張文祥，宋放放，謝林貴，唐麗麗，雷曉龍，宋萍，劉曉燕，賴強(qiáng)

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000）

1 背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)保形勢(shì)的發(fā)展，燃煤火力發(fā)電企業(yè)的發(fā)展進(jìn)入了新常態(tài)，新能源的大規(guī)模投運(yùn)進(jìn)一步壓縮了火電機(jī)組在發(fā)電市場(chǎng)中的份額，火力發(fā)電設(shè)備年利用小時(shí)數(shù)持續(xù)走低使燃煤電廠的經(jīng)營(yíng)形勢(shì)變得日益嚴(yán)峻，但同時(shí)國(guó)家能源政策決定了火電機(jī)組必須承擔(dān)深度調(diào)峰的重要任務(wù)。 隨著居民和工業(yè)用戶對(duì)供熱負(fù)荷的需求不斷增加，電網(wǎng)對(duì)機(jī)組中低負(fù)荷率下的供熱能力，提出了更高要求，必須提高供熱機(jī)組的熱電比與靈活性，要求機(jī)組保障供熱能力的同時(shí)，最大程度提高機(jī)組的寬幅調(diào)峰能力。

為緩解熱電機(jī)組供熱和供電的矛盾，國(guó)家出臺(tái)了鼓勵(lì)火電廠開(kāi)展靈活性改造的若干政策，各地方政府根據(jù)各自區(qū)域的實(shí)際情況也出臺(tái)了火電機(jī)組深度調(diào)峰階梯電價(jià)政策。因此，通過(guò)技術(shù)升級(jí)提高機(jī)組深度調(diào)峰能力，將對(duì)火力發(fā)電公司盈利能力起到重大作用。實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰、提高熱電比與機(jī)組運(yùn)行靈活性，已成為決定火電企業(yè)生存的關(guān)鍵因素。

2 新型供熱汽輪機(jī)系統(tǒng)

常規(guī)供熱采暖抽汽主要采用中排蝶閥調(diào)整抽汽的方式，該方式調(diào)峰負(fù)荷高且熱電比低。采用新型供熱汽輪機(jī)系統(tǒng)提高機(jī)組熱電比，主要有2個(gè)思路：

（1）減小機(jī)組發(fā)電量?？赏ㄟ^(guò)減小高壓缸、中壓缸或者低壓缸出力來(lái)減小機(jī)組出力。

（2）減小機(jī)組上網(wǎng)電量。在機(jī)組發(fā)電量不變情況下，將部分電負(fù)荷用于驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵或者電鍋爐來(lái)提供熱負(fù)荷。

以上2點(diǎn)中，第2種涉及范圍較大。本文主要論述通過(guò)新型供熱汽輪機(jī)系統(tǒng)來(lái)減少機(jī)組的三缸出力。

2.1 低壓缸切缸運(yùn)行

低壓缸切缸運(yùn)行是指機(jī)組的低壓缸在高真空條件下運(yùn)行，通入少量冷卻蒸汽，大幅降低低壓缸出力，實(shí)現(xiàn)低壓缸微出力運(yùn)行工況，從而提高機(jī)組供熱的能力和經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰的目的。

2．1．1 汽輪機(jī)小容積流量工況問(wèn)題

實(shí)現(xiàn)低壓缸切缸運(yùn)行需要解決低壓缸在小容積流量下葉片顫振、鼓風(fēng)和水蝕，防止因低壓缸末級(jí)和次末級(jí)葉片動(dòng)應(yīng)力過(guò)大而損壞、防止因葉片鼓風(fēng)導(dǎo)致汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)部件溫度超限和葉片水蝕。

2．1．1．1 鼓風(fēng)和過(guò)渡工況

隨著容積流量的減小，級(jí)的效率會(huì)變差。當(dāng)容積流量減小到某一值時(shí)，級(jí)的輪周功率等于零；如果容積流量進(jìn)一步減小，級(jí)將會(huì)由原來(lái)的做功級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)楣娘L(fēng)耗功級(jí)，級(jí)效率則會(huì)由正變?yōu)樨?fù)，此時(shí)排汽的滯止焓將高于進(jìn)口滯止焓，鼓風(fēng)摩擦?xí)?duì)汽流起加熱作用，葉片的溫度也會(huì)升高，引起汽缸變形以及葉片應(yīng)力超標(biāo)等。

2．1．1．2 葉片水蝕

低壓缸進(jìn)入鼓風(fēng)工況時(shí)，為降低末級(jí)排汽溫度，通常設(shè)置排汽噴水裝置。小容積流量下，末葉根部以負(fù)反動(dòng)度工作，低壓缸噴水會(huì)通過(guò)末葉根部倒吸入動(dòng)葉，并隨著渦流運(yùn)動(dòng)，水滴倒吸會(huì)對(duì)末葉葉根造成侵蝕；小流速使靜葉出口角大幅增加，導(dǎo)致水滴沖刷至動(dòng)葉進(jìn)汽邊的背部造成侵蝕。上述水滴的2種流動(dòng)方式對(duì)葉片傷害較大，使葉片強(qiáng)度削弱。

2．1．1．3 大扇度葉片顫振

在小容積流量工況下，末級(jí)動(dòng)葉進(jìn)口大負(fù)攻角引起大尺度汽流分離而誘導(dǎo)產(chǎn)生自激振動(dòng)，導(dǎo)致動(dòng)應(yīng)力水平突增，發(fā)生失速顫振。在相對(duì)容積流量減小的過(guò)程中，當(dāng)相對(duì)容積流量低到一定值時(shí)，葉片振動(dòng)應(yīng)力開(kāi)始迅速增加，之后達(dá)到最大值，進(jìn)一步減小容積流量，振動(dòng)應(yīng)力逐漸減小，振動(dòng)應(yīng)力與相對(duì)容積流量呈非單調(diào)變化關(guān)系。因此，末級(jí)葉片在相對(duì)容積流量0．1～0．2存在1個(gè)較大的動(dòng)應(yīng)力放大區(qū)間，運(yùn)行時(shí)要盡量避免在此工況區(qū)間長(zhǎng)期運(yùn)行。

2．1．2 切缸后熱力數(shù)據(jù)分析

切缸改造后，相對(duì)于常規(guī)蝶閥供熱，機(jī)組的供熱能力得到提升，熱電比進(jìn)一步提高。同樣的主汽流量下，切缸供熱與中排蝶閥供熱主要數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 切缸供熱與中排供熱數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1可知，切缸供熱比中排蝶閥供熱的供熱量可以提升56.52 MW，熱電比提升0.28。

切缸后雖然可以提高熱電比，但是中排供熱蒸汽仍需流經(jīng)高中壓缸做功，供熱量與發(fā)電量依然關(guān)系緊密，處于深度耦合狀態(tài)。當(dāng)由切缸狀態(tài)切換到常規(guī)蝶閥供熱時(shí)，供熱量與發(fā)電量可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，熱電可以部分解耦。

2.2 NCB-SSS離合器運(yùn)行

切缸目的是使低壓缸出力幾乎為零，但是低壓缸依然在全轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，為了提高低壓缸的安全性而進(jìn)行了復(fù)雜改造。

采用NCB-SSS離合器運(yùn)行方式，也是使低壓缸出力為零，但是思路卻不一樣。這種方式主要是通過(guò)SSS離合器動(dòng)作，使低壓轉(zhuǎn)子與高中壓轉(zhuǎn)子脫開(kāi)，讓低壓轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)，中壓排汽可以全部供熱采暖，實(shí)現(xiàn)純凝機(jī)組向背壓機(jī)的轉(zhuǎn)變。當(dāng)熱網(wǎng)只需要部分中排蒸汽供熱時(shí)，可以通過(guò)SSS離合器連接高中壓轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子，使機(jī)組實(shí)現(xiàn)抽凝功能。當(dāng)不要供熱時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)純凝功能。NCB-SSS離合器系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 NCB-SSS離合器系統(tǒng)示意圖

2.2.1 SSS離合器介紹

在該系統(tǒng)中，SSS離合器是非常核心的設(shè)備。SSS離合器用來(lái)連接蒸汽輪機(jī)高中壓透平轉(zhuǎn)子和低壓透平轉(zhuǎn)子，并按電廠運(yùn)行要求來(lái)實(shí)現(xiàn)高中壓透平轉(zhuǎn)子和低壓透平轉(zhuǎn)子的嚙合和脫開(kāi)。當(dāng)輸入端（低壓透平轉(zhuǎn)子）的轉(zhuǎn)速趨向于超過(guò)輸出端（高中壓透平轉(zhuǎn)子）時(shí)，離合器將自動(dòng)嚙合；如果輸入端的轉(zhuǎn)速低于輸出端的轉(zhuǎn)速，離合器自動(dòng)脫開(kāi)。SSS離合器在靜止?fàn)顟B(tài)下也能夠嚙合，因此即使機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)，汽輪機(jī)的盤(pán)車(chē)裝置也能夠轉(zhuǎn)動(dòng)整個(gè)汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)。

離合器配有2個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)的伺服裝置來(lái)移動(dòng)離合器處于“鎖定”的位置，用來(lái)防止當(dāng)離合器的輸入端轉(zhuǎn)速逐漸低于輸出端轉(zhuǎn)速時(shí)離合器自動(dòng)脫開(kāi)。其中1個(gè)伺服裝置上配有開(kāi)關(guān)，與電廠控制中心連接。

2.2.2 NCB-SSS離合器運(yùn)行方式熱力數(shù)據(jù)分析

與切缸改造相比，NCB-SSS離合器運(yùn)行方式切換到背壓機(jī)方式下可在低壓缸完全不進(jìn)汽情況下提升機(jī)組的供熱量與熱電比。主要數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 背壓機(jī)運(yùn)行方式與切缸熱力數(shù)據(jù)對(duì)比

由表2可知，同樣額定主蒸汽流量下，NCBSSS離合器（背壓機(jī)運(yùn)行方式）比切缸供熱量增加19.82 MW；NCB-SSS離合器（背壓機(jī)運(yùn)行方式）供熱比切缸供熱熱電比提升0.08。

就供熱能力而言，NCB-SSS離合器運(yùn)行方式與切缸運(yùn)行相比差距不大，因?yàn)楣嵴羝家鹘?jīng)高中壓缸做功。但是，相比于切缸運(yùn)行，NCBSSS離合器運(yùn)行具有以下優(yōu)勢(shì)：低壓缸切缸運(yùn)行存在低壓末2級(jí)葉片顫振、鼓風(fēng)超溫以及水蝕的風(fēng)險(xiǎn)，NCB-SSS離合器運(yùn)行沒(méi)有這些風(fēng)險(xiǎn)，安全可靠性高。

綜上所述，NCB-SSS離合器運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)低壓缸零出力較好的1種方式。

2.3 高低旁供熱

以上介紹的切缸運(yùn)行、NCB-SSS離合器運(yùn)行等供熱技術(shù)并未實(shí)現(xiàn)熱電解耦，去供熱的蒸汽都通過(guò)高壓缸、中壓缸做功，只是并沒(méi)有進(jìn)入低壓缸做功。要想實(shí)現(xiàn)熱電解耦，不僅需要減小低壓缸出力，也要減小高中壓缸出力，高低旁供熱可以實(shí)現(xiàn)減小高中低三缸出力的目的。

高低旁路供熱是將部分冷再、熱再蒸汽減溫減壓后作為供熱源，通過(guò)調(diào)整旁路蒸汽流量，減小進(jìn)入汽輪機(jī)三缸蒸汽量，達(dá)到提高供熱能力、減少發(fā)電負(fù)荷的目的，是當(dāng)前熱電解耦最常見(jiàn)的方案之一。該方案能夠滿足機(jī)組靈活性改造的目標(biāo)要求，技術(shù)上是可行，但由于供熱蒸汽是高品質(zhì)蒸汽減溫減壓而來(lái)，因此經(jīng)濟(jì)性較低。

2.3.1 高低旁路供熱系統(tǒng)

2.3.1.1 系統(tǒng)示意圖

當(dāng)高低旁路系統(tǒng)有供熱要求時(shí)，需要進(jìn)行部分改造。常規(guī)旁路閥門(mén)只具備啟動(dòng)與停運(yùn)功能，高低旁供熱時(shí)，高壓旁路閥與低壓旁路閥需要控制閥后壓力和溫度，且動(dòng)作頻繁需要長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，閥體和閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，使之具備長(zhǎng)期運(yùn)行和調(diào)節(jié)功能。除了閥門(mén)本體外，系統(tǒng)也要進(jìn)行局部改造。

改造后高壓旁路系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 改造后高壓旁路系統(tǒng)示意圖

與常規(guī)高壓旁路系統(tǒng)相比，改造后管路布置不變，更換高壓旁路閥芯、閥座等部件，高旁入口新增電動(dòng)閘閥（常開(kāi)），高旁閥卡澀及故障需要隔離時(shí)，高旁入口電動(dòng)閘閥關(guān)閉。

改造后低壓旁路系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 改造后低旁路系統(tǒng)示意圖

在常規(guī)低壓旁路閥后增設(shè)一段抽汽管道至熱網(wǎng)，該抽汽管道與低旁后至凝汽器的管道并聯(lián)。抽汽管道上依次增設(shè)安全閥、止回閥、快關(guān)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)關(guān)斷閥。供熱抽汽時(shí)抽汽管道上的電動(dòng)關(guān)斷閥保持全開(kāi)，通過(guò)低壓旁路閥對(duì)抽汽流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。止回閥防止熱網(wǎng)中蒸汽倒流進(jìn)入低壓旁路系統(tǒng)。當(dāng)出現(xiàn)熱網(wǎng)解列事故且通向凝汽器的電動(dòng)關(guān)斷閥故障不能打開(kāi)時(shí)，低壓旁路閥后壓力升高，安全閥動(dòng)作。

2.3.1.2 實(shí)施方式與技術(shù)要點(diǎn)

深度調(diào)峰供熱工況下，高低壓旁路閥作為減溫減壓器使用。低壓旁路調(diào)節(jié)閥、關(guān)斷閥先開(kāi)啟，低壓旁路對(duì)外供熱抽汽，高排壓力開(kāi)始降低。高旁后壓力實(shí)時(shí)跟蹤高排壓力，通過(guò)高旁閥、高旁減溫水調(diào)節(jié)閥控制高壓旁路后蒸汽壓力和溫度，調(diào)整到高壓缸排汽參數(shù)。

（1）進(jìn)入再熱器蒸汽量不變，沒(méi)有鍋爐受熱面吸熱匹配性問(wèn)題；

（2）根據(jù)低旁供熱蒸汽量的大小，通過(guò)高旁閥控制進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸蒸汽量，達(dá)到汽輪機(jī)軸向位移的整體平衡，運(yùn)行靈活性較強(qiáng)；

（3）供熱能力由旁路系統(tǒng)容量決定；

（4）供熱蒸汽相當(dāng)于主蒸汽和再熱蒸汽減溫減壓供熱，這部分蒸汽沒(méi)有做功，因此供熱經(jīng)濟(jì)性差，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中需通過(guò)優(yōu)化工作提高經(jīng)濟(jì)性。

2.3.1.3 旁路聯(lián)合供熱安全性分析

（1）汽輪機(jī)軸向推力

對(duì)于高低旁路供熱方案，高旁蒸汽流量與低旁蒸汽流量的匹配方式是影響汽輪機(jī)軸向推力平衡和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的的關(guān)鍵因素，實(shí)際運(yùn)行中需采取高低壓旁路蒸汽流量基本一致的控制策略，即低旁蒸汽流量=高旁蒸汽流量+高旁減溫水流量?？赏ㄟ^(guò)增加控制邏輯，依據(jù)調(diào)節(jié)級(jí)壓力與高壓缸排汽壓力及中壓缸進(jìn)汽壓力的關(guān)系，以調(diào)節(jié)級(jí)壓力、高壓缸排汽壓力、中壓缸進(jìn)汽壓力始終保持在恰當(dāng)匹配的范圍內(nèi)為控制目標(biāo)，調(diào)整高旁閥、低旁閥及中壓聯(lián)合調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，確保汽輪機(jī)軸向推力平衡。

（2）高壓缸排汽鼓風(fēng)

當(dāng)高旁蒸汽通流量較大時(shí)，高壓缸進(jìn)汽量減小，對(duì)應(yīng)高壓缸排汽壓力減??；同時(shí)高旁閥后壓力升高，可能導(dǎo)致高壓缸排汽“憋壓”導(dǎo)致鼓風(fēng)，高旁溫度升高，因此運(yùn)行中應(yīng)合理控制高旁蒸汽流量，防止高壓缸排汽溫度超限；另外，高旁減溫后溫度應(yīng)跟蹤高壓缸排汽溫度，建立相關(guān)邏輯控制高旁減溫水的流量，維持汽輪機(jī)高壓缸排汽溫度始終處于上述限值范圍內(nèi)。

（3）高排壓力

低旁路抽汽供熱增加時(shí)，會(huì)引起再熱汽系統(tǒng)和高壓缸排汽壓力降低，高壓缸末級(jí)輪周功可能會(huì)超過(guò)限制值，導(dǎo)致隔板葉片強(qiáng)度超限，存在安全隱患?？紤]采取中壓調(diào)門(mén)參調(diào)方式提升高壓缸排汽壓力，確保高壓缸排汽壓力始終在運(yùn)行限值范圍內(nèi)。

（4）蒸汽管道流速

在旁路供熱工況下，由于汽輪機(jī)進(jìn)汽量減少，相應(yīng)抽汽壓力降低，蒸汽比容增加；部分蒸汽通過(guò)低旁供熱導(dǎo)致給水流量相對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)汽量偏大，導(dǎo)致抽汽流量相對(duì)增加，抽汽管流速超標(biāo)。

2.3.2 高低旁供熱計(jì)算

在旁路容量足夠大的情況下，假設(shè)高低旁路容量為100%BMCR容量。雖然高低旁供熱可以旁路大部分蒸汽，但是依然要滿足低壓缸最小排汽流量，防止低壓末級(jí)發(fā)生鼓風(fēng)或顫振。根據(jù)以上限制條件，計(jì)算出額定主汽流量下與深度調(diào)峰至15%THA負(fù)荷下2個(gè)工況的高低旁最大供熱能力。相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 高低旁供熱數(shù)據(jù)

由表4可知，在額定主汽流量下，高低旁路供熱量可達(dá)642.80 MW，熱電比為5.52。當(dāng)機(jī)組電負(fù)荷深度調(diào)峰至15%THA時(shí)，機(jī)組供熱量可以達(dá)到360.20 MW，熱電比為6.86。相比于低壓缸零出力的2個(gè)方案，高低旁路聯(lián)合供熱的熱電比大幅提升。

雖然高低旁路供熱可以實(shí)現(xiàn)大熱電比，但是采用這種供熱方式時(shí)，大量高品質(zhì)的主蒸汽和再熱蒸汽沒(méi)有去膨脹做功，而是減溫減壓供熱，產(chǎn)生大量損。另外，高低旁路供熱方式存在低壓排汽至凝汽器，冷端損失較大。而上述低壓缸零出力的2種方案冷端損失極小，經(jīng)濟(jì)性比高低旁供熱更好。

以NCB-SSS離合器運(yùn)行為例，與高低旁供熱進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，詳見(jiàn)表5。

表5 對(duì)比表

由表5可知，在主汽流量與供熱量相同的情況下，采用高低旁路供熱的熱耗值為7 438.10 kJ/kWh，采用NCB-SSS離合器運(yùn)行（背壓機(jī)供熱）的方式的熱耗值為4 959.70 kWh，大幅低于高低旁聯(lián)合供熱的方式。所以，只采用高低旁聯(lián)合供熱的方式經(jīng)濟(jì)性較差。

2.4 建議最優(yōu)供熱方案

由前述內(nèi)容可知，切缸運(yùn)行、NCB-SSS離合器運(yùn)行2種方式優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有冷端損失，經(jīng)濟(jì)性好；缺點(diǎn)是熱電比不夠高，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完全熱電解耦。而高低旁供熱可以實(shí)現(xiàn)大熱電比與熱電解耦，但是經(jīng)濟(jì)性卻較低。因此提出1種可以實(shí)現(xiàn)大熱電比與供熱經(jīng)濟(jì)性優(yōu)的系統(tǒng)方案，即采用高低旁供熱與NCB-SSS離合器運(yùn)行聯(lián)合供熱的新型綜合系統(tǒng)方案。

該新型綜合系統(tǒng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)梯級(jí)供熱。在某個(gè)負(fù)荷下，若能通過(guò)中壓排汽供熱滿足熱網(wǎng)要求，則不需要通過(guò)高低旁供熱。若負(fù)荷繼續(xù)降低，當(dāng)SSS離合器脫開(kāi)后中壓所有排汽都不能滿足供熱量需求時(shí)，采用高低旁聯(lián)合供熱蒸汽作為補(bǔ)充汽源，既能保證供熱量大與深度調(diào)峰的運(yùn)行需求，又能保證經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。新型綜合系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 新型綜合系統(tǒng)示意圖

將采用新型綜合供熱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與只采用高低旁供熱方案的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，基準(zhǔn)如下：

（1）2種方案的主汽流量相等，均是額定主汽流量；

（2）2種方案通過(guò)高低旁的供熱量相等，新型綜合系統(tǒng)多了中排供熱量。

由表6可知，采用綜合方案后，熱電比大幅提升至7.10，熱耗值由高低旁供熱的7 712.20 kJ/kWh降低到5 415.90 kJ/kWh，供熱能力與經(jīng)濟(jì)性均得到提升。因此，在條件允許情況下，建議采用新型綜合系統(tǒng)進(jìn)行供熱。

表6 2種方案對(duì)比表

3 總結(jié)

在當(dāng)前電力新形勢(shì)下，深入挖掘汽輪機(jī)系統(tǒng)的潛力，提高機(jī)組的熱電比和運(yùn)行靈活性是提升火力發(fā)電企業(yè)的必由發(fā)展之路。

常規(guī)供熱方式已經(jīng)無(wú)法滿足電廠當(dāng)前形勢(shì)下的供熱需求和調(diào)峰需求，低壓缸切缸運(yùn)行以及NCB-SSS離合器運(yùn)行可以一定程度上提升供熱能力且經(jīng)濟(jì)性較好，但低負(fù)荷供熱能力不夠樂(lè)觀。

高低旁供熱可以大幅提升供熱能力且能滿足深度調(diào)峰要求，但供熱經(jīng)濟(jì)性較差。

提出1種新型綜合供熱系統(tǒng)，耦合NCB-SSS離合器運(yùn)行與高低旁供熱2種方式，既保證機(jī)組全負(fù)荷下供熱能力，又保證機(jī)組整體供熱經(jīng)濟(jì)性。