈簧較圓柱彈簧的尺寸縮短1/3以上。執行器的長度縮短，能夠有效減少汽流沖擊閥門時產生的振動波在執行器及系統的最遠端放大效果，有效降低執行器端部油管活接處振動，避免和較少管路活接的松動，降低滲漏風險;降低由于執行器的振動引起的的管道振動疊加。但碟形彈簧也有缺陷，如果閥門閥桿漏出的蒸汽長期直吹碟簧片，碟形彈簧會發生脆性斷裂。因此碟形彈簧桶應避開閥桿漏汽的直吹。

（7）低壓缸末級葉片抗水蝕金屬耐磨層噴涂處理。小容積流量工況運行時，低壓缸末兩級處于鼓風工況運行，導致低壓缸末兩級后溫度和低壓排汽缸溫度升高，為降低低壓排汽缸溫度，需要持續投入噴水減溫，維持低壓排汽缸溫度在安全范圍內。而小容積流量條件下，末級葉片出現的渦流會卷吸減溫水至動葉流道，加劇動葉出汽邊根部區域水蝕情況，威脅機組安全運行。

對低壓缸末級葉片實施金屬耐磨層噴涂處理。采用TA粉（NiCr金屬陶瓷粉末）進行現場超音速火焰噴涂防護處理，粉末粒度為250～350目。涂層結合強度可達70 MPa;涂層硬度為HV300=600～900;涂層孔隙率≤2%;噴涂顆粒平均粒度3.32 μm，涂層表面均勻、細密;噴涂時工件的溫度較低，葉片不會出現變形;噴涂厚度為0.10～0.20 mm。

2 輔機適配性改造

2.1 冷卻塔

當機組處于低壓缸零出力狀態時，低壓缸的進汽量主要為冷卻蒸汽及給水泵小機排汽，此時凝汽器熱負荷遠低于正常運行工況，凝汽器出口水溫過低，極寒天氣下可能會導致冷卻塔結凍。因此建議機組在零出力運行狀態下，機組循環冷卻水不上塔，直接排入冷卻塔集水池，并在冷卻塔進風口配置擋風板。

若兩臺機組同時處于低壓缸零出力運行模式，可將兩臺機組循環水母管制運行，單臺低速循環水泵運行，形成兩機一泵（循環水泵低速）一塔的運行配置模式，循環水均不上塔，利用冷卻塔集水池自然散熱即可滿足要求。

2.2 凝結水泵及凝結水系統

機組低壓缸零出力運行工況下凝結水流量較少，理論上通過開啟凝結水再循環及關小除氧器上水調門等措施可以滿足凝結水泵安全運行需求，但存在一定的經濟性損失。

電廠供熱改造的熱網側設置疏水冷卻器，疏水溫度回收后回流至凝汽器，可保證低壓缸零出力運行時凝結水泵正常運行，不需要對凝結水泵及凝結水系統進行改造。

3 結束語

通過選擇高效的、靈活的大型火電機組供熱改造方式，能夠大幅度增加火電機組靈活運行方式。在設備選型時，充分考慮機組運行的安全性和供熱的安全性，能為供熱改造的成功提供有效的技術保障，使設備在后期運行期間的安全性、經濟性得到有效提升。

參考文獻

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