630 MW 汽輪機低壓缸零出力改造方案及試驗效果

黃坤

（東方汽輪機有限公司 四川德陽 618000）

0 引言

國家發展改革委、國家能源局印發的《電力發展“十三五”規劃》 要求到2020 年全國火電裝機比重控制在55%以內，未來我國煤電機組將會更多地受到來自可再生能源的挑戰，煤電行業勢必會將節能降耗、超低排放、靈活性及高效寬負荷運行作為今后的重點研究和發展方向［1-2］。我國純凝機組的實際調峰能力一般約為50%的額定出力，熱電聯產機組在供熱期“以熱定電”的最小出力則在60%～70%左右，和國外的先進水平還是存在比較大的差距。例如丹麥火電機組基本上是抽凝機型，其在供熱期的最小出力可以達到15%～20%額定出力；德國純凝機組的最小技術出力能達到25%左右［3］。為消納更多的可再生能源，國內火電機組更加靈活性地參與電力市場的需求顯得越來越迫切。

低壓缸零出力又稱“低壓缸切缸”，是通過近似隔斷低壓缸的進汽使低壓缸接近“零功率”運行的技術。由于低壓缸進汽量很少，大部分蒸汽通過中排對外供熱，可以實現整個機組的深度調峰。我國自2017 年臨河電廠300 MW 機組首次實施低壓缸零出力改造后，后續在遼寧東方、黃臺、新鄉等數臺300 MW機組上成功應用［4］。本文對某電廠630 MW 雙低壓缸汽輪機低壓缸零出力改造項目的改造背景、改造方案及試驗效果進行了相關介紹、分析和總結，可供后續同類機型開發作為借鑒與參考。

1 改造背景

300 MW 機組低壓缸零出力改造項目目前在國內不少電廠都已經得到實施，文獻［4-5］等也對改造的技術路線、改造方案等進行了相關說明。300 MW 機組一般只有一個低壓缸，簡單來說，采用一個可完全密封的液壓蝶閥切除低壓缸全部進汽，同時設置單獨的冷卻蒸汽旁路通入少量的冷卻蒸汽以帶走低壓缸零出力運行產生的鼓風熱量，增設部分監視及保護測點以及控制邏輯改造等，就可以實現低壓缸投入/退出低壓缸零出力運行。圖1 為其熱力系統布置示意圖。

圖1 300 MW 汽輪機低壓缸零出力熱力系統布置示意圖

與300 MW 機組相比，630 MW 及以上等級機組一般配置有2 個低壓缸，其低壓缸切除工況運行方式更加靈活、控制要求更高，相應的系統配置及改造方案也將更加復雜。某電廠汽輪機型號為N630-24.2/566/566，為超臨界、單軸、三缸四排汽凝汽式汽輪機。為滿足工業用汽需求，投運之后進行了汽輪機本體中低壓連通管改造，每臺機組預留400 t/h 供汽能力。后來為滿足供熱市場進一步需求。最大程度發揮機組供熱能力，經對比多種供熱改造方案，最終采用提升供熱機組靈活性的低壓缸零出力技術對汽輪機實施低壓缸零出力供熱擴容改造。

2 改造方案

2.1 總體方案

該630 MW 機組采用三缸四排汽布置，包含2 個低壓缸（低壓缸A 和低壓缸B），并且2 個低壓缸五段及六段回熱抽汽是連通的。本次改造將2 個低壓缸的回熱抽汽進行隔離，分別在中壓排汽口及B 低壓缸進汽口布置可完全密封的液壓蝶閥，通過冷卻蒸汽旁路通入少量的冷卻蒸汽以帶走低壓缸零出力運行產生的鼓風熱量，即可實現B 低壓缸單獨以及2 個低壓缸同時投入或退出低壓缸零出力運行，具體改造后的抽汽部分熱力系統示意圖見圖2。需要說明的是，如果在2 個低壓缸進口分別設置可完全密封的蝶閥，則可實現任意1 個以及2 個低壓缸都投入或退出低壓缸零出力運行。

圖2 改造系統示意圖

改造后低壓缸零出力運行的運行模式簡要描述如下。

（1）2 個低壓缸同時零出力運行：關閉中壓排汽口的供熱蝶閥，開啟低壓缸A 和低壓缸B 的冷卻蒸汽旁路，開啟中排供熱抽汽閥門，在各項監視參數正常的前提下，即可實現雙低壓缸零出力運行。

（2）僅低壓缸B 零出力運行：關閉低壓缸B 上的供熱蝶閥，開啟低壓缸B 的冷卻蒸汽旁路，關閉低壓缸B 五、六段回熱抽汽支管上的電動隔離閥；調整低壓缸A 上的供熱蝶閥的開度（在最小開度以上），保持低壓缸A 的冷卻蒸汽旁路關閉，在各項監視參數正常的前提下，即可實現僅切除低壓缸B 零出力運行。

改造后，機組THA 進汽量下中排采暖抽汽量設計值將達到900 t/h 以上，供熱能力得到大幅提高。

2.2 改造方案要點

在零出力工況，低壓缸主要作用為傳遞高中壓缸的扭矩，實現低壓缸近“零”出力3 000 轉運行，低壓末幾級將出現鼓風升溫，造成通流設備的熱應力變形及許用應力降低；而蒸汽高速回流與冷卻噴水會造成葉根部位的水蝕，也會引起末幾級小容積流量下葉片的顫振問題等等，這些將會嚴重影響機組運行安全及縮短機組使用壽命。本次改造針對上述問題，分別制定了如下技術措施以保證機組切缸工況下的安全運行。

（1）葉片安全性校核：對切缸運行工況低壓末幾級葉片強度以及振動特性進行計算和分析。

（2）增設冷卻減溫蒸汽旁路：分別對2 個低壓缸增設獨立的冷卻蒸汽旁路管路，管路上設置噴水減溫器、汽水分離器、調節閥、流量計等。旁路上設置冷卻蒸汽減溫的目的在于盡量降低零出力工況時低壓缸的進汽溫度，以此來改善低壓末幾級的鼓風發熱進而減少低壓缸末級噴水，以免加重葉片水蝕。

（3）低壓缸監視測點優化：在機組低壓缸零出力運行工況，因通流內部的溫度場、流場絮亂，為確保機組運行安全，需對各相應的溫度測點、壓力測點進行優化校準。

（4）末級噴水系統優化：優化改造低壓缸排汽噴水減溫冷卻系統，如重新計算噴水流量、調整噴頭布置及數量、選用噴水霧化效果更好的噴頭等。同時，A 低壓缸噴水支路上增設截止閥，在單切B 缸時通過關閉該閥門來切斷A 低壓缸不必要的噴水。需要注意的是，低壓缸零出力運行時，為控制低壓末級葉片溫度，末級噴水可能需要長期投入，在小流量情況下流道中下部會形成回流漩渦，從而加重末級葉片的水蝕，不利于葉片安全運行。通過在動葉回流區噴涂耐磨涂層，可以大幅提高末葉的抗水蝕能力。

（5）控制及保護邏輯升級：控制系統及安保系統改造，包括單個低壓缸及兩個低壓缸投入及退出零出力的邏輯控制，以及零出力工況的各項保護限值等。

3 試驗效果

改造完成后，機組截至目前分別進行了切雙缸、單切B 缸試驗，切缸后各項參數正常，總體效果良好。

3.1 切雙缸試驗

切雙缸時，中排蝶閥1 全關，B 低壓缸蝶閥全開，2 個低壓缸冷卻蒸汽旁路全開（未投減溫水），低壓缸末級噴水全開。本文選取了切缸前、后若干個時刻機組的相關參數，詳見表1。

表1 切雙缸前、后中低壓缸參數匯總表

本次切雙缸在切缸前、后，機組負荷下降值約20 MW 左右，切缸前后機組的振動、瓦溫、脹差等運行參數未出現較大波動，機組運行平穩，切缸試驗圓滿完成。試驗總結如下：

（1）切缸后未投入排汽噴水減溫（后噴水）時，末級葉片溫度上升較多，試驗中實際溫度為在50 ℃～60 ℃左右。

（2）投入低壓缸后噴水后，末級葉片溫度基本能控制在20 ℃～30 ℃，但后噴水對次末級葉片溫度的作用不大。從試驗過程來看，次末級溫度呈緩慢上升趨勢，最高在105 ℃左右。

3.2 單切B 缸試驗

單切B 缸時，B 低壓缸蝶閥全關，B 低壓缸冷卻蒸汽旁路全開（未投減溫水），切缸前、后相關參數匯總見表2。

表2 單切B 缸前、后中低壓缸參數匯總表

本次單切B 缸在切缸前、后，機組負荷下降值約20 MW左右，切缸前后機組的振動、瓦溫、脹差等運行參數未出現較大波動，機組運行平穩，切缸試驗圓滿完成。試驗總結如下：

（1）切缸投入低壓缸后噴水后，末級葉片溫度基本能控制在20 ℃～30 ℃，但后噴水對次末級葉片溫度的作用不大。從試驗過程來看，次末級溫度呈緩慢上升趨勢，最高在105 ℃左右。

（2）切缸投入低壓缸后噴水后，也嘗試投入冷卻旁路噴水減溫（前噴水），B 缸進口溫度相比中排降低60 ℃～80 ℃，從試驗結果來看效果有限，次末級溫度最高達到100 ℃左右。

4 結論

本文對630 MW 等級雙低壓缸汽輪機低壓缸零出力改造的改造方案、設計特點及試驗效果進行了介紹。總的來說，低壓缸切缸能夠實現一定程度上的熱電解耦，通過低壓缸后噴水也能夠控制末級葉片溫度。由于切缸工況相比常規運行條件復雜惡劣得多，對于汽輪機低壓缸零出力運行，建議在零出力改造時注重如葉片安全校核、總體保護策略及控制邏輯，采用葉片抗水蝕保護、葉片安全監測系統等主動保護措施，改造后按各項保護要求運行，密切關注切缸工況各項運行參數、定期進行設備檢查及維護，不斷總結經驗、保障機組可靠運行。