热电联产新技术研究与应用——低压缸零出力改造

热电联产新技术研究与应用

——低压缸零出力改造

大唐长春第二热电有限责任公司

贾凤龙、仇秀国、夏秋明

背景介绍

大唐长春第二热电有限责任公司（以下简称长春二热）始建于1988年6月，目前共建有三期工程，总装机容量为6台200MW双抽供热机组。随着长春市建设规模的扩展，城市采暖供热需求日益增长，加上吉林省电力产能过剩，长春二热继续承接供热负荷的能力受限。另外，国家相关政策鼓励“各地建设背压热电联产机组和各种全部利用汽轮机乏汽热量的热电联产方式满足用热需求”，长春二热为满足外部供热需求，保障民生工程，提高居民生活质量和企业盈利能力，满足国家行业节能减排相关政策，需要进行机组供热增容改造。

1 低压缸零出力改造的必要性

1.1 热用户对热负荷的需求

长春二热处于长春市中心城区，区域内众多供热小锅炉受制于环保压力将逐渐关停，市公用局及各热力公司均希望长春二热承接更多的采暖供热负荷。

长春二热3、5、6号机组现为抽凝机组，低压缸排汽的热量没有回收利用。需要进行低压缸改造减少进入低压缸的蒸汽量，增大机组的抽汽量。将这部分抽汽与热网循环水换热回收这部分热量，增加机组的供热能力。

1.2 吉林省电网负荷调峰的需求

目前，吉林省电网负荷供大于求，机组负荷率较低，电网低谷调峰时段较多，长春二热3、5、6号机组供热增容改造后，低压缸将不再做功，在相同供热能力下机组发电出力降低。供热增容改造后，对比进汽530t/h低压缸不做功工况图可得到汽轮机进汽530t/h工况下，汽轮机发电功率为123.52MW，与长春二热近三年来供热期发电平均负荷125MW基本接近，但供热能力每台机组却增284.1GJ/h。

2 改造的目标

提高机组供热能力的低压缸不做功供热增容改造是在低压缸高真空运行条件下，采用可完全密封的液压蝶阀切除低压缸原进汽管道进汽，通过新增旁路管道通入少量的冷却蒸汽，用于带走低压缸不做功后低压转子转动产生的鼓风热量。与改造前相比，将提升供热机组的灵活性，解除了低压缸最小蒸汽流量的制约，在供热量不变的情况下，可显著降低机组发电功率，实现调峰。

3 改造的原则

1、将现有汽轮机改成低压缸不做功供热机组，为了防止低压缸末两级叶片出现鼓风损失从而引起叶片超温以及应力超限等问题，需要引入一定量的中压缸排汽对低压缸进行冷却。对改造后机组供热能力核算时低压缸冷却蒸汽流量为10t/h。主蒸汽由高压主汽门、高压调节汽门进入高中压缸做功。中压排汽（低加回热抽汽切除）除去低压缸冷却蒸汽外全部进入热网加热器供热，提高机组供热能力。

2、增加低压缸冷却系统，设置一个减压阀、一个电动闸阀及流量测量装置。低压缸不做功改造后，低压转子会产生鼓风现象，使低压缸发热，给机组运行带来安全影响。可以从供热抽汽管道中抽出5～10t/h左右的蒸汽，经减压阀后对低压缸进行冷却。保持低压缸前、后汽封送汽及汽封冷却器的抽汽，凝汽器继续投入使用，将低压缸冷却蒸汽凝结成水。

3、供热蒸汽系统：由于供热流量的增加，原有抽汽管道的管径已不能满足DL/T 5054-2016《火力发电厂汽水管道设计规范》中推荐流速的要求，需要增加一路排汽蒸汽管道。增加的排汽管道从中低压联通管新增液压蝶阀前引出，供热蒸汽流量增加115.82t/h，新增蒸汽管道管径为DN1000，在供汽管道上设置有安全阀、调节阀、逆止阀（快关阀）等。

4、机组改供热蝶阀改造：根据低压缸零出力供热技术运行需求，原有低压蝶阀留有余量口，不能完全切断供汽，所以改造后需要更换两个供热蝶阀，供热蝶阀为可完全密封的液压蝶阀，液压蝶阀口径为DN1000  PN25（与原中低压连通管保持一致）。

5、低压缸运行监视测点完善：实施低压缸零出力供热改造后，机组低压缸零出力运行时，低压缸通流部分运行条件大幅偏离设计工况，处于极低容积流量条件下运行，为充分监视低压缸通流部分运行状态，确保机组安全运行，增加低压缸末级、次末级动叶出口温度测点（4个）；中压缸排汽压力测点（供热蝶阀前1个）和温度测点（1个）；低压缸进汽压力测点（1个）和温度测点（1个）；更换原7段抽汽压力（1个）、8段抽汽压力（1个）、低压缸排汽压力变送器为高精度绝压变送器（2个）；并将需增加运行监视测点并将相关测点引入控制室监视画面内。

高中压缸各级流量基本不变，各级温度、焓降基本不变，高中压缸转子和汽缸膨胀量基本不会发生变化。原机组在凝汽工况及抽凝工况运行时排汽室温度在32.5℃至50℃之间变化，低压缸膨胀和汽轮机胀差在正常范围内。机组低压缸不做功改造后，将对低压缸喷水系统进行优化（见图1），优化后喷水系统全部采用不锈钢材质，保证系统稳定运行；喷头采用优化的雾化喷头，保证喷水减温效果；采用双路喷水系统，分阶段投入，既保证减温效果，又避免喷水过量；优化喷水角度，防止减温水回流导致叶片水蚀；联系汽轮机制造厂家详细计算低压缸叶片强度与振动，给定叶片运行温度上限，并设置报警保护值，将低压缸排气排汽室温度控制在合理范围内，使低压缸膨胀和汽轮机胀差也在正常范围内。因此不会对低压缸膨胀及汽轮机胀差产生影响。

图1  低压缸喷水系统

4.2 低压缸零功率改造后低压缸动应力风险分析及控制措施

低压缸零功率改造切缸后，蒸汽流量下降，导致流场不稳定，使气流从叶片表面脱落产生聚集现象，形成倒流涡流区，涡流引发不规律的气流激振，使叶片出现动应力“突增现象”，影响叶片的安全运行。针对于次末级叶片动应力“突增现象”，根据汽轮机厂家计算经验，次末级叶片在小容积流量下的动应力比较小，不会影响机组的安全稳定运行，改造后在投运初期，汽轮机厂家将会对末级、次末级叶片进行现场动应力测试试验，用以验证计算值与试验值的匹配情况，最大限度地保障机组的安全可靠运行。

4.3 低压缸零功率改造后低压缸末及叶片水蚀风险分析及控制措施

叶片长时在低负荷工况下运行，叶片根部的脱流和叶片顶部的涡流汽流中夹带的水滴随蒸汽倒流冲刷叶片，使叶片根、顶部水蚀严重，长期运行会给叶片带来严重的安全隐患。对于低压缸末级叶片水蚀问题，采用现在主流方法就在末级叶片、次末级叶片出汽边喷涂处理，提高叶片抗水蚀冲刷性能。并且为防止叶片水蚀而引起机组安全运行增加叶片振动在线监测系统，对叶片进行振动数据的采集、存储、分析，可用于叶片裂纹识别和裂纹风险、监测水蚀风险的评估。

综上所述，机组低压缸零功率切缸改造后，经过对以上各种风险提供相应解决措施后，机组本体能够安全可靠运行。低压缸末级叶片及次末级叶片，其应力水平低，安全裕度大，能够保障机组在两个大修期内安全可靠运行，在每个大修期时揭缸对叶片状态进行检查，视叶片状态来确定叶片是否可以继续使用，对低压末级、低压次末级叶片的表面喷涂处理，其喷涂效果可以有效避免低压缸末级叶片产生严重的水蚀问题，在大修期时，对叶片喷涂状态进行确认，视喷涂状态再确定叶片是否需要补喷修复处理。定性地看，低压缸不做功供热增容改造运行时可能存在的叶片鼓风、颤振、水蚀加剧等问题，但是是可控的，不会影响机组的安全稳定运行。

5 预期效益分析

5.1 改造后机组供热能力增加

低压缸不做功改造后，锅炉产汽量按530t/h设计。相同产汽量情况下，1台机组供热蒸汽流量增加115.82t/h（改造前机组抽汽量为300t/h，改造后汽轮机背压排汽量为415.82t/h），供热能力增加284.1GJ/h（78.92MW）；3台机组供热蒸汽流量增加347.49t/h，供热能力增加852.3GJ/h（236.7MW），采暖中期可承接493.2万m2。

5.2 煤耗降低

低压缸不做功改造后冷源损失减少，机组供热能力增加，经过折算后机组改造后发电标煤耗降低约38.13g/（kW·h）。

5.3 节水

改造后机组年节省循环水量约347.01万m³；按热网补水率1%计算年增加热网补水量约16.51m³；合计年节水约330.5万m³。

5.4 节能减排及社会效益

机组改造后，节能减排效果明显，供热增容改造后每年可以节约标煤10.97万t标煤。供热能力提高，替代小锅炉供热，热电联产机组锅炉效率高，按长春二热现状煤质折算，改造后每年减排量为：减少二氧化硫1709t/a，氮氧化物4489 t/a，烟尘4208 t/a。

6 结论

低压缸零出力改造，提高供热能力，替代小锅炉，符合国家产业政策和环保政策，具有良好社会效益。根据《长春市城市总体规划（2011-2020）》和《长春市供热专项规划修编（2013-2020）》，长春二热供热区域内需要长春二热承接的集中供热负荷远超出长春二热现有供热能力。通过实地调研，长春二热热负荷增长需求真实、可靠，项目建设十分必要。

综上所述，本项目将抽凝机组改造为低压缸零功率供热机组，具有较好的经济效益和社会效益，符合国家的有关政策和法规。改造条件可行；技术经济合理；各项财务指标均优于行业基本要求，具有很好的市场竞争能力，本工程的建设是十分必要和可行的。

参考文献