670MW汽輪機靈活性供熱改造方案研究

陳 剛

（華電國際電力股份有限公司技術服務分公司，山東濟南 250014）

0.概述

某電廠3號汽輪機為上海汽輪機廠生產的670MW超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、凝汽式，機組型號為192。對汽輪機進行凝抽背供熱改造，在汽輪機TMCR進汽量2040t/h下，經過切缸改造，汽輪機中排抽汽能力可達約1100t/h，并且能適應連續變工況的靈活性供熱需求。

1.改造方案

方案采用在中低壓連通管立管上增設六通并引出一根抽汽母管，作為供熱熱源，在中壓排汽豎直管段上加裝連通管壓力調節閥調整抽汽參數。抽汽母管接口后的熱網管道上加裝安全閥、氣動抽汽逆止閥、電動抽汽調節閥、液動抽汽快關閥。

為進一步增大機組的供熱能力和深度調峰的需要，本次改造后機組具備切除低壓缸功能。在汽輪機低壓缸正常運行工況下，在兩個中低壓連通管上分別設置可完全密封的調節蝶閥，能夠全工況調節低壓缸原進汽管道進汽量，并增加一路旁路管道，通過新增旁路管道對低壓缸通入少量的冷卻蒸汽，用于帶走切除原低壓缸進汽后低壓轉子轉動產生的鼓風熱量。中低壓連通管及抽汽管方案如圖1所示。

2.改造范圍

為實汽輪機中壓排汽處的調整抽汽功能，需對機組現有的部分結構進行改造，總體工作范圍如圖1所示：

圖1 中低壓連通管及抽汽管方案

2.1 中低壓連通管

對中低壓連通管進行改造，改造后的中低壓連通管預留壓力調節閥的安裝空間及切缸改造的旁路接口。中低壓連通管采用新型工藝技術，采用雙通道進汽模式。改造后的中低壓連通管取消了弓形彎頭形式，采用壓力自平衡式波形膨脹節，以吸收供熱管道改造后由于汽缸的差脹產生的位移及推力。更換后的中低壓連通管將采用整體圓弧彎頭形式，可以有效降低蒸汽汽流的壓力損失，大大提高中低壓連通管通流效率。

2.2 連通管壓力調節閥

在兩根中低壓連通管水平管道上分別加裝電動抽汽調節閥，用于調整中低壓連通管抽汽參數。中低壓連通管壓力調節閥為密封閥門，切缸運行時，閥門全關。

2.3 抽汽母管

新增的中低壓連通管處抽汽母管及其支吊架，支吊架包括立柱、桁架、彈簧支座等。支吊架的載荷按照設計要求考慮中低壓聯通管抽汽調節閥、逆止門和快關閥等閥門的荷載安全。將供熱抽汽母管供至距機組中心線約5000mm處（汽輪機罩殼外），抽汽母管分界口附近設置固定死點，死點盡可能靠近雙方接口分界線，以保證供熱管道上的力和力矩滿足機組安全運行需要。

2.4 中低壓連通管旁路冷卻

在供熱最大負荷，全切低壓缸運行工況下，連通管壓力調節蝶閥處于全關狀態，冷卻旁路上加裝調節閥。這時，低壓缸冷卻蒸汽旁路打開，保證少量冷卻蒸汽進入低壓缸，將運行中低壓轉子轉動產生的鼓風熱量帶走，防止低壓轉子產生鼓風發熱。

2.5 低壓缸噴水系統

低壓缸排汽室中的濕蒸汽溫度相應于出口壓力下的飽和溫度，然而在切缸工況下，由于低壓缸進汽量偏小，低壓缸末幾級葉片做負功，可能引起低壓轉子產生鼓風發熱，使低壓缸的排汽溫度迅速升高。機組應盡量避免發生高的排汽溫度，以減少轉子與靜子部件之間由于熱變形或過度差脹而產生碰擦的可能性。這樣的碰擦在一定轉速以上會發生嚴重危害，甚至導致強迫或長期停機。本次改造重新核算低壓缸噴水量及完成配套設計選型工作。

2.6 末級葉片在線監視系統及獨立的數據采集裝置

低壓缸末兩級葉片在小容積流量工況運行時，構成的低壓末兩級內流動狀態產生劇烈變化，產生葉片進汽沖角沿葉片高度的劇烈變化，在低壓葉面上形成流動分離，在低壓葉根處的脫流、鼓風加劇、低壓葉片的動應力增加等現象。這些變化可能誘發低壓末級葉片顫振，威脅機組安全運行，也會影響汽輪機的熱效率。本系統需增加一套獨立的數據采集系統，增設在線監視系統，可以時時采集數據，有效監控長葉片運行狀態，為安全運行提供保障。

2.7 配套汽輪機本體運行監視測點改造

汽輪機組切除低壓缸進汽運行時，低壓缸通流部分運行工況與原純凝工況存在很大的差別，低壓缸運行在極低容積流量條件，低壓缸可能產生不安全的工況點。配套增加運行監視測點，實時監測低壓缸內部通流運行狀況，可大大提升低壓缸在切缸工況下的運行安全。

2.8 供熱系統配套閥門

熱網管道上增設抽汽管道，并設置電動調節閥、液動快關閥、氣動逆止閥、抽汽安全閥，安裝在新設計的熱網管道上，閥門應盡量靠近汽輪機，在閥門設計布置完成后需反饋給主機廠家確認。

2.9 自動控制系統

除安全閥外的其他閥門均能實現遠方操作。改造范圍內所涉及的DEH控制部分供貨、組態，有關供熱閥門的控制邏輯、閥門與主機的連鎖保護邏輯等由主機廠家負責，以保證機組的性能、安全指標符合要求。

2.10 汽封冷卻器

汽封減溫裝置噴水：低壓軸封進汽設有噴水減溫器降低軸封蒸汽溫度，使之不超過低壓缸允許的極限溫度，噴水減溫器整定的溫度值為160℃。切缸后，如果凝結水溫度較高，建議汽封減溫冷卻水按照60℃校核，汽封減溫裝置出力可滿足要求。

汽封冷卻器水量：切缸工況下，凝結水量較少，此時，冷卻水水量要求大于350m3/h，按照60℃進行校核，原有的軸封冷卻器可以滿足低壓缸切缸供熱工況運行。

3.安全性分析

3.1 葉片顫振

進行切缸運行操作就容易落在葉片的顫振區域，在低壓缸較小容積流量下，葉片容易產生顫振現象，低壓缸在切缸工況下，進汽量較少，流場不穩定，在低壓缸內形成汽流不穩、激振力波動，更容易發生顫振現象。

3.2 葉片水蝕

低壓缸在切缸供熱工況下，鼓風發熱，低壓排汽需要噴水進行減溫，在較低排汽容積流量下，汽輪機排汽區域會形成回流，回流夾帶噴水產生的水滴，在低壓缸末級葉片根部產生嚴重的水蝕現象，末級葉片區域具有離心應力水平高的特點，葉片水蝕后產生的裂紋擴展速度快，對低壓葉片的安全運行產生較大風險[1]。

3.3 動靜間隙變化

汽輪機切缸工況變化較大，末級葉片、汽缸隔板溫度變化大，運行中溫度變化徑向不均勻將會引起葉頂、葉根間隙的改變，容易產生汽輪機動靜摩擦隱患。

3.4 葉片超溫

切缸狀態運行低壓缸末級、次末級葉片由于進汽流量下，處于做負功狀態，葉片鼓風發熱嚴重，葉片局部有可能超過設計允許的溫度，造成低壓葉片剛度變化，導致低壓葉片共振區變化，如果達到工作轉速附近，就會造成共振現象發生。另外，低壓缸排汽溫度超過凝汽器的允許溫度存在損壞設備的風險。

4.風險應對策略

4.1 低壓缸實時監測系統-監測汽缸顫振、水蝕、動靜間隙變化

低壓缸實時監測系統能夠實現對轉子振幅、間隙的實時監測，通過有限元數值分析模擬，得出葉片表面動應力分布與葉片振幅的關系，通過實時監測葉片振幅從而實現對葉片動應力的實時監測。以上任一參數超限，該系統即可發出報警，提醒運行人員調整運行工況規避風險。

該系統具備以下功能：一是對機組運行中低壓葉片振動特性進行檢測和過程實時分析，避開切缸過程中的不安全工況；二是對切缸過程中可能出現的風險或者突發的設備異常進行報警；三是對低壓葉片檢測數據進行收集分析，通過計算對切缸后低壓葉片的壽命進行實時評估。

4.2 低壓缸靈活運行-葉片水蝕、超溫解決方案

精確計算和優化低壓缸的運行，給出低壓缸運行背壓指導曲線，如圖2所示。在葉片健康監測系統輔助下協助電廠實現極低流量下，葉片不超溫，低壓缸不噴水運行，盡量將水蝕的影響降至最低。

圖2 低壓缸切缸運行指導曲線示意圖

4.3 測點全面加裝、定值精確校核-防止葉片超溫

對影響到低壓缸切缸的所有關鍵測點進行全面的加裝，并對各測點定值進行全面校核以保證切缸過程可控，汽輪機安全運行。

4.4 連通管、旁路設計優化-實現抽凝到切缸過程平滑切換

連通管和旁路的設計考慮以下5點：（1）實現低壓缸靈活運行；（2）實現抽凝到切缸狀態的平穩過度；（3）實現大蝶閥密封面的保護；（4）避免大蝶閥嚴重節流引發的振動問題；（5）實現低壓缸最小冷卻流量的精確控制。

4.5 噴水系統改造和優化-降低水蝕影響

切低壓缸運行時，低壓缸末兩級會由于鼓風產生大量熱量，需要采取降低排汽溫度措施，持續增加投入噴水減溫，原噴水管路流量不能滿足要求，因此需增加噴水管路滿足切缸運行要求，同時將原噴水管路的噴頭更換為霧化效果更好的噴頭作為備用，維持低壓排汽缸溫度在安全范圍內，以實現低壓缸噴水量的精確控制[2]。

4.6 控制邏輯改造-切缸的自動控制及保護策略

（1）將增加的中壓缸排汽，低壓缸進汽，低壓缸末級和次末級的壓力，溫度測點接入DEH系統（增加相應控制卡件，若原DEH容量不滿足，新增一面擴展柜），根據工況的不同，增加相應的報警保護邏輯，用來保護低壓缸和末級葉片；將冷卻低壓缸的旁路的壓力、溫度、流量（根據壓力測點計算）接入DEH系統，用于對低壓缸的監視和保護[3]。

（2）增加切除低壓缸出力大容量抽汽的控制畫面，當抽凝工況無法滿足抽汽的容量要求時，運行人員可以在畫面上選擇切除低壓缸的按鈕，將連通管調節閥關閉，通過小旁路調節低壓缸的進汽量。同時對抽汽相關的各個測點的溫度和壓力進行保護。

（3）梳理原DEH系統中的抽汽相關運行的保護定值設置，優化抽汽保護報警邏輯和優化噴水保護邏輯。