曾婭

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

凝汽式汽輪機(jī)高背壓循環(huán)水供熱改造技術(shù)研究

曾婭

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

文章通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)低壓通流及凝汽器改造，充分利用汽輪機(jī)排汽中的低位能供熱，極大提高了能源利用。文章研究了汽輪機(jī)高背壓供熱改造對(duì)軸系靜動(dòng)特性、機(jī)組熱膨脹的影響，總結(jié)了本體結(jié)構(gòu)及設(shè)備保溫設(shè)計(jì)特點(diǎn)，探討了保證機(jī)組安全運(yùn)行的末端冷卻手段及安全保護(hù)值設(shè)定。

高背壓，循環(huán)水供熱，雙轉(zhuǎn)子，供熱改造

0 引言

熱電聯(lián)產(chǎn)是熱能和電能聯(lián)合生產(chǎn)的一種高效能源生產(chǎn)方式，也是一種公認(rèn)的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。其根據(jù)能源梯級(jí)利用的原理，將一次能源燃燒后既生產(chǎn)電能又利用已作功蒸汽對(duì)用戶供熱，能夠提高能源的利用效率。高背壓雙轉(zhuǎn)子互換循環(huán)水供熱改造機(jī)組，即在供暖期使用高背壓轉(zhuǎn)子，利用汽輪機(jī)排汽產(chǎn)生的熱量用于供暖；而在非供暖期使用高效純凝轉(zhuǎn)子提高發(fā)電效率。高背壓工況下，冷卻水采用熱網(wǎng)循環(huán)水，回收所有乏汽，汽輪機(jī)冷源損失降低接近為0，大大提高機(jī)組的循環(huán)效率，節(jié)能效果顯著。

1 技術(shù)特點(diǎn)概述

汽輪機(jī)高背壓雙轉(zhuǎn)子互換循環(huán)水供熱改造，主要改造部分為汽輪機(jī)的低壓部分和凝汽器部分。汽輪機(jī)的外缸、軸承座、基礎(chǔ)及管道布置保持不變，對(duì)300 MW汽輪機(jī)高背壓工況進(jìn)行低壓缸全新通流設(shè)計(jì)，運(yùn)用部套無(wú)擾切換、軸系調(diào)整與優(yōu)化、凝汽器流程快速切換等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在采暖期高背壓循環(huán)水供熱的目的。機(jī)組在供暖期采用高背壓模塊，凝汽器切換四流程，利用排汽加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，滿足居民供暖需要；非供暖期采用低壓通流優(yōu)化模塊，提高通流效率，凝汽器切換至純凝狀態(tài)，滿足低能耗發(fā)電需要。

2 供暖期與非供暖期無(wú)擾切換

機(jī)組在供暖期采用高背壓轉(zhuǎn)子，次年供暖結(jié)束后，揭缸更換為高效純凝轉(zhuǎn)子，如此循環(huán)，每年揭缸兩次。這要求供暖期與非供暖期通流必須保持高度通用性，以實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換。改造后，部套的使用情況見表1。

表1 改造范圍

從表1可以看出，每次開缸僅需更換轉(zhuǎn)子和相應(yīng)隔板即可實(shí)現(xiàn)供暖期與非供暖期無(wú)擾切換。

改造后高背壓工況下，機(jī)組級(jí)數(shù)減少2級(jí)，通流優(yōu)化降低鼓風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)，低壓通流圖見圖1。純凝工況采用先進(jìn)通流技術(shù)，提高低壓缸缸效，降低熱耗，低壓通流見圖2。

圖1 采暖期通流圖

圖2 非采暖期通流圖

3 熱力系統(tǒng)

當(dāng)高背壓供熱工況時(shí)，熱網(wǎng)循環(huán)水作為凝汽器的冷卻水，凝汽器背壓升高為54 kPa，此時(shí)凝汽器出口溫度為80℃。初末寒期，熱網(wǎng)循環(huán)水80℃已滿足供暖需求。極寒期，可采用本機(jī)抽汽或鄰機(jī)抽汽，在熱網(wǎng)首站對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行二次加熱，可滿足更高要求的供暖需要?；厮尫艧崃亢?，溫度降為50℃，再回到凝汽器，構(gòu)成完整循環(huán)水路。系統(tǒng)圖見圖3。

圖3 熱力系統(tǒng)圖

高背壓供熱工況時(shí)，由于取消了末兩級(jí)，在高背壓正常運(yùn)行工況下，8#低加前后端差為0，實(shí)際上僅起到通道作用。再考慮到一年兩次的拆裝量，所以對(duì)8#低加不采取封堵措施。但在啟停階段對(duì)疏水有影響，后文7章節(jié)中有詳述。熱平衡圖見圖4。

圖4 熱平衡簡(jiǎn)圖

4 軸系計(jì)算

軸系設(shè)計(jì)是汽輪機(jī)安全性的重要方面，直接影響了機(jī)組的振動(dòng)情況。而高背壓循環(huán)水供熱機(jī)組在純凝期和采暖期高中壓轉(zhuǎn)子、電機(jī)轉(zhuǎn)子不變，分別采用不同的低壓轉(zhuǎn)子，兩種工況下軸系設(shè)計(jì)都必須符合相關(guān)安全導(dǎo)則。因此軸系設(shè)計(jì)是高背壓循環(huán)水供熱機(jī)組改造的技術(shù)難點(diǎn)之一。

高背壓工況下，去掉了低壓轉(zhuǎn)子末兩級(jí)，軸系的質(zhì)量及質(zhì)量分布發(fā)生了比較大的變化。改造后高背壓轉(zhuǎn)子模化簡(jiǎn)圖見圖5。軸系中各轉(zhuǎn)子基本參數(shù)見表2。

圖5 軸系概況圖

表2 軸系概況表

采用傳遞矩陣法對(duì)軸系的靜動(dòng)特性進(jìn)行計(jì)算，軸系臨界轉(zhuǎn)速見表3，扭振結(jié)果見表4。

表3 軸系橫振計(jì)算數(shù)據(jù)表

表4 軸系扭振計(jì)算數(shù)據(jù)表

從表3可以看出高中壓轉(zhuǎn)子及電子轉(zhuǎn)子維持現(xiàn)狀，僅更換低壓轉(zhuǎn)子，軸系臨界最大變化發(fā)生在低壓一階。由于高背壓轉(zhuǎn)子質(zhì)量降低，剛度增加，使得低壓一階臨界轉(zhuǎn)速增加大約136 r/min。但臨界轉(zhuǎn)速避開率仍大于±15%，滿足軸系振動(dòng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則。

從表4來(lái)看，高背壓工況及純凝工況扭振各階頻率均避開了[45,55]和[93,108]兩個(gè)范圍，符合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

5 熱膨脹的影響

高背壓提升到54 kPa，低壓缸的排汽溫度將提高到83～120℃。但整個(gè)機(jī)組的絕對(duì)死點(diǎn)、相對(duì)死點(diǎn)、主蒸汽參數(shù)均不變，僅排汽溫度有所提高。

可以判斷改造后的熱膨脹情況與改造前類似，但低壓缸脹差略有增加。計(jì)算結(jié)果顯示低壓缸的脹差增大了0.3～0.6 mm。詳見圖6。

圖6 機(jī)組熱膨脹圖

徑向間隙方面，低壓內(nèi)缸將向上膨脹。對(duì)于“座缸”軸承，低壓轉(zhuǎn)子將隨缸一起膨脹，故徑向間隙可以認(rèn)為與純凝工況保持不變。而對(duì)“落地”軸承，需對(duì)隔板汽封、葉頂徑向汽封進(jìn)行偏心加工。

凝汽器高度約14 m，根據(jù)支撐方式的不同，熱膨脹的影響也不同?！皬椥赃B接，剛性支撐”的凝汽器，喉部與低壓外缸為膨脹節(jié)彈性連接，底部為剛性支撐，熱膨脹由膨脹節(jié)吸收，對(duì)低壓缸造成影響較小?！皠傂赃B接，彈性支撐”的凝汽器，喉部與低壓外缸為剛性連接，底部由彈簧支撐，若彈簧剛度太大，熱膨脹將直接作用于低壓缸，對(duì)主機(jī)設(shè)備產(chǎn)生安全影響。若彈簧剛度太小，又無(wú)法滿足純凝時(shí)的要求。因此對(duì)于“剛性聯(lián)接，彈性支撐”的汽輪機(jī)，選取適宜的剛度是關(guān)鍵技術(shù)之一。

按照最高溫度120℃，對(duì)地腳螺栓間隙進(jìn)行校核:軸向膨脹量為4.35 mm；橫向膨脹量為4.56 mm；膨脹量仍在改造前地腳螺栓間隙內(nèi)。

6 低壓缸保護(hù)與減溫減壓系統(tǒng)

保護(hù)定值采取“三取二”的原則。測(cè)點(diǎn)盡量利用原有位置，數(shù)量不足時(shí)，需在合適位置增加測(cè)點(diǎn)。高背壓工況下，某些壓力或溫度參數(shù)將超過(guò)原有測(cè)量元件的量程，需進(jìn)行更換。

低壓缸排汽溫度設(shè)置為90℃報(bào)警，140℃停機(jī)。減溫噴水設(shè)置為90℃投噴水，85℃停噴水。同時(shí)結(jié)合低壓進(jìn)汽壓力與背壓關(guān)系，對(duì)低壓缸進(jìn)行雙重保護(hù)。

考慮到特殊工況下排汽可能處于過(guò)熱區(qū)，故對(duì)噴水系統(tǒng)進(jìn)行校核計(jì)算。減溫噴水的水源分別按照除鹽水和凝結(jié)水進(jìn)行校核，見表5。

表5 噴水減溫流量計(jì)算表

Q水:冷卻水流量；H1:排汽焓值；H2:目標(biāo)溫度焓值；Q:排汽流量；Hs:冷卻水焓值。

高背壓正常運(yùn)行時(shí)，排汽溫度為83℃，而當(dāng)主蒸汽量減少或中排抽汽過(guò)多，排汽缸溫度可能升至120℃。表5中，排汽焓值H1按照54 kPa、120℃查得。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，采用約11 t/h的凝結(jié)水可將低壓缸排汽從120℃降低至85℃，若采用除鹽水，用水量為9.4 t/h。

為減小凝汽器超溫，利用濕蒸汽的高效換熱性能，在凝汽器喉部增加一組水幕保護(hù)裝置，如圖7所示。當(dāng)?shù)团艤囟瘸^(guò)實(shí)時(shí)排汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度（不含）時(shí)投噴水，低壓缸排汽溫度低于實(shí)時(shí)排汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度（不含）時(shí)停噴水。噴水量可由水幕保護(hù)裝置系統(tǒng)上的調(diào)節(jié)閥控制。

圖7 水幕保護(hù)裝置示意圖

7 凝汽器及低加改造

高背壓工況時(shí)，為滿足換熱需要，需增加凝汽器流程，系統(tǒng)設(shè)置見圖8。

圖8 雙流程與四流程示意圖

通過(guò)圖8中的蝶閥實(shí)現(xiàn)雙流程與四流程順利切換，滿足純凝和高背壓兩種不同工況的需求。

汽封加熱器面積由110 m2增加至200 m2，可在原系統(tǒng)不變的情況下滿足要求。由于汽封加熱器面積增大，對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)功率增加，軸封抽汽更強(qiáng)，有效控制軸端漏氣。

7&8低加為合體低加，布置于凝汽器喉部，其正常疏水方式為低加疏水經(jīng)過(guò)7號(hào)，再流經(jīng)8號(hào)，最后進(jìn)入凝汽器熱井。改造后，在供熱工況，8號(hào)低加抽蒸汽量為零，若繼續(xù)采用原疏水方式，由于8號(hào)與凝汽器壓差降低，7號(hào)疏水不能滿足逐級(jí)自流要求，造成疏水不暢。因此，采用如圖9所示布置方式，在7號(hào)正常疏水閥后管道上另引一路直接到熱井，兩條管路上各加一只截止閥，以兩只閥門的啟、閉來(lái)滿足運(yùn)行要求。

圖9 7號(hào)低加旁路疏水布置圖

8 低壓缸及凝汽器保溫

良好的保溫可以減少汽輪機(jī)本體及其管道表面的散熱損失,提高機(jī)組的熱效率。因此對(duì)汽輪機(jī)本體部分的保溫,從設(shè)計(jì)到施工都應(yīng)給予充分的重視。在汽輪機(jī)本體設(shè)備改造完成后，可以對(duì)低壓外缸及凝汽器外殼進(jìn)行保溫。

保溫材料在使用溫度為120～150℃范圍內(nèi)要求導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.09 kcal/（m·h·℃）。最低耐熱溫度應(yīng)大于被保溫金屬表面溫度，而且在高溫情況下性能穩(wěn)定。還要求保溫材料容重輕，一般不適宜超過(guò)350 kg/m3?？梢允枪杷徜X纖維毯，也可以是抹面涂層材料。較厚的硅酸鋁纖維毯不宜用于曲率半徑小的設(shè)備上。保溫材料不可含有石棉。由于一年兩次揭缸換轉(zhuǎn)子，低壓外缸的保溫層需按照上下半分別敷設(shè)，中分面要方便拆卸。

9 結(jié)論

（1）此供熱機(jī)組可完全利用排汽余熱，極大地提高機(jī)組供熱能力，大幅降低機(jī)組熱耗。解決了供暖期與非供暖期電、熱負(fù)荷不一的矛盾，對(duì)降低能源損耗，保護(hù)生態(tài)環(huán)境有極大意義。

（2）高背壓循環(huán)水供熱是一種獨(dú)特供熱方式，但研發(fā)高背壓循環(huán)水供熱機(jī)組涉及的計(jì)算原理、安全準(zhǔn)則、技術(shù)手段與常規(guī)凝汽式汽輪機(jī)是相同的。在具體工程實(shí)施上有成熟可靠的技術(shù)保障。

（3）高背壓循環(huán)水供熱機(jī)組的成功實(shí)施不僅有利于老機(jī)組供熱改造，還可用于北方供熱期較長(zhǎng)地區(qū)的新機(jī)。

[1]中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì).火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè)：第二卷：汽輪機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998：.29-47.

[2]鐘一諤.轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1987.

[3]丁有宇.汽輪機(jī)強(qiáng)度計(jì)算手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

Technical Study of Heating Retrofitting with Circulation Water by High Back Pressure for Condensing Turbine

Zeng Ya

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Through the retrofit of steam turbine low pressure flow and steam condenser,it can make full use of low grade heating in exhaust steam,greatly improve energy utilization.This paper studies the effect of high back pressure steam turbine retrofit on the static and dynamic characteristics of shafting and thermal expansion,summarizes the characteristics of body structure and thermal insulation,discusses the end cooling means and the protection setting value of unit.

high back pressure,supplying heat with circulation water,double rotor,heating retrofitting

TK262

B

1674-9987（2017）02-0008-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.02.003

曾婭（1982-），女，工程師，畢業(yè)于四川大學(xué)機(jī)械制造設(shè)計(jì)及自動(dòng)化專業(yè)，主要從事汽輪機(jī)本體設(shè)計(jì)工作。