侯博

（中國中煤能源集團有限公司，北京100120）

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化水平的不斷提升，城市規(guī)模越來越大，供熱需求增長迅速［1］。同時，在節(jié)能減排政策的要求下，城市集中供暖需求將大幅增加。在國家嚴控新增燃煤裝機的背景下，提高現(xiàn)役中小型機組供熱能力將具有較大市場；同時，伴隨煤電機組由“主體電源”向“調(diào)節(jié)電源”的轉(zhuǎn)變，供熱機組的熱電解耦也將成為中小型煤電機組高質(zhì)量發(fā)展的現(xiàn)實需求［2］。低壓缸零功率改造（切除低壓缸進汽），是繼光軸改造之后兼顧供熱和機組靈活性的一項創(chuàng)新技術(shù)。經(jīng)過多年運行實踐，該技術(shù)在安全性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性等方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)高背壓改造技術(shù)，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。自2017年臨河熱電廠330 MW 功率#1 機組實施低壓缸零功率改造以來，國內(nèi)已有20 余臺300 MW 等級以下機組實施了改造［3-5］。本研究以山西晉北地區(qū)某135 MW燃煤機組低壓缸零功率改造為例，對該技術(shù)在中小型煤電機組擴大供熱能力、提高機組靈活性方面的應(yīng)用加以分析，以期為中小型煤電機組供熱、機組靈活性改造提供參考。

1 低壓缸零功率改造技術(shù)原理

低壓缸零功率改造技術(shù)原理如圖1 所示，此改造需要在中、低壓缸連通管上加裝1 組液控蝶閥及旁路系統(tǒng)，從而在低壓轉(zhuǎn)子不脫離、整體軸系始終同頻運轉(zhuǎn)的情況下，通過中、低壓缸連通管上新加裝的全密封、零泄漏的液控蝶閥啟閉動作，實現(xiàn)低壓缸進汽與不進汽的靈活切換［6］。同時，可以對蒸汽參數(shù)進行調(diào)節(jié)的旁路控制系統(tǒng)將小股中壓排汽作為冷卻蒸汽通入低壓缸，缸后噴水長期投運，控制排汽溫度在正常范圍內(nèi)，保證低壓缸在切除進汽的工況下安全運行。通過供熱機組在抽汽凝汽運行方式與高背壓運行方式的靈活切換，使機組同時具備高背壓機組供熱能力強、抽汽凝汽式相對發(fā)電量高的特性。

圖1 低壓缸零功率改造方案示意Fig.1 Schematic of the low-pressure cylinder zero-output scheme

2 研究對象基本情況

2.1 概況

晉北地區(qū)某135 MW 機組低壓缸零功率改造項目鍋爐為哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的480 t∕h 超高壓參數(shù)自然循環(huán)、單爐膛、一次再熱、高溫絕熱旋風(fēng)分離器、平衡通風(fēng)、前墻給煤、緊身封閉布置、鋼架雙排柱懸吊結(jié)構(gòu)循環(huán)流化床蒸汽鍋爐；汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產(chǎn)的超高壓、一次中間再熱、單軸雙缸、雙排汽、直接空冷抽汽凝汽式汽輪機；發(fā)電機為哈爾濱電機廠生產(chǎn)的定子空外冷、轉(zhuǎn)子空內(nèi)冷、自勵磁發(fā)電機；煙氣處理采用選擇性非催化還原（SNCR）+半干法循環(huán)流化床+布袋除塵裝置，機組污染物排放達到超低標準。汽輪機參數(shù)見表1。

2.2 機組供熱改造情況

根據(jù)研究對象所在地市總體供熱規(guī)劃，該廠承擔(dān)總供熱面積為900萬m2、總熱負荷477 MW。根據(jù)相關(guān)氣象資料，結(jié)合國家有關(guān)部門推薦的公式計算出全年供熱量為4 565.1 TJ。

該廠有2 臺135 MW 機組，#1 機組于2018 年10月完成抽汽+高背壓形式改造，改造后可實現(xiàn)供熱面積556 萬m2，總供熱量2 605.5 TJ，其中乏汽余熱供熱量為816.0 TJ，抽汽供熱量為1 789.5 TJ。#2機組實施低壓缸零功率改造后，可通過低壓缸零功率方式實現(xiàn)熱電解耦來調(diào)節(jié)供熱負荷，在30%～100%額定電負荷范圍內(nèi)與#1 機組配合在最經(jīng)濟狀態(tài)運行，滿足全年4 565.1 TJ供熱量需求和安全要求。

表1 汽輪機參數(shù)Tab.1 Steam turbine Parameters

3 低壓缸零功率改造方案

3.1 熱力系統(tǒng)主要改造內(nèi)容

低壓缸零功率改造方案中，熱力系統(tǒng)主要改造內(nèi)容包括：在原有中、低壓缸連通管上加裝液控蝶閥；增加低壓缸冷卻蒸汽旁路系統(tǒng)；配套汽輪機本體運行監(jiān)視測點改造；低壓缸末級葉片進行抗水蝕金屬耐磨層噴涂處理；低壓次末級、末級葉片運行安全性校核；中、低壓缸之間的連通管上引出抽汽供熱管道；配套供熱系統(tǒng)改造；疏水系統(tǒng)及凝結(jié)水系統(tǒng)改造。

3.2 自動控制系統(tǒng)主要改造內(nèi)容

梳理原控制系統(tǒng)中與供熱抽汽相關(guān)的控制邏輯，取消或修改與低壓缸零功率供熱有沖突的相關(guān)控制邏輯。梳理原控制系統(tǒng)中與低壓缸運行相關(guān)的保護定值設(shè)置，確認各控制邏輯與低壓缸零功率運行要求一致。增加低壓缸零功率供熱投入∕切除控制邏輯。增加低壓缸溫度監(jiān)控系統(tǒng)接入分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）。

4 安全性分析

4.1 低壓缸零功率運行動葉水蝕分析

機組切除低壓缸進汽運行期間，極小流量的蒸汽在低壓缸內(nèi)勢必會沿著葉片發(fā)生流動分離，末級、次末級葉頂部位在小容積流量下被蒸汽長期沖刷可能會導(dǎo)致水蝕［7］；同時，末級葉片根部出現(xiàn)倒渦流區(qū)，甚至?xí)U大到整個低壓缸。此時噴水裝置處于運行狀態(tài)，如果噴水霧化效果不好，會隨著回流汽流沖刷葉根。但由于此時的蒸汽數(shù)量級很小（相比于常規(guī)低負荷運行），同時由于末級處的蒸汽是經(jīng)過前幾級鼓風(fēng)加熱的過熱蒸汽，研究認為其自身夾帶水滴的能力有限，在長期切除低壓缸進汽運行期間存在的水蝕危害要小于機組低負荷運行（末級葉片長期處于濕蒸汽區(qū)）時的水蝕危害。由此得出結(jié)論：切除低壓缸進汽運行期間，葉片水蝕問題較長期低負荷運行更不明顯，此次低壓缸零功率改造，機組開缸后葉片僅做常規(guī)維護即可［8］。為防止次級、末級葉片水蝕，本項目對葉片表面采取噴涂強化處理，葉片噴涂的整體和局部效果如圖2—3所示。

圖2 葉片噴涂整體效果Fig.2 Overall painting effect of the blade

圖3 葉片噴涂局部效果Fig.3 Local painting effect of the blade

可以根據(jù)機組停運后對次級、末級葉片的檢查結(jié)果，進一步判斷水蝕對次級、末級葉片的影響程度，從而采取更加有效的預(yù)防措施。

4.2 葉片顫振分析

有研究表明：流體自激振動中的失速顫振是引起汽輪機葉片在小容積流工況下動應(yīng)力突增的直接原因［9］。失速汽流對葉片所做的正功小于機械阻尼所消耗的能量時，葉片從汽流獲得的能量不斷被機械阻尼所消耗，葉片振動的振幅逐漸衰減，振動趨于消失。反之，葉片從汽流獲得的能量不斷增加，葉片振動的振幅逐步加大，于是發(fā)生顫振。

根據(jù)研究機構(gòu)基于多物理場耦合計算的低壓缸極小流量計算模型［10］，可以通過有限元分析獲得低壓缸零出力狀態(tài)下的流動特性，掌握葉片動應(yīng)力的分布規(guī)律，確定極小流量的安全范圍。針對本研究對象，研究結(jié)論是機組切除低壓缸供熱運行期間，低壓轉(zhuǎn)子在高真空條件下“空轉(zhuǎn)”；10 t∕h 左右的進汽流量已經(jīng)不在動應(yīng)力臨界區(qū)域內(nèi)，此時失速汽流對葉片的激振力已經(jīng)非常微弱，其對葉片所做的正功完全能夠被機械阻尼所消耗，不會引起葉片顫振。

4.3 鼓風(fēng)發(fā)熱減弱措施

汽輪機低壓轉(zhuǎn)子在“高真空”條件下空轉(zhuǎn)運行，微量的漏汽在缸內(nèi)會被鼓風(fēng)加熱。由于其本身流動性能較差，如不將鼓風(fēng)所產(chǎn)生的熱量帶走，勢必會引起鼓風(fēng)超溫的危險?？諝馊缛舯欢虝r間鼓風(fēng)后導(dǎo)致缸內(nèi)金屬零部件出現(xiàn)較大溫差，溫差所導(dǎo)致的過大熱應(yīng)力會引起機組金屬零部件的熱疲勞損傷。同時，溫度一旦超出材料的正常承受范圍，金屬零部件的機械性能就會大幅下降，如蠕變強度和持久強度都會降低。因此，必須采用相應(yīng)的措施有效降低鼓風(fēng)發(fā)熱。本項目設(shè)置了低壓缸冷卻蒸汽管道系統(tǒng)，保證缸內(nèi)合理的流動性，將鼓風(fēng)所產(chǎn)生的熱量帶走。同時，開啟排汽缸噴水降溫系統(tǒng)，降低缸溫防止因超溫膨脹發(fā)生脹差超限、不平衡振動以及密封性能降低等危險。

4.4 空冷島系統(tǒng)防凍分析

低壓缸零功率改造后，進入空冷島的低壓缸排汽大幅減少，每小時僅有10多t的冷卻蒸汽，此時需考慮空冷島的防凍問題。本研究建議在機組每列空冷配汽管道上增加電動真空隔離閥及小凝汽器各1 臺。當機組經(jīng)過低壓缸零功率改造后，關(guān)閉每列空冷配汽管道上的電動真空隔離閥，保證低壓缸的少量排汽不進入空冷島，而是使其進入新增的小凝汽器加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，疏水排入排汽裝置下部的凝結(jié)水箱；機組低壓缸零功率改造后空冷島的風(fēng)機全部停運，并將空冷島四周及頂部用棉簾等包裹覆蓋，減少受熱面的自然對流換熱；切除低壓缸進汽運行應(yīng)盡量安排在白天進行，合理控制運行時間，盡量在一天中氣溫比較高的時間段進行。通過采取以上措施可有效避免空冷島發(fā)生凍損［11］。

4.5 缸內(nèi)流場實時監(jiān)測

機組經(jīng)過低壓缸零功率改造之后，在背壓運行期間，低壓缸內(nèi)的溫度場將發(fā)生變化［12］。為了更準確地跟蹤缸內(nèi)汽流溫度、壓力等數(shù)據(jù)的分布情況，需要補充加裝原DCS 和汽輪機數(shù)字電液控制（Digital Electro-Hydraulic Control，DEH）系統(tǒng)沒有的監(jiān)測點。其中，溫度監(jiān)測點采用高精度熱電偶，壓力監(jiān)測點要求采用絕壓變送器，如圖4—5所示。新增加的監(jiān)測點同原有監(jiān)測點一并納入DCS，實現(xiàn)自動化監(jiān)測及數(shù)據(jù)記錄。

圖4 中、低壓缸溫度監(jiān)測點布置Fig.4 Arrangement of temperature measuring points of the medium and low-pressure cylinders

圖5 汽輪機本體保護監(jiān)視系統(tǒng)（TSI）監(jiān)測Fig.5 Turbine supervisory instrumentation（TSI）monitoring on the turbine body

5 低壓缸零功率改造方案優(yōu)勢分析

就目前國內(nèi)已經(jīng)實施及運行的改造案例，純凝或抽凝機組大容量供熱改造可供選擇的技術(shù)方案主要有光軸改造方案和低壓缸零功率改造方案2種。下面以本研究對象#1 機組高背壓+#2 機組分別采用光軸改造和低壓缸零功率改造為例，對這2 種改造方案進行對比分析。

5.1 供需平衡分析

低壓缸零功率改造和光軸改造只是改造的內(nèi)容和方式不同，其本質(zhì)都是切斷低壓缸的進汽、減少機組做功，最大程度增加供熱蒸汽量，以滿足外界熱負荷需求［13］。對同一臺機組來說，2 種改造方式所實現(xiàn)的供熱能力基本相同。

5.2 投資比較

5.2.1 光軸改造

（1）汽輪機改造。主要包括中低壓聯(lián)通管改造、低壓缸光軸、低壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式、低壓隔板套及隔板拆除等。

（2）工藝系統(tǒng)改造。主要包括凝結(jié)水系統(tǒng)、汽封系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)等。

5.2.2 低壓缸零功率改造

（1）中低壓聯(lián)通管改造。主要包括加裝蝶閥、適當抬高聯(lián)通管標高，并進行打孔抽汽。

（2）增加低壓缸冷卻系統(tǒng)。主要包括加裝冷卻蒸汽管道系統(tǒng)。

（3）控制系統(tǒng)改造。主要包括低壓缸新增監(jiān)視、控制、保護系統(tǒng)。

光軸改造方案投資估算為1 350 萬元，低壓缸零功率改造方案投資估算為1 295 萬元。在達到同樣供熱能力的條件下，后者可節(jié)約投資55 萬元。

5.3 改造內(nèi)容及維護比較

光軸改造的核心是用一根光軸替代原有的低壓轉(zhuǎn)子，使汽輪機低壓缸完全失去做功能力，從而實現(xiàn)低壓缸零功率運行［14］。同時，為保證機組安全運行，還需要進行相應(yīng)的配套改造。改造工程需要對汽輪機內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行“手術(shù)”，可謂“傷筋動骨”，同時每年還要進行2 次揭缸更換轉(zhuǎn)子的作業(yè)，改造和運行維護任務(wù)都很繁重。

低壓缸零功率改造的主要內(nèi)容是在中、低壓缸連通管上增加液控蝶閥，以確保不會有蒸汽進入低壓缸，從而實現(xiàn)低壓缸零功率運行目的。同時為保證機組安全運行，還要針對末兩級葉片進行相應(yīng)的配套改造。這樣的改造基本屬于“外部手術(shù)”，并不涉及機組內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也不需要每年專門進行揭缸作業(yè)。

對上述2 種改造方案實施及運行維護進行比較，低壓缸零功率改造方案更簡便易操作，也更易于維護。

5.4 運行合理性分析

2 種改造方案的供熱抽汽、排汽平均流量及總供熱量見表2。由表2 可見，高背壓+光軸改造方案中，#1 機組采暖季抽汽平均流量僅為33 t∕h，抽汽總供熱量342.0 TJ，顯然沒有最大限度地發(fā)揮#1 機組的應(yīng)有效能。而在#2 機組低壓缸零功率改造配合#1機組高背壓改造的方案中，#1 機組采暖季平均抽汽流量為175 t∕h，抽汽總供熱量1 831.0 TJ，機組供熱能力得到了充分發(fā)揮。

表2 供熱抽汽、排汽平均流量及總供熱量Tab.2 Average flow of extraction and exhaust steam and total heat supply

另一方面，根據(jù)侯曉寧等人［15-16］的研究，由于#1機組改為高背壓供熱，而僅依靠乏汽參數(shù)又不能達到供熱熱網(wǎng)供水溫度需要，必須與較高參數(shù)抽汽配合，所以限制了#1機組運行的靈活性。如果#2機組采用光軸改造方案，便成為一臺純背壓機式汽輪機，其發(fā)電能力完全處于“熱控制”狀態(tài)。這樣一來，即使外界存在進一步的用電負荷需求，也完全沒有能力去滿足。

如果#2 機組采用用低壓缸零功率改造方案，據(jù)測算，可以讓#1 機組優(yōu)先承擔(dān)熱負荷，以充分發(fā)揮#1 機組最佳經(jīng)濟性下的供熱能力（能耗性能優(yōu)化試驗結(jié)果為3 156.0 TJ；抽汽供熱量1 831.0 TJ+乏汽1 325.0 TJ）。而當外界存在用電負荷需求的條件下，#2 機組可以通過低壓缸做功，實現(xiàn)熱電解耦，保證#2機組的靈活運行，達到最大運行效益。

5.5 發(fā)電量及能耗分析

采暖季平均發(fā)電負荷按額定功率的65%計算（近5年采暖季平均發(fā)電負荷率為68.6%），2個方案采暖季耗煤量分別見表3。由表3可見，#2機組采用光軸改造方案，采暖期平均主蒸汽流量為694 t∕h；#2機組采用低壓缸零功率改造方案，采暖期平均主蒸汽流量為771 t∕h，說明后者的設(shè)備供熱能力、經(jīng)濟性得到了更有效的發(fā)揮。

2 個方案采暖季發(fā)電量比較見表4。由表4 可見，采用#1機組高背壓+#2機組光軸的改造方案，采暖季總供熱量為4 567.0 TJ，發(fā)電量為507.778 GW·h；而采用#1機組高背壓+#2機組低壓缸零功率改造方案，采暖季總供熱量為4 567.0 TJ，發(fā)電量為720.619 GW·h。同時，前者的發(fā)電綜合煤耗為246.2 g（∕kW·h），而后者的發(fā)電綜合煤耗為206.8 g∕（kW·h）。對比可見，#2 機組采用低壓缸零功率方案進行改造，運行更加節(jié)能、經(jīng)濟。

表3 采暖季耗煤量比較Tab.3 Coal consumption in a heating season

表4 采暖季發(fā)電量比較Tab.4 Power generation in a heating season

在采暖季供熱負荷發(fā)生變化情況下，供熱負荷未達到900 萬m2，采用光軸改造方案只能以“以熱定電”的方式運行，當調(diào)度負荷發(fā)生變化時無法進行有效調(diào)整，造成調(diào)度考核、電量損失；加之2 臺機組在較低額定負荷下長期運行效率降低、煤耗增加，整體經(jīng)濟效益并不理想。

在采暖季供熱負荷發(fā)生變化情況下，供熱負荷未達到900 萬m2，采用低壓缸零功率改造方案能靈活調(diào)整運行方式，滿足調(diào)度負荷變化，增發(fā)電量；同時由#1 高背壓機組在最佳效率滿足供熱負荷需求，#2 機組負責(zé)補充調(diào)整，2 臺機組均能在經(jīng)濟效率下運行，有效降低煤耗；整體經(jīng)濟效益非?？捎^。

因此，無論總的產(chǎn)能比較、產(chǎn)品單耗比較，還是從供熱發(fā)電調(diào)整靈活性、經(jīng)濟性來看，#2機組采用低壓缸零功率改造方案都要優(yōu)于光軸改造方案。

6 結(jié)論

本文通過對低壓缸零功率改造技術(shù)優(yōu)勢的分析，得出以下結(jié)論。

（1）相較于其他供熱改造技術(shù)，切缸改造技術(shù)更便于實施，對汽輪機內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響小，而且改造后運行維護更方便；實施低壓缸零功率改造后機組可以實現(xiàn)熱電解耦，可以使2 臺機組運行方式更加靈活、合理和經(jīng)濟。

（2）低壓缸零功率改造機組實現(xiàn)熱電解耦后，具有超出與供熱負荷相對應(yīng)的發(fā)電量的可能性。與光軸改造相比，采暖季可大幅提高發(fā)電量，增加發(fā)電收益。以本研究對象為例，1 個采暖季可增加發(fā)電量約212.840 GW·h，約占全年發(fā)電量的18.19%，增加發(fā)電收益7 023萬元（此預(yù)測未考慮光軸改造方案每年1 個月停機更換轉(zhuǎn)子所減少的發(fā)電量）。

（3）300 MW 等級及以下中小機組實施低壓缸零功率改造后，機組在動葉水蝕、葉片顫振、鼓風(fēng)發(fā)熱、空冷島防凍等方面的風(fēng)險均處于受控、可控狀態(tài)，特別是采取末級及次末級葉片強化處理、增加缸內(nèi)流程實時監(jiān)控及空冷島采取防凍措施后，機組的安全性、可靠性得到進一步保證。

（4）低壓缸零功率改造技術(shù)在供需平衡、投資、改造內(nèi)容及維護、運行合理性、發(fā)電量及能耗等方面均比傳統(tǒng)高背壓供熱改造技術(shù)具有明顯優(yōu)勢，且安全性、可靠性高。可以預(yù)見，該技術(shù)在300 MW 等級及以下中小型機組供熱改造領(lǐng)域具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。