叢永杰++王海成

【摘 要】節(jié)能降耗一直是國家對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)電企業(yè)的要求，特別是裝機(jī)容量小的火電機(jī)組，如不進(jìn)行必要改造，隨時(shí)可能有被邊緣化，被去產(chǎn)能的風(fēng)險(xiǎn)，汽輪機(jī)低壓缸光軸改造技術(shù)正是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生，在對(duì)緩解機(jī)組供熱和機(jī)組帶負(fù)荷方面起到一定的積極意義，本文主要就華電能源富拉爾基發(fā)電廠的低壓缸光軸改造技術(shù)中低壓缸冷卻的問題進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】光軸改造 低壓缸冷卻 低壓轉(zhuǎn)子

在高寒地區(qū)，蓄熱系統(tǒng)發(fā)揮著不容忽視的作用，與蓄熱系統(tǒng)配套使用的是低壓缸光軸改造技術(shù)和鉆孔抽汽技術(shù)，本文將對(duì)低壓缸光軸改造技術(shù)進(jìn)行分析論證，并對(duì)汽輪機(jī)低壓缸光軸改造后，低壓缸的冷卻問題進(jìn)行了深度探析。

1 機(jī)組簡(jiǎn)介

華電能源富拉爾基發(fā)電廠汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N200-130/535/535型超高壓一次中間再熱、三缸三排汽、凝汽式汽輪機(jī)，機(jī)組有三個(gè)低壓缸?？傃b機(jī)容量 1200MW，分為二期建設(shè)，一期 3 臺(tái) 200MW 機(jī)組，二期擴(kuò)建3 臺(tái) 200MW 機(jī)組，共 6 臺(tái) 200MW 凝汽式機(jī)組。汽輪機(jī)均為哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司八十年代產(chǎn)品，汽輪機(jī)為沖動(dòng)式三缸三排汽凝汽式汽輪機(jī)。分別于 1982、1983、1984、1987、1988、1989 年投產(chǎn)發(fā)電。其中二期 3 臺(tái)汽輪機(jī)分別在 1996、1997、1998 年采用全三維技術(shù)進(jìn)行了通流部分?jǐn)U容改造，額定功率達(dá)到 210MW。

2 低壓缸轉(zhuǎn)子光軸改造的原理

華電能源富拉爾基發(fā)電廠汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N200-130/535/535型超高壓一次中間再熱、三缸三排汽、凝汽式汽輪機(jī)，機(jī)組有三個(gè)低壓缸。如果在聯(lián)通管打孔抽汽供熱改造，抽汽量小，穩(wěn)定性差，機(jī)組要想多供汽，最好進(jìn)行低壓光軸供熱改造，將#2、#3號(hào)低壓缸解列，用新設(shè)計(jì)低壓光軸轉(zhuǎn)子代替原低壓轉(zhuǎn)子，但因其有三個(gè)低壓缸， #1低壓缸與中壓缸是一體結(jié)構(gòu)，#2、#3號(hào)低壓缸對(duì)稱分布，低壓光軸供熱改造難度大。國內(nèi)其它電廠已進(jìn)行過低壓缸光軸供熱改造，并成功運(yùn)行。

改造后，低壓缸采用雙轉(zhuǎn)子互換形式，非供熱期仍采用原機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子，低壓缸以純凝形式運(yùn)行；供熱期低壓轉(zhuǎn)子采用低壓光軸，只起連接作用，低壓部分并不作功發(fā)電，中低壓聯(lián)通管排汽用于供熱，充分利用汽輪機(jī)排汽供熱，減少冷源損失，增大供熱量，以滿足冬季采暖供熱，擴(kuò)大熱網(wǎng)供熱能力，降低機(jī)組運(yùn)行熱耗，能有效的滿足富發(fā)電廠規(guī)劃的250萬平方米的供熱負(fù)荷，并為富發(fā)電廠新機(jī)供熱提供備用熱源，保障供熱安全。

光軸供熱改造已有比較成功的案例。例如煙臺(tái)發(fā)電有限公司4號(hào)機(jī)組為北京重型電機(jī)廠生產(chǎn)的110MW抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組。機(jī)組形式為高壓、沖動(dòng)、雙缸雙排汽、抽汽凝汽式，型號(hào)NC110-8.83/0.2/535。為滿足城市供熱需求，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，煙臺(tái)發(fā)電有限公司于2014年3月將4號(hào)汽輪機(jī)組改造為背壓供熱機(jī)組，采用低壓缸光軸方案，機(jī)組改為背壓機(jī)后，全部排汽進(jìn)入熱網(wǎng)供熱，利用了全部冷端損失，供熱量增大122 t/h左右。改造后運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，得到用戶好評(píng)。河南濮陽第二發(fā)電廠改造200MW機(jī)組，采用低壓缸光軸方案，機(jī)組改為背壓機(jī)后，全部排汽進(jìn)入熱網(wǎng)供熱，利用了全部冷端損失，成功運(yùn)行。

3 光軸改造后產(chǎn)生低壓缸溫度升高的原因及對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行的影響

3.1 光軸改造后，對(duì)低壓缸排氣溫度的分析主要可以分三個(gè)階段

（1）機(jī)組啟動(dòng)階段，汽輪機(jī)在光軸模式下運(yùn)行，由于汽輪機(jī)啟動(dòng)初期，鼓風(fēng)摩擦損失大，蒸汽流量小，特別是2、3號(hào)低壓缸，鼓風(fēng)摩擦損失所產(chǎn)生的熱量，由于2、3號(hào)低壓缸不再進(jìn)汽，較未進(jìn)行光軸改造前所產(chǎn)生的熱量更大。未進(jìn)行光軸改造時(shí)有低壓缸葉片的存在，且啟動(dòng)時(shí)低壓缸有進(jìn)氣量多少會(huì)帶走一部分熱量，但是光軸改造后，這部分光軸基本上是暴露在具有大熱量的空氣中，加上光軸摩擦旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量，對(duì)汽輪機(jī)的脹差來說影響最大。

（2）機(jī)組停止階段，汽輪機(jī)在光軸模式下運(yùn)行時(shí)，越是到停機(jī)后期，由于2、3號(hào)低壓缸已不再進(jìn)汽，此時(shí)隨著機(jī)組負(fù)荷、轉(zhuǎn)速的降低，汽輪機(jī)低壓缸的光軸處又因?yàn)楣娘L(fēng)摩擦熱損失的存在，溫度逐漸上升，由于沒有了葉片，汽輪機(jī)低壓缸脹差受溫度的影響進(jìn)一步加大。

（3）正常運(yùn)行階段，原來有葉片的低壓缸變成了一根光軸，光軸的存在使得泊桑效應(yīng)的影響進(jìn)一步擴(kuò)大，轉(zhuǎn)子的突變將可能導(dǎo)致軸向位移、振動(dòng)、偏心等參數(shù)發(fā)生變化，危及汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。

3.2 光軸改造對(duì)汽輪機(jī)機(jī)組安全影響的分析

結(jié)合上述三個(gè)階段的描述，汽輪機(jī)光軸改造后對(duì)汽輪機(jī)的影響主要分兩個(gè)方面：1）因鼓風(fēng)摩擦引起的機(jī)組脹差的變化；2）因光軸改造后產(chǎn)生的泊桑效應(yīng)的擴(kuò)大反應(yīng)。本文將從這兩個(gè)方面研究光軸改造后汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。

4 鼓風(fēng)摩擦損失對(duì)汽輪機(jī)脹差的影響

所謂鼓風(fēng)是指部分蒸汽通過末端部位的某一級(jí)時(shí)，流速低于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度，與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生摩擦，這種現(xiàn)象稱之鼓風(fēng)，其摩擦損失就是鼓風(fēng)損失，由于末端幾級(jí)的蒸汽經(jīng)過多級(jí)膨脹，在真空降低或進(jìn)口蒸汽量減少時(shí)，末端某級(jí)進(jìn)出口壓差減小，蒸汽通過噴嘴后膨脹能力降低或者不膨脹，導(dǎo)致部分蒸汽從噴嘴中噴出的速度小于該點(diǎn)汽機(jī)轉(zhuǎn)子的線速度，與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生摩擦。汽輪機(jī)在啟停或其他異常工況時(shí)，在外部擾動(dòng)下由于轉(zhuǎn)子的膨脹幅度大于汽缸的膨脹，即所謂脹差變化。如果轉(zhuǎn)子的膨脹大于汽缸變化成為正脹差，轉(zhuǎn)子的膨脹變化小于汽缸變化成為負(fù)脹差。

眾所周知，金屬具有吸熱的特性，金屬的膨脹或收縮與吸收的熱量息息相關(guān)，在汽輪機(jī)光軸改造后，汽缸的位置位于蒸汽的表面，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子則被蒸汽緊緊包圍，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在低壓缸葉片被拆除后，轉(zhuǎn)子和蒸汽的相對(duì)接觸面積增大了近一倍，而對(duì)于汽輪機(jī)汽缸本身而言，由于汽缸并未進(jìn)行過任何改造，而汽缸比汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的面積大的多，汽輪機(jī)光軸改造后的轉(zhuǎn)子所暴露在蒸汽中的面積和汽輪機(jī)汽缸相對(duì)于蒸汽的面積的極大反差導(dǎo)致了汽輪機(jī)脹差向正脹差變化，這個(gè)正脹差相對(duì)于改造前有所增大，而當(dāng)汽缸進(jìn)入冷源或進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)變低后，汽輪機(jī)的脹差又會(huì)變位負(fù)脹差，這個(gè)負(fù)脹差的幅度相對(duì)于光軸改造前，幅度要有所增大，這就需要我們?cè)谄啓C(jī)光軸改造會(huì)對(duì)汽輪機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)中的脹差的顯示值進(jìn)行重新校核和定義，必要時(shí)還要更改汽輪機(jī)危急遮斷保護(hù)中脹差的定值。為了保護(hù)汽輪機(jī)，每臺(tái)機(jī)組都設(shè)有汽輪機(jī)脹差保護(hù)的報(bào)警值和跳閘值，汽輪機(jī)光軸改造后，如果汽輪機(jī)的脹差在啟停機(jī)和變工況過程中始終都在報(bào)警值范圍內(nèi)，就不會(huì)對(duì)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行造成影響。汽輪機(jī)的光軸改造造成了一個(gè)后果，那就是汽輪機(jī)出場(chǎng)廠家定義的脹差報(bào)警和跳閘值很有可能已經(jīng)發(fā)生了漂移，如果脹差監(jiān)視失控，就會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)動(dòng)靜摩擦，振動(dòng)增大，軸封冒火，動(dòng)靜葉片抱死，大軸彎曲、葉片脫落等惡性事故，所以我們必須認(rèn)真對(duì)待光軸改造后汽輪機(jī)脹差的變化對(duì)汽輪機(jī)安全的影響。

5 光軸改后的泊桑效應(yīng)擴(kuò)大對(duì)汽輪機(jī)各參數(shù)的影響

泊桑效應(yīng)也就是汽輪機(jī)的軸在轉(zhuǎn)速增加的時(shí)候，受到離心力的作用，而變粗，變短。轉(zhuǎn)速減小的時(shí)候，而變細(xì)，變長(zhǎng)。一般在啟，停機(jī)的時(shí)候由于低壓缸的轉(zhuǎn)子是最粗的，所以受泊桑效應(yīng)最明顯。是脹差變化的一個(gè)因素，汽輪機(jī)光軸改造后，原來的汽輪機(jī)低壓缸三缸變一缸，其余兩缸變成了光軸，這個(gè)光軸的出現(xiàn)使汽輪機(jī)在轉(zhuǎn)速急劇變化時(shí)，轉(zhuǎn)子的粗細(xì)長(zhǎng)短相對(duì)于光軸改造前幅度變化擴(kuò)大，正常停機(jī)憜走時(shí)間一般為1個(gè)小時(shí)，轉(zhuǎn)速降低較破壞真空后慢的多，雖有泊效應(yīng)使其轉(zhuǎn)子伸長(zhǎng)，但因其之前一直有氣冷卻，轉(zhuǎn)子處于較冷的狀態(tài)，故脹差既有負(fù)向，又有正向抵消，不是很明顯。但打閘，尤其是破壞真空緊急停機(jī)屬于熱態(tài)轉(zhuǎn)子急速停轉(zhuǎn)，此時(shí)，轉(zhuǎn)子短時(shí)間內(nèi)迅速停運(yùn)，在熱脹冷縮和泊桑效應(yīng)的影響下，汽輪機(jī)的軸向位移、脹差尤其是低壓脹差迅速正向增大，直接威脅汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，泊桑效應(yīng)的影響也是我們?cè)谄啓C(jī)光軸改造后需要面對(duì)的一個(gè)問題。

此外汽輪機(jī)低壓缸光軸改造后，原汽輪機(jī)的軸封處因2、3號(hào)低壓缸不再進(jìn)汽，汽輪機(jī)系統(tǒng)軸封處的改造也引人深思，特別是在低壓缸轉(zhuǎn)子在切換過程中，汽輪機(jī)在實(shí)現(xiàn)光軸到葉片切換的同時(shí)，軸封系統(tǒng)也需要相應(yīng)切換，軸封的冷卻方式，軸封系統(tǒng)的投入與運(yùn)行，都是汽輪機(jī)光軸改造后我們需要認(rèn)真思考的問題，因?yàn)檩S封系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問題，就是大問題，輕則機(jī)組漏真空，重則機(jī)組會(huì)發(fā)生水沖擊，大軸彎曲等惡性事故，因此汽輪機(jī)光軸改造后，軸封系統(tǒng)的運(yùn)維和技改同樣需要我們投入大的精力來論證和實(shí)施。

6 論述低壓缸冷卻措施及原理

在汽輪機(jī)供熱期運(yùn)行時(shí)，#1號(hào)低壓缸正常做功發(fā)電，#2、#3低壓部分不再進(jìn)汽，低壓光軸仍與發(fā)電機(jī)聯(lián)接轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生鼓風(fēng)現(xiàn)象，低壓缸溫度升高，引起整個(gè)#2、#3低壓部分膨脹及標(biāo)高發(fā)生變化，給機(jī)組運(yùn)行帶來安全影響，需要對(duì)汽輪機(jī)#2、#3低壓部分進(jìn)行冷卻。具體方案如下：

（1）從供熱抽汽管路，抽出5～10t/h左右的蒸汽，經(jīng)減溫減壓后對(duì)低壓缸進(jìn)行冷卻。同時(shí)保持低壓缸前、后汽封送汽及汽封冷卻器的抽汽。

（2）低壓缸冷卻蒸汽管路設(shè)置一個(gè)減溫減壓器、一個(gè)電動(dòng)截止閥。

（3）光軸及低壓缸冷卻蒸汽流量，由控制系統(tǒng)根據(jù)低壓缸排汽溫度，通過冷卻蒸汽管道上的調(diào)節(jié)閥控制。

（4）在供熱抽汽期間，#2、#3凝汽器熱備用，將低壓缸冷卻蒸汽凝結(jié)成水。

（5）凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)可以小流量運(yùn)行，保持凝汽器、主冷油器、磨煤機(jī)潤(rùn)滑油冷油器冷卻用水。

（6）凝結(jié)水泵繼續(xù)運(yùn)行，減溫水來自凝泵后，需要減溫時(shí)，適當(dāng)提高減溫水的壓力運(yùn)行。

7 結(jié)語

汽輪機(jī)光軸改造技術(shù)在給機(jī)組供熱和深度調(diào)峰帶來便利的同時(shí)，也對(duì)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行帶來了一定的考驗(yàn)，任何一項(xiàng)技術(shù)革新，安全都是必要和必須的，本文主要從光軸改造后汽輪機(jī)的脹差、泊桑效應(yīng)的影響上進(jìn)行了對(duì)汽輪機(jī)啟停機(jī)和變工況運(yùn)行的安全論證，希望能給同類型機(jī)組以啟示。