陳永輝，包偉偉，張 敏，李繼宏，張曉輝，袁建麗，周 勇

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超臨界350 MW機組低壓缸切缸技術(shù)冷卻蒸汽熱力分析

陳永輝1，包偉偉2，張 敏1，李繼宏2，張曉輝2，袁建麗2，周 勇2

（1.中電投東北能源科技有限公司，遼寧 沈陽 110179； 2.國家電投集團中央研究院，北京 102209）

針對超臨界350 MW機組低壓缸切缸技術(shù)冷卻蒸汽的設(shè)計問題，基于汽輪機的熱力設(shè)計計算方法，通過對不同冷卻條件工況下以及正常運行工況下低壓缸通流各級葉片出口溫度分布進行詳細的計算及分析，得到其與冷卻蒸汽量和蒸汽溫度的關(guān)系。結(jié)果表明：在切缸運行工況下，末級葉片處于鼓風(fēng)狀態(tài)，此時低壓缸排汽溫度基本與冷卻蒸汽流量和冷卻蒸汽溫度呈線性變化趨勢，與冷卻蒸汽流量負(fù)相關(guān)，與冷卻蒸汽溫度正相關(guān)，因此合理設(shè)置冷卻蒸汽流量和溫度可以有效控制末兩級葉片的出口溫度。本文從理論分析角度為機組切缸后低壓缸冷卻蒸汽的設(shè)計提供依據(jù)，為機組切缸提供相應(yīng)的安全理論支撐。

汽輪機；低壓缸；靈活性；切缸技術(shù)；通流計算；冷卻蒸汽；熱力分析

近年來國家開始出臺火電機組深度調(diào)峰的獎勵性政策，通過市場手段驅(qū)動火電機組降低運行負(fù)荷，各個電廠紛紛致力于深度調(diào)峰和供熱靈活性技術(shù)研究[1-4]。在此熱潮下，火電行業(yè)涌現(xiàn)出一批供熱靈活性技術(shù)，如旁路供熱、光軸供熱、高背壓供熱、電鍋爐、儲熱罐以及低壓缸切缸等技術(shù)[5-8]，其中低壓缸切缸技術(shù)在行業(yè)內(nèi)受到廣泛的關(guān)注及重視。

低壓缸切缸技術(shù)（簡稱切缸技術(shù)）原理與光軸技術(shù)相同，即在供熱時期，通過控制低壓缸連通管上的蝶閥開關(guān)來切斷低壓缸進汽，實現(xiàn)低壓缸的“切除”與“連接”[9]。所不同的是無需增設(shè)光軸轉(zhuǎn)子，直接切除低壓缸供汽，使低壓缸在較小的冷卻流量下運行。相較于其他方式，切缸技術(shù)有改造范圍小、運行簡單、解耦靈活的特點。國內(nèi)已有北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司臨河熱電廠、國電龍華延吉熱電有限公司等多個電廠實施了切缸技術(shù)改造，取得了一定的效果。切缸技術(shù)對汽輪機的影響很大。目前行業(yè)內(nèi)對切缸技術(shù)的研究主要集中在葉片安全性上，尚未有對切缸冷卻蒸汽的公開研究。本文以某電廠超臨界350 MW機組的切缸技術(shù)改造為例，通過對不同的低壓冷卻蒸汽流量和溫度進行變工況計算，獲得低壓缸各級葉片的出口溫度分布，對比分析不同冷卻條件工況與正常運行工況低壓缸各級葉片出口溫度趨勢，得到其與冷卻蒸汽量和溫度的關(guān)系，從理論分析角度為機組切缸后低壓冷卻蒸汽量及溫度設(shè)計提供依據(jù)，為機組切缸改造提供相應(yīng)的理論支撐。

1 機組概況

某電廠為哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司設(shè)計制造的350 MW等級超臨界機組，采用一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、反動、抽汽凝汽式汽輪機，主要用于我國北方地區(qū)的冬季采暖供熱。

機組共設(shè)置一次中間再熱以及八級抽汽回?zé)幔唧w為3臺高壓加熱器、1臺除氧器以及4臺低壓加熱器。加熱器疏水為逐級自流布置，高壓加熱器（高加）疏水匯入除氧器，低壓加熱器（低加）疏水匯入凝汽器。給水泵驅(qū)動采用汽驅(qū)方案。汽輪機采用噴嘴調(diào)節(jié)及復(fù)合滑壓運行方式。機組的主要技術(shù)規(guī)范見表1。圖1為該機組熱力系統(tǒng)簡圖。

表1 機組主要技術(shù)規(guī)范

Tab.1 Main specifications of the unit

圖1 超臨界350 MW汽輪機組熱力系統(tǒng)簡圖

汽輪機為高中壓合缸結(jié)構(gòu)，通流部分共設(shè)置39級葉片。其中高壓缸設(shè)置1個調(diào)節(jié)級和14個壓力級，中壓缸設(shè)置12個壓力級，低壓缸共設(shè)置2×6個壓力級。100%THA工況時高壓缸效率為86%，中壓缸效率為92.5%，低壓缸效率為89%。

2 低壓缸切缸運行時的冷卻

汽輪機低壓缸切缸運行時，由于缸內(nèi)不是絕對真空，低壓轉(zhuǎn)子葉片會與內(nèi)部工質(zhì)摩擦，產(chǎn)生鼓風(fēng)熱量。如果沒有冷卻蒸汽，無法帶走鼓風(fēng)熱量，熱量會越積越多，最終反映在排汽溫度越來越高[10-11]。即便在排汽溫度不太高的情況下，鼓風(fēng)熱量也會局部積累，葉片頂端的局部溫度也可能會超過臨界溫度，使葉片頂部材質(zhì)發(fā)生蠕變，影響葉片壽命。

可見，從本質(zhì)上來說，低壓缸切缸運行并非物理意義上的切除低壓缸，而是通過技術(shù)改造，在供熱狀態(tài)下，連通管蝶閥完全關(guān)閉，蒸汽從連通管抽汽管道全部引出進入熱網(wǎng)供熱，僅留部分蒸汽（蒸汽流量約10～20 t/h）進入低壓缸冷卻低壓轉(zhuǎn)子，以帶走鼓風(fēng)熱量。這與正常運行工況區(qū)別很大。

由上可知，通過低壓缸冷卻蒸汽控制排汽溫度成為切缸運行的關(guān)鍵。如果設(shè)置大量冷卻蒸汽，則達不到切除低壓缸、提高供熱能力、降低運行負(fù)荷的目的；如果設(shè)置少量進汽，則又有可能引起低壓缸排汽溫度超溫，進而影響機組的安全運行。因此冷卻蒸汽溫度、流量的選取對機組安全運行至關(guān)重要[12-15]。

3 計算方法

由于在低壓缸切除后，進入低壓缸通流內(nèi)部的冷卻蒸汽量遠小于低壓缸正常運行時的流量，因此常規(guī)的通流計算手段無法適應(yīng)該運行工況下的計算要求，需要采用一種更加靈活的計算方法。本文方法計算原理為將軸流式汽輪機葉列的進汽和排汽的穩(wěn)態(tài)流動條件簡化為準(zhǔn)一維流進行分析計算。此計算方法可應(yīng)用在由多級葉列組成的汽輪機上。

通過汽輪機葉列的穩(wěn)定的、亞聲速、準(zhǔn)一維流體的能量方程為

連續(xù)方程為

能量損失和不可逆膨脹之間的關(guān)系為

速度三角形關(guān)系方程為

該計算方法涉及到的計算公式繁多，因此本文采用根據(jù)該方法編制而成的專用程序計算。該程序根據(jù)已知的葉列幾何參數(shù)及邊界條件，理論上可以計算從0（不包含0）到排汽出口環(huán)面所限制的最大流量之間的任何流量。因此利用該程序，可以較為全面地模擬分析出極低流量下低壓通流流動的熱力數(shù)據(jù)如壓力、溫度、焓值分布情況。

4 計算結(jié)果及分析

該機組低壓缸為對稱雙分流結(jié)構(gòu)，低壓內(nèi)缸為整體鑄鐵內(nèi)缸，進汽部分采用360°蝸殼進汽及橫置靜葉結(jié)構(gòu)，通流部分共設(shè)置2×6個壓力級。低壓缸共設(shè)置第6、7、8三級回?zé)岢槠?，對稱布置，次末級葉片長度為515 mm，末級葉片長度為1 040 mm。額定工況時，低壓缸排汽量約為700 t/h，排汽壓力為4.9 kPa，排汽溫度為32.5 ℃。

在切缸運行工況，低壓缸的進汽量不足額定水平的3%左右，低壓通流的流動非常復(fù)雜。為方便分析，對低壓缸運行條件進行如下簡化：1）考慮到回?zé)岢槠繕O小，因此忽略不計；2）考慮到大多數(shù)機組的真空水平，排汽壓力按4.9 kPa考慮。基于此，對15、20、25 t/h等3個進汽流量以及150、200、250、300 ℃等4個進汽溫度共12個組合工況進行計算，得到了低壓缸各級熱力計算數(shù)據(jù)，見表2。切缸運行時，由于低壓缸進汽流量遠低于正常運行狀態(tài)下的蒸汽流量，因此低壓通流焓降分布也與正常工況差別較大，尤其是蒸汽通過低壓通流的后三級時，通流面積相對于蒸汽流量偏大，蒸汽無法充滿整個汽道，在部分區(qū)域形成渦旋，蒸汽流速低，因此蒸汽在葉片的攪動下產(chǎn)生摩擦鼓風(fēng)損失[10-12]。在這種工況下，蒸汽依靠葉片的推動流動，導(dǎo)致各級有效焓降減少，末級和次末級葉片焓降甚至出現(xiàn)負(fù)值。同時也由于鼓風(fēng)現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致各級葉片出口溫度呈現(xiàn)一種先降低后升高的拋物線狀態(tài)（表2）。在相同冷卻蒸汽量下，不同冷卻溫度與各級葉片出口溫度的關(guān)系如圖2所示。圖2中橫坐標(biāo)0.5表示低壓缸第一級靜葉出口，1.0表示第一級出口，以此類推。由圖2可見，隨著冷卻蒸汽溫度降低，各級出口溫度也相應(yīng)降低，以20 t/h冷卻蒸汽為例，當(dāng)冷卻蒸汽溫度由300 ℃降至150 ℃時，末級葉片排汽溫度由151.1 ℃降至74.8 ℃，冷卻效果明顯改善?？梢?，同樣流量下，隨著冷卻蒸汽溫度的降低，各級出口溫度逐漸降低，冷卻蒸汽溫度越低，溫度降低幅度越大。

表2 不同冷卻工況熱力數(shù)據(jù)

在相同冷卻蒸汽溫度下，不同冷卻蒸汽流量與各級葉片出口溫度的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可見，隨著冷卻蒸汽流量加大，各級出口溫度相應(yīng)降低，以進汽溫度300 ℃的冷卻蒸汽為例，冷卻蒸汽流量由15 t/h增加至25 t/h時，各級葉片出口溫度依次降低，末級葉片排汽溫度由約186 ℃降低至約123 ℃，冷卻效果逐漸改善?？梢?，隨著冷卻蒸汽流量的增加，各級出口溫度逐漸降低，冷卻蒸汽流量越大，溫度降低幅度越大。

圖3 不同進汽量下低壓通流溫度分布

對100%THA、50%THA、30%THA等3個工況進行計算，可以得到正常運行工況下低壓通流溫度分布關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 正常運行工況下低壓通流溫度分布

由圖4可見，機組在正常運行50%THA工況以上時，低壓缸進汽溫度約為300 ℃，這與表2中工況4、工況8、工況12的進汽溫度相同。在此進汽溫度下，切缸運行工況下的低壓通流溫度分布與正常運行工況下的低壓通流溫度分布的對比見表3。

表3 各工況下低壓通流溫度分布

Tab.3 The temperature distribution in low pressure flow passage under each working condition ℃

由表3看出，在正常運行工況下，低壓通流各級葉片出口溫度逐級遞減，總體保持連續(xù)下降，最終排汽溫度為運行背壓下的飽和溫度32.5 ℃。這是因為在正常運行工況下，由于蒸汽容積流量充足，葉片不發(fā)生鼓風(fēng)，流動摩擦產(chǎn)生的熱量相對很小，其對蒸汽溫度升高的影響有限，蒸汽流動遵守絕熱膨脹的規(guī)律，因此連續(xù)下降，直到達到飽和狀態(tài)。當(dāng)蒸汽容積流量足夠大時，如50%THA工況和100%THA工況，雖然蒸汽量差別很大，但是除末兩級外（焓降的差別主要體現(xiàn)在末兩級），其余各級的溫度差別并不明顯。在切缸運行工況下，低壓通流1—2級溫度與正常運行工況下基本一致，從第3級開始，由于各級焓降減小甚至變?yōu)樨?fù)值，引起各級出口溫度逐漸升高，從而與正常運行狀態(tài)產(chǎn)生區(qū)別?？梢?，溫度分布的拐點基本出現(xiàn)在倒數(shù)第3級，次末級及末級出口溫度依次升高。因此為控制好后兩級葉片的出口溫度，需合理的控制低壓缸冷卻蒸汽流量及對應(yīng)的蒸汽溫度。

綜上所述，對于該機組，在發(fā)生鼓風(fēng)的情況下，低壓缸進口溫度一定時，隨著冷卻蒸汽流量的增加，由于鼓風(fēng)程度的降低，末級及次末級葉片出口溫度逐漸降低。蒸汽流量由15 t/h升至25 t/h，平均5 t/h蒸汽影響末級排汽溫度約35 ℃。低壓缸冷卻蒸汽量一定時，隨著冷卻蒸汽溫度的降低，末級及次末級葉片出口溫度逐漸降低。冷卻蒸汽溫度由300 ℃降低至150 ℃，進汽溫度每降低50 ℃影響排汽溫度25 ℃。

對于該機組，切缸狀態(tài)下機組的排汽溫度宜控制在不超過80 ℃的范圍內(nèi)，以防止低壓缸發(fā)生熱變形，影響機組穩(wěn)定運行。上述計算表明，在單純考慮冷卻蒸汽冷卻影響的情況下，冷卻蒸汽進汽溫度在200 ℃以下，流量在20 t/h以上時，排汽溫度基本上在合適范圍內(nèi)。此時，低壓缸無需噴水或者少量噴水即可將排汽溫度控制在要求范圍內(nèi)，從而保證機組安全穩(wěn)定運行。

5 結(jié) 論

1）通過對超臨界350 MW機組切缸改造后不同冷卻蒸汽流量下低壓缸通流各級熱力特性的計算及分析，得到了不同冷卻蒸汽流量和溫度對應(yīng)的低壓通流各級出口溫度及低壓缸排汽溫度。

2）在切缸運行工況下，低壓缸冷卻蒸汽量和溫度對低壓通流各級出口溫度有著明顯影響，各級出口溫度分布呈拋物線分布狀態(tài)，這與正常運行工況下低壓通流各級出口溫度分布趨勢差別很大。

3）對于案例機組，切缸狀態(tài)下機組的排汽溫度宜控制在80 ℃以內(nèi)。當(dāng)冷卻蒸汽進汽溫度低于200 ℃、流量超過20 t/h時，排汽溫度基本上在合適范圍內(nèi)。

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Thermodynamic analysis of LP cylinder cooling steam of a supercritical 350 MW unit

CHEN Yonghui1, BAO Weiwei2, ZHANG Min1, LI Jihong2, ZHANG Xiaohui2,YUAN Jianli2, ZHOU Yong2

(1. SPIC Northeast Energy Technology Co., Ltd, Shenyang 110179, China; 2. SPIC Central Research Institute, Beijing 102209, China)

In view of the design problem of cooling steam in low pressure (LP) cylinder cutting technology of supercritical 350 MW units, by using the thermodynamic design calculation method of steam turbine, the temperature distribution at outlet of each stage blades of the low pressure cylinder under different cooling conditions and normal operation conditions was calculated in detail, and the relationship between the outlet temperature of low pressure cylinder with the cooling steam volume and steam temperature was obtained. The results show that, the final stage blade is in the state of blowing, and the exhaust temperature of the low pressure cylinder is linear with the cooling steam flow rate and the cooling steam temperature. It is negatively related to the cooling steam flow rate and positively correlated with the cooling steam temperature. Therefore, the outlet temperature of the last two stage blades can be effectively controlled by setting the cooling steam flow rate and temperature reasonably. This paper provides theoretical basis for design of the cooling steam of low pressure cylinder when the low pressure cylinderis is resected of the unit, and also provides the corresponding safety theoretical support for cylinder cutting.

steam turbine, low-pressure cylinder, flexibility, cut off technology, flow path thermodynamic calculation, cooling steam, thermodynamic analysis

TK262

A

10.19666/j.rlfd.201811213

陳永輝, 包偉偉, 張敏, 等. 超臨界350 MW機組低壓缸切缸技術(shù)冷卻蒸汽熱力分析[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(5): 133-138. CHEN Yonghui, BAO Weiwei, ZHANG Min, et al. Thermodynamic analysis of LP cylinder cooling steam of a supercritical 350 MW unit[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(5): 133-138.

2018-11-23

陳永輝(1977—)，男，高級工程師，主要從事火力發(fā)電廠生產(chǎn)技術(shù)管理工作，chenyonghui@spic.com.cn。

（責(zé)任編輯 劉永強）