成渫畏，王學(xué)棟，宋　昂（.華電國際山東分公司安生部，山東濟南5004；.華電電力科學(xué)研究院山東分院，山東濟南5004）

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首臺300MW汽輪機循環(huán)水供熱改造技術(shù)與經(jīng)濟指標(biāo)分析

成渫畏1，王學(xué)棟2，宋昂2
（1.華電國際山東分公司安生部，山東濟南250014；2.華電電力科學(xué)研究院山東分院，山東濟南250014）

摘要：介紹了首臺亞臨界300MW汽輪機高溫循環(huán)水供熱改造技術(shù)和改造內(nèi)容，并闡述了與135MW等級機組改造的異同點。在135MW等級機組雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換改造技術(shù)的基礎(chǔ)上，300MW汽輪機解決了雙層低壓缸通用性改造、給水泵小汽輪機改造以及凝結(jié)水精處理系統(tǒng)改造等關(guān)鍵技術(shù)難題，成功實施了高溫循環(huán)水直接供熱技術(shù)改造。由改造后性能考核試驗結(jié)果得知，機組各項經(jīng)濟指標(biāo)達到設(shè)計值，節(jié)能效果顯著。

關(guān)鍵詞：300MW汽輪機；循環(huán)水供熱；高背壓改造；高背壓供熱；雙轉(zhuǎn)子互換

0　引言

汽輪機提高背壓運行，凝汽器的排汽溫度升高，提高了循環(huán)水出口溫度。將循環(huán)水接入采暖供熱系統(tǒng)，循環(huán)水經(jīng)凝汽器加熱后，注入熱網(wǎng)，滿足用戶采暖要求，冷卻后的循環(huán)水再回到凝汽器進行加熱。高背壓循環(huán)水供熱將原來從冷卻塔排入自然界的熱量回收利用，達到了節(jié)約供熱用蒸汽、提高汽輪機組熱效率的目的[1～3]。

近幾年，在山東區(qū)域電網(wǎng)，七臺135MW及300MW等級汽輪機實施了低壓缸“雙背壓雙轉(zhuǎn)子”互換改造技術(shù)，機組在供熱期高背壓運行，非供熱期正常背壓運行。機組改造后，采暖季節(jié)利用高溫循環(huán)水直接供熱，滿足了較大的熱負荷需求，提高了城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速的城鎮(zhèn)居民的采暖質(zhì)量。在135MW等級汽輪機“雙背壓雙轉(zhuǎn)子”互換改造技術(shù)的基礎(chǔ)上，首臺300MW汽輪機高溫循環(huán)水供熱改造解決了雙層低壓內(nèi)缸通用性、座缸式軸承標(biāo)高上移、汽動給水泵改造、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)改造等技術(shù)難題。此項目在國內(nèi)300MW等級機組循環(huán)水供熱技術(shù)改造方面獲得了新的技術(shù)突破，為大容量機組供熱改造開辟了新途徑，具有很大的推廣價值。

1　汽輪機循環(huán)水供熱改造前后的技術(shù)參數(shù)

1.1汽輪機供熱改造前后的技術(shù)參數(shù)

某廠300MW汽輪機采用雙流低壓缸，通流級數(shù)為7級。為實現(xiàn)機組高背壓循環(huán)水供熱，低壓缸通流部分進行了改造，去掉低壓后二級隔板、動葉；機組改造前后的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　300MW機組高溫循環(huán)水供熱改造前后的技術(shù)參數(shù)

1.2汽輪機循環(huán)水直接供熱系統(tǒng)設(shè)計

在采暖期，機組高背壓供熱工況運行時，原冷水塔及循環(huán)水泵退出運行，循環(huán)水系統(tǒng)切換至熱網(wǎng)循環(huán)泵建立起來的熱水管網(wǎng)循環(huán)水回路，形成新的“余熱-熱網(wǎng)循環(huán)水”熱交換系統(tǒng)。循環(huán)水回路切換完成后，循環(huán)水流量降至9700t/h，凝汽器背壓由4.9kPa升至54kPa，低壓缸排汽溫度由32.5℃升至83.3℃。經(jīng)過凝汽器的第一次加熱，熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度由53℃提升至80℃，然后經(jīng)熱網(wǎng)循環(huán)泵升壓后送入首站加熱器完成第二次加熱，將熱網(wǎng)供水進一步加熱后生成高溫?zé)崴椭翢嵊脩魸M足用戶采暖需求。供熱首站蒸汽來源為本機或臨機的中低壓聯(lián)通管抽汽，高溫?zé)崴鋮s后再回到機組凝汽器，構(gòu)成一個完整的循環(huán)水路。機組在正常背壓工況運行時，退出熱網(wǎng)循環(huán)泵及熱網(wǎng)加熱器運行，恢復(fù)原循環(huán)水系統(tǒng)運行，凝汽器背壓恢復(fù)至4.9kPa。300MW海水冷卻機組循環(huán)水直接供熱系統(tǒng)如圖1所示。

2　300MW汽輪機循環(huán)水供熱改造的技術(shù)特征與內(nèi)容

300MW汽輪機實行高背壓循環(huán)水供熱改造，是在135MW等級汽輪機高背壓循環(huán)水供熱改造基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，135MW等級機組循環(huán)水直接供熱改造的關(guān)鍵技術(shù)是：1）采用雙低壓轉(zhuǎn)子互換技術(shù)；2）采用新型高強自帶冠動葉；3）凝汽器進行加強型改造，以適應(yīng)凝汽器高背壓供熱、低背壓純凝雙運行模式下安全性的要求[4，5]。而300MW汽輪機的技術(shù)改造除了需要研發(fā)新的高背壓工況運行的低壓轉(zhuǎn)子，凝汽器進行改造以外，還要研究300MW機組特有的技術(shù)難題，包括雙層低壓缸的通用性改造、完善低壓缸座缸式軸承、擴大給水泵汽輪機的變工況運行范圍以及凝結(jié)水精處理系統(tǒng)采用高溫樹脂等技術(shù)。

2.1提高低壓缸座缸式軸承的可靠性

300MW汽輪機低壓轉(zhuǎn)子采用座缸式軸承座，低壓軸承的標(biāo)高將隨著排汽溫度的變化而變化，汽輪機背壓提高后排汽溫度達到83.3℃，在變工況時甚至達到100℃以上，造成低壓缸的座缸軸承中心線提高，瓦溫升高，振動增大。根據(jù)改造后低壓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，建立軸系計算模型，計算改造前后機組各軸承負荷、標(biāo)高、轉(zhuǎn)子撓度等，通過調(diào)整各軸承標(biāo)高及軸系、低壓缸通流間隙，以及低壓缸增設(shè)兩級噴水減溫裝置，解決此問題。

2.2雙層低壓缸通用性改造及優(yōu)化

原低壓缸采用雙層內(nèi)缸，末兩級采取鑲嵌式隔板，拆裝難度大，無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)子及隔板的互換性。通過對低壓內(nèi)缸的優(yōu)化設(shè)計和改造，使得高背壓的低壓轉(zhuǎn)子和原低壓轉(zhuǎn)子可以使用同一低壓缸。

低壓缸通流部分優(yōu)化改造內(nèi)容：將原來的低壓雙層內(nèi)缸更換為新設(shè)計的整體內(nèi)缸結(jié)構(gòu)，保留原低壓外缸，低壓前2×5級隔板裝配在全新設(shè)計低壓靜葉持環(huán)上，低壓末兩級隔板更換為上下半可拆卸的結(jié)構(gòu)。供熱工況時，僅將低壓持環(huán)更換，將低壓末兩級隔板拆下，換為帶有隔板槽保護功能的導(dǎo)流板，同時換成新設(shè)計的高背壓供熱轉(zhuǎn)子。非供熱工況時，拆除導(dǎo)流板，安裝低壓末兩級隔板及帶有前五級純凝用隔板的低壓持環(huán)，新設(shè)計的低壓內(nèi)缸配合電廠原有低壓轉(zhuǎn)子運行。

2.3高背壓低壓轉(zhuǎn)子的研發(fā)

原純凝工況的2×7級低壓轉(zhuǎn)子改造為高背壓的2×5級低壓轉(zhuǎn)子，新設(shè)計的高背壓低壓轉(zhuǎn)子，在總長度、軸向尺寸、軸徑等方面應(yīng)與舊轉(zhuǎn)子保持一致，通過調(diào)整轉(zhuǎn)子葉輪的隔板汽封直徑，使新設(shè)計轉(zhuǎn)子與舊轉(zhuǎn)子具有相同的撓度特性，以確保軸承負荷分配、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動特性基本不變，保證軸系穩(wěn)定性。

2.4汽動給水泵改造

由于汽動給水泵排汽到主機凝汽器，隨著汽輪機高背壓運行，小汽輪機排汽溫度和排汽壓力也提高了。給水泵汽輪機原設(shè)計背壓為4.5～12kPa，而供熱期間凝汽器背壓高達54kPa，將會造成給水泵汽輪機出力不足，因此與主機改造的同時，對小汽輪機通流部分進行全部更換式改造，研發(fā)制造新轉(zhuǎn)子、改造蒸汽室噴嘴環(huán)、加工新的導(dǎo)葉持環(huán)。高背壓運行期間，小汽輪機汽源改為高壓缸排汽，擴大轉(zhuǎn)子的變工況適用范圍，實現(xiàn)給水泵汽輪機同一轉(zhuǎn)子可以在非供熱期純凝、供熱期高背壓兩種工況下運行的模式。

2.5凝汽器加強型改造

凝汽器在高、低背壓兩種模式下運行，壓力和溫度變化較大。機組改造后，凝汽器水室壓力由原來設(shè)計壓力0.4MPa提高到0.5～0.6MPa；低壓缸排汽溫度升高造成凝汽器管束與殼體膨脹不均勻，會造成管束的脹口泄漏。對凝汽器進行整體改造，更換凝汽器管束，水室采取弧形板結(jié)構(gòu)，內(nèi)部增加支撐，加厚管板厚度等措施，設(shè)計水室承壓達到1.0MPa；凝汽器后水室增加伸縮節(jié)，當(dāng)凝汽器溫度升高后管板和水室自由膨脹。

2.6凝結(jié)水精處理系統(tǒng)采用高溫樹脂

循環(huán)水供熱期間，凝結(jié)水溫度達到80℃以上，原凝結(jié)水精處理系統(tǒng)無法運行，研制開發(fā)國產(chǎn)中壓高溫樹脂，新增3臺內(nèi)襯丁基橡膠，耐溫100～120℃的高溫混床，滿足高背壓供熱工況運行的需要。

3300　MW汽輪機高背壓改造后的性能指標(biāo)

3.1300MW機組高背壓運行的經(jīng)濟指標(biāo)

首臺300MW汽輪機高背壓循環(huán)水供熱改造后，進行循環(huán)水供熱工況性能考核試驗，以了解機組供熱能力和供熱工況下的經(jīng)濟指標(biāo)。機組供熱工況試驗結(jié)果見表2。

表2　300MW汽輪機循環(huán)水供熱改造性能試驗結(jié)果

300MW汽輪機高背壓循環(huán)水供熱改造以后，在4VWO工況下，高壓缸效率81.335%，中壓缸效率88.594%，低壓缸效率93.292%，修正后熱耗率3713.098 kJ/kW·h；最大純凝230MW工況的高壓缸效率81.346%，中壓缸效率87.232 %，低壓缸效率93.538%，修正后熱耗率3738.2 kJ/kW·h，而相應(yīng)工況設(shè)計的高壓缸效率82.385%，中壓缸效率91.15 %，低壓缸效率94.131%，作為高背壓改造機組，改造后的低壓缸效率稍小于設(shè)計值。

由表2可以看出，機組在4VWO工況和230MW工況下，試驗熱耗率在3736.193～3762.792kJ/kW·h之間，修正后熱耗率在3713.098～3738.195kJ/kW·h之間，平均熱耗率為3725.65kJ/kW.h，機組熱效率在96.3%～97.0%之間，隨工況變化波動不大，這主要是因為機組在高背壓供熱狀態(tài)，高溫循環(huán)水承擔(dān)著很大的對外供熱量，而機組冷端運行參數(shù)受熱負荷影響較大。帶采暖抽汽工況，由于中低壓缸聯(lián)通管的采暖抽汽量沒有在低壓缸中做功，機組發(fā)電功率降低，因此導(dǎo)致機組試驗熱耗率和修正后的熱耗率都增加。

3.2試驗結(jié)果分析

3.2.1帶電負荷能力

機組高背壓循環(huán)水供熱工況運行的發(fā)電功率受冷端參數(shù)和熱負荷影響較大，當(dāng)熱網(wǎng)循環(huán)水流量達到11476t/h時，凝汽器背壓為54.95kPa，機組發(fā)電功率最大達到230.4MW，達到設(shè)計出力229.7MW。

3.2.2采暖抽汽工況的經(jīng)濟指標(biāo)

機組設(shè)計最大采暖抽汽量為270t/h，試驗時帶最大采暖抽汽量246.2t/h，此工況下，機組進汽流量1005.06t/h，發(fā)電出力223.47MW，凝汽器背壓為40.61kPa，低壓缸效率90.870%；相應(yīng)工況下，機組設(shè)計進汽量970t/h，發(fā)電出力238.93MW，采暖抽汽量190t/h，凝汽器背壓為54kPa，低壓缸效率93.906%。

帶采暖抽汽工況，由采暖抽汽和高溫循環(huán)水同時對用戶供熱，隨抽汽量增加，低壓缸通流量降低，凝汽器背壓降低，高溫循環(huán)水供熱量減小，同時在相同的主蒸汽流量情況下，機組發(fā)電出力也降低，為保證機組和全廠的經(jīng)濟效益，應(yīng)對高溫循環(huán)水供熱機組和其他供熱機組的運行方式進行優(yōu)化，優(yōu)先采用機組高溫循環(huán)水供熱，其次再依次投用壓力逐漸增高的供熱抽汽。

3.2.3改造后的經(jīng)濟指標(biāo)和社會效益

300MW機組循環(huán)水供熱改造后，平均熱耗率為3725.65kJ/kW·h，循環(huán)熱效率達96%以上，發(fā)電煤耗為139g/kW·h，每個供熱季節(jié)約標(biāo)煤至少6.46萬t。

300MW機組循環(huán)水供熱改造后，回收了冷源損失，擴大了熱源容量，機組進汽流量1025t/h時，供熱能力為460.2MW，供熱面積增加了4×106m2，每年可向市區(qū)增加供熱量1.23×106GJ，考慮小鍋爐與大型供熱機組的供熱煤耗差，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約2.83×104t。綜合節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤9.29×104t，減少二氧化硫排放量2933t，減少氮氧化物排放量883t。

3.3機組高背壓運行的控制指標(biāo)

對于利用高溫循環(huán)水供熱的抽凝機組，外網(wǎng)熱負荷對循環(huán)水流量和凝汽器進、出水溫度影響很大，而循環(huán)水流量和凝汽器進、出水溫度又影響機組的運行指標(biāo)，因此熱負荷同時影響著機組的運行方式和安全指標(biāo)[6，7]。

3.3.1低壓缸排汽壓力的限制

低壓缸排汽壓力過高和排汽流量較低時，會造成低壓缸排汽容積流量減少，末級葉片將產(chǎn)生鼓風(fēng)損失，造成排汽溫度過高，容易發(fā)生汽輪機動靜摩擦等事故。因此，嚴(yán)格按照制造廠提供的低壓缸排汽壓力限制曲線（如圖2所示），控制汽輪機背壓值在規(guī)定范圍內(nèi)。

3.3.2中壓缸排汽壓力的限制

機組中低壓連通管上帶采暖抽汽，實現(xiàn)對高溫循環(huán)水供熱溫度的調(diào)節(jié)，由于中壓缸末級葉片強度的要求，級間壓差不能超限，為確保中壓缸葉片安全，不同的主汽流量下，控制不同的中壓缸排汽壓力：當(dāng)主汽流量大于850t/h時，中低壓聯(lián)通管上調(diào)節(jié)抽汽壓力不低于0.79MPa；當(dāng)主汽流量小于850t/h時，調(diào)節(jié)抽汽壓力不低于同等純凝工況時的中排壓力。

3.3.3中、低壓缸排汽溫度的限制

機組在高背壓循環(huán)水供熱工況運行，控制中壓缸排汽溫度小于378℃，低壓缸排汽溫度小于85℃。

機組在高背壓運行狀態(tài)，利用高溫循環(huán)水供熱，受外網(wǎng)熱負荷影響較大，在供熱初期和末期，熱負荷小，機組運行調(diào)整困難，應(yīng)該充分地調(diào)整本機和臨機中低壓聯(lián)通管抽汽供熱和高溫循環(huán)水供熱，協(xié)調(diào)機組運行方式，并保證中、低壓缸排汽溫度不超過以上限制值。

4　結(jié)語

首臺亞臨界300MW抽凝式汽輪機采用“雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換”方式實施高背壓改造，實現(xiàn)了高溫循環(huán)水直接供熱的目的。在135MW等級機組高背壓改造技術(shù)的基礎(chǔ)上，300MW機組針對本身特點，通過對低壓內(nèi)缸的優(yōu)化設(shè)計和改造，解決了雙層低壓內(nèi)缸通用性改造的難題，使得新、舊低壓轉(zhuǎn)子可以使用同一低壓缸；研發(fā)設(shè)計給水泵汽輪機新轉(zhuǎn)子及有關(guān)部套，擴大了給水泵汽輪機轉(zhuǎn)子的變工況適用范圍，解決了給水泵汽輪機高背壓工況下出力不足的難題；研制開發(fā)國產(chǎn)中壓高溫樹脂，新增3臺內(nèi)襯丁基橡膠，耐溫100～120℃的高溫混床，滿足凝結(jié)水系統(tǒng)高背壓供熱工況運行的需要。

首臺300MW機組實施高溫循環(huán)水供熱改造以后，實現(xiàn)了采暖期凝汽器高背壓運行，利用高溫循環(huán)水直接供熱，非采暖期低背壓運行，滿足了機組冬季高背壓供熱和全年經(jīng)濟運行的要求。改造后的性能試驗結(jié)果表明，機組各項經(jīng)濟指標(biāo)達到設(shè)計值，節(jié)能效果顯著。

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修回日期：2016-01-18

Transformation Technology and Economic Indicators Analysis of the First 300MW Steam Turbine Supplying Heat Using High-temperature Circulating Water

CHENG Xie-wei1，WANG Xue-dong2，SONG Ang2
（1. Safety Production Part of Shandong Branch Company of Huadian Power International Ltd. Co.，Jinan 250014，China；2. Shandong Branch of Huadian Electric Power Research Institute，Jinan 250014，China）

Abstract：This paper introduces the technology and content of the first subcritical 300MW steam turbine transformation using high-temperature circulating water for direct heating，and illustrates the similarities and differences with the 135MW stage units. On the basis of transformation technology of double back-pressure and dual rotor switch on 135MW stage units，Technical problems that commonality transformation of dual low-pressure cylinder，feeding water pump turbine transformation，and condensate polishing treatment system transformation have been solved on 300MW turbine unit to achieve direct heating using high-temperature circulating water. After transformation，the performance test results show that economic indicators of the unit have reached design values. Its energy-saving effect is remarkable.

Key words：300MW steam turbine；circulating water heating；high back-pressure transformation；high back-pressure heating；dual rotor switch

收稿日期：2015-11-11

作者簡介：成渫畏（1970-），男，江蘇無錫人，本科，工學(xué)學(xué)士，工程師，從事電站機組本體和輔機、熱力系統(tǒng)的檢修、技術(shù)管理等工作。

中圖分類號：TK262

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）01-0006-05

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.002