“三改聯動”背景下空冷機組靈活高效改造新思路

黃彪， 周儒鴻

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川德陽， 618000）

1 前言

空冷機組主要分布于我國北方的富煤缺水地區， 如山西、 陜西、 寧夏和內蒙等。 我國空冷機組裝機規模較大， 截止至2021 年7 月， 全國火電裝機總容量約為12.7 億千瓦， 其中空冷機組約占25%。 由于大量空冷機組所在的北方地區工業生產供熱和集中采暖需求大， 結合目前我國熱電聯產機組占火電裝機容量的比重40%， 以及熱電聯產機組規模年均10%的復合增長率來看， 帶供熱的空冷機組將持續保持著相當大的市場占有率[1-2]。

對空冷機組而言， 對其進行節能提效、 靈活調峰和供熱改造不僅能有效保障北方地區的供電和采暖需求， 還對煤炭資源的高效利用和水資源的節約利用有著重要意義， 同時能積極推動發電企業保持技術領先， 保障機組良好的經濟效益，適應電網的調峰深度、 寬度要求， 提高機組的長期競爭力[3]。

2 機組改造升級方式

2021 年10 月國家發改委和國家能源局聯合發布的《全國煤電機組改造升級實施方案》中[4]， 對煤電機組改造提出了3 個主要目標： （1）對供電煤耗高的煤電機組加快創造條件實施節煤降耗改造；（2）鼓勵現有燃煤發電機組替代供熱， 對具備供熱條件的純凝機組開展供熱改造；（3） 對存量煤電機組靈活性改造應改盡改， 促進清潔能源消納。

針對上述 “三改聯動” 目標， 目前煤電機組的相應改造措施有節能提效通流改造、 供熱改造和調峰適應性改造。

2.1 節能提效通流改造

汽輪機通流改造是指對做功汽流通過的進排汽結構、 各級動靜葉等進行優化設計， 主要目的是減少汽流在做功過程中的損失， 來提高機組效率。 通過采用先進、 成熟的通流技術對經濟性較差的在役機組進行優化改造， 可使機組的缸效和熱耗達到同類機組的先進水平， 確保機組經濟效益好、 資源消耗少， 同時減少環境污染， 實現節能降耗、 低碳減排的目的。

一般來說， 汽輪機通流改造除了對通流部件進行優化改造外， 還需兼顧熱力系統、 輔助系統等的匹配性改造。 在役機組由于長期運行， 其安全可靠性方面也會存在一定問題， 通過對汽輪機進行整體的優化改造， 可提高機組的安全可靠性，延長機組壽命， 同時降低運行、 檢修費用。

2.2 供熱改造

汽輪機供熱改造要求滿足供熱需求的同時進一步提高機組供熱工況的經濟性。 空冷機組所在的北方地區采暖供熱需求高， 北方城鎮采暖供熱總面積已達到了141 億平方米。 采暖供熱的特點是供熱壓力要求不高， 一般0.5～1.2 MPa， 目前的采暖供熱改造有蝶閥供熱、 高背壓供熱和切缸供熱改造等方式。

蝶閥供熱技術的特點是在中低壓連通管上增加蝶閥裝置和供汽管道， 通過調整蝶閥開度調節中排壓力， 使供熱管道的抽汽壓力達到供熱需求。

高背壓供熱技術的特點是機組進入凝汽器的排汽壓力高， 乏汽可直接與熱網循環水進行換熱，從而達到完全回收乏汽余熱的目的。 高背壓供熱尤其適用于空冷機組。

切缸供熱技術的特點是中壓缸排汽幾乎全部用于供熱， 僅留少量冷卻蒸汽進入低壓缸， 能靈活適應調峰需求。 切缸供熱適用于供熱量較大的機組， 但切缸工況下流經低壓缸末級葉片的蒸汽流量非常小， 末級葉片運行環境惡劣， 因此切缸機組對末級葉片的要求較高。

通過對機組進行供熱改造， 可實現熱量利用最大化， 大幅減少機組供電煤耗， 在保障周邊地區工業用汽和民生供暖的同時， 實現環境和經濟收益雙提升。

2.3 深度調峰適應性改造

根據最新煤電機組改造升級政策的要求， 機組純凝工況至少有35%額定負荷的調峰能力， 采暖熱電機組在供熱期運行時要通過熱電解耦力爭實現單日6 h 調峰至40%額定負荷。 綜上可以看出， 提高煤電機組深度調峰能力， 以消納更多的風電、 光伏等清潔能源， 是煤電機組長期發展的大趨勢。

提高機組的調峰深度和靈活性， 不僅要加強結構部件安全性以適應機組在長期變工況下運行，還要針對末葉水蝕等問題采取防控措施， 以及對輔助系統和調節安保系統進行適應性優化。

通過調峰適應性改造， 可滿足汽輪機在不同時期帶基本負荷及帶調峰負荷的要求， 并保證低負荷運行時的經濟性， 降低機組年平均煤耗， 達到碳中和、 碳減排的目的。

2.4 小結

從以往設計經驗看， 上述節能提效、 供熱和靈活性改造技術路線往往存在一些矛盾， 如低壓通流效率提升需要較長的末葉減少排汽損失， 高背壓供熱及靈活性需要短末葉保證強度安全， 以適應高背壓或小容積流量工況。 在本工程實踐中，通過技術創新解決了此類矛盾， 實現了在同一臺機組中兼容并包、 “三改聯動” 的最佳方案。

3 超高背壓靈活性供熱綜合通流改造

為達到通過一次改造同時提高汽輪機通流效率、 提升超高背壓供熱能力、 滿足切缸及靈活性運行、 保證機組具備較高的純凝和供熱運行靈活性的目標。 對某電廠的亞臨界330 MW 空冷機組進行了綜合供熱、 深度調峰和節能提效為一體的通流改造。 本次綜合通流改造在常規通流改造的基礎上， 還主要采用了超高背壓供熱技術、 低壓缸切缸技術、 適應高背壓供熱的先進末級葉片技術和深度調峰技術。

3.1 超高背壓供熱技術

為提高機組供熱能力， 該空冷機組在本次改造前已實施過一次高背壓供熱改造， 但受當時技術局限， 僅改造了供熱凝汽器， 未對汽輪機低壓缸本體進行改造。 眾所周知， 低負荷、 低真空條件下， 汽輪機末級易發生鼓風超溫現象， 因此在冬季高背壓供熱運行期間， 受原末級葉片最高排汽溫度等安全特性限制， 機組運行背壓無法提高至35 kPa 以上。 在低負荷小容積流量工況下， 機組背壓需同步下降， 以滿足原末葉運行安全性要求， 但汽輪機乏汽熱量利用率偏低， 采暖期的高背壓供熱能力和供熱經濟性也會同步降低。 因此原機組的背壓及負荷可調節范圍受限， 對機組的供熱能力和供熱經濟性有一定影響。

本次對該空冷機組進行了超高背壓供熱通流改造， 各項優化措施主要技術特點如下：

（1）末級葉片。 通過二維、 三維流型優化、 強度計算和振動分析， 采用了高阻尼、 低響應特點的成圈葉片結構設計， 葉根采用大承載力的樅樹型葉根。 采用此種結構設計的葉片， 其振動響應水平較普通葉片低5～8 倍， 足夠克服在小容積流量工況下運行時流場紊亂產生的顫振問題， 且該末級葉片及葉輪的最高允許長時間運行溫度可達到150 ℃， 完全適應在超高背壓供熱和切缸供熱工況下安全運行。

（2）低壓缸結構。 首先， 本次改造取消了原來獨立的低壓進汽室， 將進汽部分結構整體焊接到低壓缸上， 可以避免裝配引起的蒸汽泄漏。 其次，將原來的中分面整體式法蘭替換為分散式法蘭，使中分面螺栓不受軸向力， 增強螺栓的密封功能。同時， 還可避免原整體法蘭易產生的熱應力及變形問題， 降低中分面及中分面螺栓變形產生蒸汽泄漏的概率。 最后， 將密封板由懸臂結構改為簡支結構， 該結構具有自密封性， 在斜置密封板左右兩側蒸汽壓差的作用下， 中分面會被壓的更緊，因此可以起到輔助中分面密封的作用， 也可避免中分面產生變形。 通過上述汽缸結構優化措施，可以有效避免因缸體內漏導致抽汽壓力溫度偏高的問題， 同時增強機組結構安全可靠性。

（3）汽封間隙。 蒸汽泄漏量對汽輪機的經濟性有很大影響， 在本次改造中， 對影響蒸汽泄漏量的汽封、 軸封系統一并實施了改造。 一是在軸封處以錯齒汽封替代原來的城墻齒， 在同樣的軸封長度下可以布置更多的有效齒， 汽封流量系數較改前更小； 二是在過橋汽封、 高壓后軸封和中壓后軸封第一列采用封嚴汽封， 封嚴汽封是在錯齒汽封內表面增加了可磨耗的耐高溫涂層， 與汽封齒形成一對可磨耗密封磨損副。 當汽輪機運行時，汽封齒刮削可磨耗的封嚴涂層， 在涂層上形成凹槽的同時不損壞汽封齒， 這樣就獲得了理想的最小汽流間隙， 從而顯著降低級間漏汽； 三是在壓力較高的過橋第1 列汽封和高壓前幾級隔板汽封處布置一圈防漩汽封， 蒸汽通過沿周向均勻布置的防漩通道后流向發生改變， 產生反渦旋， 蒸汽在動靜間隙內的周向流動受到干擾， 汽封圈周向汽流壓力分布均勻， 同時切向流動速度減小， 可以減小汽流激振力， 起到防止產生汽流渦動， 提高轉子穩定性的作用。

（4）排汽噴水減溫裝置。 在超高背壓和低負荷調峰運行期間， 由于排汽溫度升高， 噴水系統需經常投運， 本次改造對噴水系統的優化主要側重于實現自由調節噴水量和噴水流量監控， 優化了噴頭布置及噴頭霧化效果， 并增加了軸封送汽管道保溫， 防止長期噴水影響軸封送汽溫度。 此外，還在末級葉片出汽側進行了噴涂， 以應對濕蒸汽回流導致的末葉出汽側水蝕情況。

結合上述優化改造措施后， 該電廠空冷機組可實現在供熱期進行超高背壓運行， 其高背壓供熱系統圖見圖1。 在供熱初期， 熱網循環水供水溫度要求低時， 僅利用汽輪機排汽通過熱網凝汽器加熱熱網循環水即可滿足供熱要求。 在供熱高峰期， 當供水溫度要求高時， 除利用汽輪機排汽通過熱網凝汽器加熱循環水作為基本加熱手段外，還需利用五段抽汽供熱系統， 提供部分五段抽汽作為尖峰加熱手段， 繼續加熱循環水， 從而達到外網要求的供水溫度。 綜合本次改造后的運行結果來看， 該空冷機組在純凝工況設計背壓16 kPa運行下有良好的經濟性， 在供熱期間有維持54 kPa 超高背壓長期安全運行的能力， 純凝和供熱工況下的機組運行效率和安全性得到了有效保障。

圖1 高背壓供熱系統圖

3.2 靈活性調峰技術

一般來說， 高背壓供熱機組的調峰能力普遍較差。 為滿足該機組在供熱期40%負荷以下的調峰深度， 同時對機組進行了適應切缸工況運行的匹配性改造。 在切缸工況運行時， 低壓缸處于極小流量工況下運行， 其余蒸汽全部從中排抽出進行供熱。 因此， 切缸運行在增大機組供熱量的同時， 還可增加機組的調峰能力。 通常來說， 切缸工況下需考慮小容積流量工況運行下的末級葉片結構強度、 抗阻尼系數、 葉片振動特性和輪緣輪盤強度等， 對于本改造項目中的空冷機組而言，上一小節介紹到的末葉技術同樣可滿足機組的切缸運行要求， 因此， 該機組改造后可實現高背壓供熱和切缸供熱靈活切換。 通過切缸運行， 該機組可增加10%負荷的調峰深度。

考慮到機組的深度調峰運行靈活性需求， 在改造中除了應用適應高背壓的先進末級葉片技術，還要綜合考慮主機、 通流設計和輔助系統 （含疏水、 汽封、 凝汽器等）的適應性匹配。 圖2 為改造前后機組的調峰能力對比。

圖2 改造前后調峰能力對比

從圖2 改造后機組深度調峰能力看， 以維持27 kPa 高背壓供熱工況為例， 改造前機組最低負荷190 MW， 在高背壓供熱時， 機組原調峰能力較弱； 改造后相同背壓下， 機組負荷可降至160 MW左右，比改造前降低約30 MW，調峰能力大幅提高。

機組目前實際運行中已通過40%負荷（135 MW） 調峰能力測試。 下節將結合末級葉片技術對機組高背壓低負荷工況的經濟性進行簡要說明。

3.3 適應高背壓及低壓缸切缸的先進末級葉片技術

高背壓供熱和切缸供熱的核心要求是在較高的背壓運行范圍內， 汽輪機末級葉片的安全性能得到有效保證。 在54 kPa 的高背壓供熱工況下，末級排汽溫度高達140～150 ℃， 對新末級葉片及轉子輪盤的強度有嚴格要求， 并需考慮一定安全裕度。 在高背壓低負荷或切缸工況下， 低壓缸進汽量減少， 末級會發生鼓風超溫現象， 對機組安全產生嚴重影響。 圖3 為改造前后末葉冷卻流量和運行背壓高限值的關系。

圖3 低壓缸冷卻流量和背壓關系曲線

從圖3 可看出改造后的新末葉對高背壓工況的適應性更強。 改造后的機組最高運行背壓達到70 kPa， 比改造前提高約15 kPa； 低負荷小冷卻流量下的運行背壓也比改造前至少提高5 kPa。

機組改造后在冬季的高背壓供熱工況下， 基本不會發生背壓阻塞現象。 在純凝發電期間， 環境溫度較高， 按照空冷系統目前的特性， 機組運行期間背壓均高于阻塞背壓， 可保證運行安全性。

此外， 在本次改造中增加了葉片監測系統。如圖4 所示， 葉片安全監測系統主要通過在末葉頂部增加非接觸渦流式葉片振動間隙傳感器， 傳感器安裝于低壓缸靜子部件上； 當葉片掃描經過，傳感器信號經前置放大器、 信號調理觸發模塊、采集模塊及軟件算法處理后可還原葉片的實時振動位移、 頻率、 振幅等信息， 為葉片振動特性驗證、 葉片疲勞、 裂紋、 脫落等故障信息提供最直接有效的數據。

圖4 葉片安全監測系統示意圖

本次改造中， 在機組低壓末兩級葉片處新增溫度測點， 并對系統中相應的溫度測點、 壓力測點進行優化校準， 增加了對末級葉片的邏輯保護系統， 確保末級葉片在各負荷下的運行安全性。

4 結論

響應煤電機組 “三改聯動” 措施， 對某亞臨界330 MW 空冷機組進行了綜合高背壓供熱和調峰靈活性的通流改造， 使機組滿足熱網調峰和熱電雙贏的多種需求。 改造后機組的主要優勢有:

（1）通過高背壓供熱改造保證了機組具有連續、 平穩的超高背壓(54 kPa) 供熱能力， 并有一定超高背壓余量(70 kPa)， 有效減小了機組冷源損失， 提高循環熱效率。

（2）通過應用適應高背壓及低壓缸切缸運行的先進末級葉片技術， 保證低壓缸在小容積流量工況下安全運行， 以及各工況下的安全性和可靠性。

（3）通過深度調峰適應性改造， 機組具有良好的寬負荷適應性， 可保證機組在純凝工況和高背壓供熱工況的的安全經濟性。

（4）通過改造后的機組運行情況分析， 該機組高背壓供熱系統具有易于并網調節用熱高峰、 運行方式更為穩定可靠、 經濟性高的特點。