超臨界再熱型雙抽背壓式汽輪機高壓缸夾層加熱系統優化研究

王 勇 ，馬 聰，魏 光，劉立成，羅 方

(1.華電國際電力股份有限公司天津開發區分公司，天津 300270；2.西北電力設計院,陜西 西安 710075；3.東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000)

天津華電南港某熱電廠為中沙石化、澄星化工、中俄石化、先達(天津)海水資源開發有限公司、渤海兩化搬遷項目等提供化工生產所需的蒸汽，同時按照以熱定電的原則，為工業區提供部分電力供應。其中一期工程主機型式為3×350 MW CFB鍋爐+3×170 MW超臨界再熱型雙抽背壓機熱電機組。主蒸汽壓力為24.2 MPa、溫度為566 ℃，中壓蒸汽額定壓力為5 MPa，低壓蒸汽額定壓力為1.8 MPa。汽輪機排汽額定背壓為0.15 MPa(a)，允許背壓范圍為0.1～0.35 MPa，同時對外提供中壓蒸汽參數：4.4～4.7 MPa(g)，440～450 ℃，最大流量1400 t/h；低壓蒸汽參數：1.3～1.6 MPa(g)，320～330 ℃，最大流量600 t/h。該機組為雙缸背壓式，高、中壓部分采用分缸結構,具有獨立的高壓缸和中壓缸。高壓部分設計為雙層缸，將內、外缸夾層空間分為2個板塊，該結構可適應進汽參數高,減小承壓力和熱應力，提高啟停及變負荷靈活的特點。汽缸夾層設置加熱系統[1-4]，既可大大縮小高壓內缸內外壁溫度的差值，又可提高外缸的溫度，有利于汽缸熱膨脹。高壓缸結構如圖1所示。

圖1 高壓內、外缸結構

1 夾層加熱系統的作用

夾層加熱的作用是將主蒸汽引入高壓內、外缸之間的夾層,加熱內、外缸減少高壓缸正脹差，減少高壓內缸內外壁溫差,并使高壓外缸溫度沿軸向趨于均勻。要實現這一功能，其方法就是需要通過調整汽缸夾層進汽箱的進汽壓力,開大或關小閥門來調節進汽流量，從而達到控制溫升速率的目的。高壓缸夾層加熱系統如圖2所示。

圖2 夾層加熱系統構成

2 夾層加熱系統投入的前提

在高壓缸倒暖投入后才可投入夾層加熱，而要到達預暖最佳，可行的途徑就是在高壓缸中通入蒸汽使汽缸內蒸汽壓力升高，從而使汽缸金屬溫度升高至蒸汽對應的飽和溫度或更高[5-8]。通常規定此壓0.39～0.49 MPa(g),超高壓內缸進汽室內表面金屬溫度低于150 ℃時應進行高壓缸預暖，當高壓內缸調節級后內壁金屬溫度比這一值高時，則不需要預暖。在預暖期間的主要依據有2個：一是依據內缸金屬溫升率限制；二是依據是缸內壓力。通過調整電動節流閥(倒暖閥)、疏水閥的開度來調整內缸金屬溫升率，金屬表面的溫度升高率不應大于金屬表面允許的溫度。高壓缸預暖系統如圖3所示。

圖3 高壓缸預暖系統

3 夾層加熱系統優化的必要性

汽輪機高壓缸夾層加熱系統中，夾層加熱汽源來自輔汽聯箱，加熱蒸汽溫度約為350 ℃，加熱蒸汽壓力為0.98～4.9 MPa，其排汽排到冷段[9-10]。低負荷暖機后高壓缸下半外壁溫達到350 ℃后才停運高壓缸夾層加熱系統。另外，根據主機啟動曲線，冷態啟動時汽輪機沖轉主蒸汽溫度為380 ℃，壓力為8.83 MPa。參照熱平衡圖估算，在低負荷暖機高壓缸下半外壁溫達到350 ℃階段時，主蒸汽溫度約為500 ℃，壓力為10.79 MPa。

通過分析表明，在高壓缸夾層加熱系統投運階段，來自輔汽聯箱夾層加熱溫度偏低，不利于汽輪機脹差控制，達不到最佳的啟動效果。夾層加熱系統(簡稱原方案)，原方案未設計減溫減壓器且原方案為傳統設計方案，經調研某些電廠實際運行情況，其應用效果較差，同時考慮該機組為首次設計的170 MW超臨界背壓汽輪機，設備廠家對高壓缸夾層加熱系統要求以及機組實際情況，對原方案進行設計優化，確定在原方案基礎上增加1路由主蒸汽管道來的汽源，同時每臺機組增加1臺高壓缸夾層加熱減溫減壓器，其型式為直通型，即水平進、水平出，流量調節范圍為10%～100%，具有完全關斷功能，并做到零泄漏，出口蒸汽溫度偏差小于2 ℃，出口蒸汽壓力波動小于0.01 MPa。高壓缸夾層加熱減溫減壓器參數見表1所示，減溫減壓裝置結構型式如圖4所示。

表1 高壓缸夾層加熱減溫減壓器參數

圖4 減溫減壓裝置結構型式

減溫水則取自給水系統，減溫水調節閥采用直行程調節閥。高壓缸夾層加熱系統優化后的系統圖如圖5所示。

圖5 夾層加熱系統優化

為防止某種原因引起減溫水壓力突然降低，高溫蒸汽經噴嘴倒流入減溫水管道，在減溫水通向噴嘴的管道上配備止回閥。為縮短在機組冷態啟動時間，設計有汽缸預暖系統，即在冷態啟動時由輔汽聯箱引1路汽源由高排逆止閥前進入高壓缸，經疏水口排出，原夾層加熱汽源可作為配合汽源對內、外缸夾層進行預暖，更有利于機組脹差的控制。

4 結語

高壓缸設置夾層加熱裝置不僅可以縮小高壓內缸內、外壁溫值又可提高外缸的溫度，有利于汽缸熱膨脹，由于汽源來自輔汽聯箱夾層加熱溫度偏低，達不到最佳的啟動效果。為實現這一效果，對高壓缸夾層加熱系統進行了設計優化調整。通過增加1路由主蒸汽管道來的汽源進入夾層加熱裝置，同時每臺機組配置1臺直通型減溫減壓器，可有利于汽輪機脹差的控制并達到最佳的啟動效果。其次保留輔汽汽源，考慮在機組滑參數停機時原夾層加熱汽源可作為冷卻汽源協同控制機組脹差，使機組滑停溫度進一步降低，縮短機組冷卻時間。