曲大雷，回世成 ，李 贏，朱春燕

（1.遼寧東方發(fā)電有限公司，遼寧 撫順 113007；2.國家電投東北電力有限公司，遼寧 沈陽 110000；3.國網(wǎng)遼寧電力有限公司撫順供電公司，遼寧 撫順 113007）

0 引言

近年來，我國風(fēng)電和光伏裝機規(guī)模迅猛增長，電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力難以完全適應(yīng)新能源大規(guī)模發(fā)展和消納的要求，部分地區(qū)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光和棄水問題。2015 年，全年棄風(fēng)電量高達 339 億 kWh[1]，“三北”部分地區(qū)棄風(fēng)和棄光率超過20%。2016年11月國家能源局東北能源監(jiān)管局下發(fā) 《東北電力輔助服務(wù)市場運營規(guī)則（試行）》后[2]，因機組不能實現(xiàn)熱電解耦運行，在保證供熱參數(shù)的情況下，無法滿足電網(wǎng)深度調(diào)峰的要求，2016—2017年供暖期承擔(dān)了近千萬元深度調(diào)峰補償費用的分?jǐn)?。如果參與深度調(diào)峰，將根據(jù)調(diào)峰深度不同，獲取一定的補償收益[3]。因此，經(jīng)多方考察、論證，最終選擇可滿足發(fā)電和供熱效益最大化、投資最少、靈活性最明顯的低壓缸零出力運行靈活性改造。

1 機組概況

某發(fā)電公司共有2臺350 MW燃煤機組，均采用亞臨界、一次中間再熱、自然循環(huán)、燃煤汽包鍋爐，汽輪機為以300 MW汽輪機機組為基礎(chǔ)改進生產(chǎn)的350MW亞臨界、凝汽式汽輪機，主要設(shè)備參數(shù)見表1。2臺機組于2013年改為中低壓聯(lián)通管打孔抽汽供熱機組，1號機組最大抽汽量為375t／h，2號機組最大抽汽量為350t／h。設(shè)計可供采暖面積為1005萬m2，現(xiàn)有供熱面積為700萬m2左右，2016～2017年的實際供熱數(shù)據(jù)見表2。

表1 主要設(shè)計參數(shù)

為響應(yīng)國家火電靈活性改造政策要求，提高機組供熱期深度調(diào)峰能力，增強機組在電力輔助服務(wù)調(diào)峰市場的競爭力和盈利能力，對1號機組進行低壓缸零出力供熱改造[4]。

2 低壓缸零出力供熱改造方案

提升供熱機組靈活性的低壓缸零出力技術(shù)在低壓缸高真空運行條件下，采用可完全密封的液壓蝶閥切除低壓缸原進汽管道進汽，通過新增旁路管道通入少量的冷卻蒸汽，用于帶走低壓缸零出力后低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的鼓風(fēng)熱量，此時機組處于高背壓供熱狀態(tài)。

2.1 低壓末級和次末級葉片校核

汽輪機運行過程中，隨著級內(nèi)容積流量的減小，低壓缸末兩級葉片構(gòu)成的級內(nèi)流動狀態(tài)會發(fā)生較大變化，主要表現(xiàn)為產(chǎn)生進汽負(fù)功角，在葉片壓力面上形成流動分離，在葉根處的脫流、葉片動應(yīng)力增加、鼓風(fēng)、水蝕加劇等現(xiàn)象。這些變化不僅直接影響機組的運行效率，還可能誘發(fā)葉片顫振，并導(dǎo)致水蝕加劇，威脅機組安全運行。低壓缸末兩級葉片內(nèi)渦流發(fā)展隨容積流量減小的變化趨勢見圖1。

圖1 低壓缸末級葉片內(nèi)流動狀態(tài)變化

表2 2016～2017年實際供熱數(shù)據(jù)（雙機運行）

一般把動葉根部開始出現(xiàn)脫流及其后容積流量更小的工況稱為級的小容積流量工況。汽輪機級的容積流量大幅度減小時，動葉進口相對速度減小，甚至為負(fù)值，造成動葉做負(fù)功，產(chǎn)生鼓風(fēng)現(xiàn)象，引起低壓缸過熱，排汽缸變形等危及汽輪機安全的問題出現(xiàn)。鼓風(fēng)熱量可由低壓缸冷卻蒸汽和噴水減溫解決，水蝕問題可通過業(yè)內(nèi)成熟的葉片噴涂技術(shù)得到預(yù)控。

當(dāng)相對容積流量達到一定值時，葉片振動應(yīng)力開始迅速增加，之后達到最大值，進一步減小容積流量，振動應(yīng)力逐漸減小，振動應(yīng)力與相對容積流量呈非單調(diào)變化關(guān)系。某葉片動應(yīng)力與相對容積流量的關(guān)系見圖2。

從圖2可以看出，容積流量只是在一定值時，才會引起振動應(yīng)力產(chǎn)生，因此通過核算，葉片實際動強度是否大于低壓缸容積流量變化至某一定值時產(chǎn)生的應(yīng)力，并在低壓缸零出力運行操作時迅速避開此區(qū)域，即低壓缸零出力供熱運行時可能存在的葉片鼓風(fēng)、顫振、水蝕加劇等問題是可控的[5]。

2.2 改造施工

低壓缸零出力運行的主要操作就是導(dǎo)管蝶閥的關(guān)閉和開啟過程，因此選擇安全可靠、動作靈活、響應(yīng)迅速、密封嚴(yán)密的蝶閥為本次改造施工階段的重中之重。

由于隨著級內(nèi)容積流量逐漸減小，葉片將產(chǎn)生鼓風(fēng)現(xiàn)象，新增冷卻蒸汽系統(tǒng)用于導(dǎo)管蝶閥關(guān)閉后帶走鼓風(fēng)熱量。冷卻蒸汽系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)蒸汽流量既能滿足帶走鼓風(fēng)熱量又能避開危險容積流量。

低壓缸內(nèi)部新增監(jiān)視測點是為了監(jiān)視低壓缸產(chǎn)生鼓風(fēng)等影響機組安全運行的狀況，以便采取有效措施，保證機組安全運行。

低壓缸零出力運行時，導(dǎo)管蝶閥關(guān)閉對應(yīng)的所有閉鎖控制邏輯、供熱低負(fù)荷投入保護邏輯等將在機組低壓缸零出力運行時發(fā)生改變。因此梳理與低壓缸零出力相沖突的熱工邏輯，做出相應(yīng)的修改或者取消，保證低壓缸退出或投入運行時，各項參數(shù)正常可控。

為防止電網(wǎng)調(diào)度考核，根據(jù)低壓缸零出力運行后機組電—熱負(fù)荷特性，優(yōu)化調(diào)整機組AGC負(fù)荷響應(yīng)控制邏輯，確保改造后機組能夠適應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度要求[6]。

3 改造后機組靈活性分析

根據(jù)機組的熱平衡設(shè)計圖，對汽輪機純凝工況最小發(fā)電功率、不同鍋爐負(fù)荷下汽輪機最大供熱抽汽能力進行了核算，汽輪機設(shè)計廠家規(guī)定低壓缸最小進汽流量為180 t／h。低壓缸零出力運行改造后，由中壓缸排汽引入低壓缸約20 t／h蒸汽，用于防止低壓缸末兩級葉片出現(xiàn)鼓風(fēng)損失從而引起葉片超溫以及應(yīng)力超限等問題。通過核算，同等鍋爐負(fù)荷下，改造前后采暖抽汽流量可增加185 t／h，發(fā)電煤耗率降低60 g／kWh以上，供熱量可增加144 MW，發(fā)電熱耗率降低3 310 kJ／kWh以上，如表3所示。

根據(jù)低壓缸零出力運行試驗結(jié)果，當(dāng)對外供熱負(fù)荷為288 MW時，鍋爐最小出力工況對應(yīng)的發(fā)電功率為200.32 MW；鍋爐額定出力工況對應(yīng)的發(fā)電功率為248.77 MW；低壓缸零出力工況對應(yīng)的發(fā)電功率為110.81 MW。即對外供熱負(fù)荷不變的前提下，低壓缸零出力運行可降低發(fā)電功率約90 MW，大大提高了調(diào)峰能力，如表4所示。

表3 對機組供熱能力和供熱經(jīng)濟性的影響

表4 對機組調(diào)峰能力的影響

4 改造對機組安全影響

低壓缸零出力運行成功后，提出了國內(nèi)機組深度調(diào)峰和熱電解耦的新思路。在投資少，施工量小，節(jié)能降耗明顯，提升供熱能力大，深度調(diào)峰能力強，增減負(fù)荷響應(yīng)迅速等優(yōu)點的吸引下，更為關(guān)注低壓缸零出力運行對低壓末級葉片和其他設(shè)備的安全影響。

機組低壓缸零出力運行時，某一工況，主蒸汽流量保持在500 t／h左右，電負(fù)荷為80 MW，供熱流量為320 t／h左右，首站加熱器出口水溫為100℃左右。低壓缸冷卻蒸汽流量為20 t／h。中壓缸排氣壓力為0.45MPa，排汽溫度為38℃。低壓缸差賬上漲2mm左右，串軸正方向串動0.1mm。低壓缸零出力運行前后軸瓦溫度變化如表5所示，軸瓦振動變化如表6所示。

表5 低壓缸零出力運行前后軸瓦溫度變化 ℃

該機組2017—2018年供暖期低壓缸零出力運行約450 h，解體后，發(fā)現(xiàn)低壓缸內(nèi)部無異常，末級葉片較低壓缸零出力運行前無明顯變化，如圖3所示。

表6 低壓缸零出力運行前后軸瓦振動變化 μm

圖3 低壓缸末級葉片

4 結(jié)語

在當(dāng)前火電機組靈活性改造的大背景下，作為供熱機組靈活性運行手段之一，低壓缸零出力供熱技術(shù)能夠一定程度弱化供熱機組熱電耦合特性，在保證供熱的基礎(chǔ)上，降低機組發(fā)電功率。經(jīng)過調(diào)試和各個工況運行試驗后，按操作規(guī)程低壓缸投切操作簡便，可滿足供暖期間電網(wǎng)深度調(diào)峰和頂尖峰的靈活性要求。項目施工工期經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整可降低至18 d以內(nèi)，投資小，見效快。該機組改造前最大抽汽量為462 t／h，改造后機組最大抽汽流量為648 t／h，2017—2018年供暖期450 h的低壓缸零出力運行，獲得調(diào)峰輔助服務(wù)利益約1 600萬元。但目前零出力運行時間較短，低壓缸零出力運行對設(shè)備的影響程度仍需繼續(xù)觀察。低壓缸零出力運行從低負(fù)荷到頂尖峰靈活切換是滿足電網(wǎng)調(diào)度要求的最佳運行方式。