劉 帥，鄭立軍，俞 聰，王 曦，孫立本

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2.丹東金山熱電有限公司，浙江 丹東 118000)

近年來(lái)我國(guó)能源消費(fèi)表現(xiàn)出許多新特征。在大力推進(jìn)能源消費(fèi)革命、加快轉(zhuǎn)變能源利用方式的背景下，我國(guó)能源消費(fèi)總量平穩(wěn)增長(zhǎng)，消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，利用效率不斷提高，替代步伐加快。2018年，我國(guó)能源消費(fèi)總量增速創(chuàng) 5 年來(lái)新高，其中電力消費(fèi)創(chuàng)7年最快增速。調(diào)整優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)成效顯著，清潔低碳成為結(jié)構(gòu)調(diào)整的主力方向。為了大力推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)清潔化改革，風(fēng)力發(fā)電(風(fēng)電)、太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量迅速增長(zhǎng)。但新能源具有隨機(jī)性、間歇性、不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，其比重增加到一定程度后，必然導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)峰困難，加之傳統(tǒng)煤電產(chǎn)能過(guò)剩，這就要求現(xiàn)役火電機(jī)組提高靈活性以及深度調(diào)峰能力，以維持電網(wǎng)穩(wěn)定。為配合可再生能源機(jī)組發(fā)電并網(wǎng)以及消除峰谷差日益增大對(duì)電網(wǎng)安全的影響，電網(wǎng)對(duì)火電機(jī)組的調(diào)峰次數(shù)和品質(zhì)提出了更高的要求。調(diào)峰能力不足是制約火電機(jī)組運(yùn)行靈活性的關(guān)鍵因素，對(duì)于純凝機(jī)組，為了滿足鍋爐的穩(wěn)定燃燒，又不希望投油助燃，實(shí)際調(diào)峰能力一般約為額定出力的50%左右。而典型的抽汽供熱式機(jī)組冬季供熱期間的調(diào)峰能力僅為額定出力的10%～20%。為了更多的消納非水可再生能源，電網(wǎng)公司相應(yīng)出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)發(fā)電企業(yè)輔助調(diào)峰運(yùn)行的政策，旨在通過(guò)獎(jiǎng)懲手段有效引導(dǎo)火電機(jī)組提升運(yùn)行靈活性，解決電力運(yùn)行中的調(diào)峰、供熱、可再生能源消納等突出問(wèn)題[1-3]。

某發(fā)電公司2號(hào)機(jī)組為C330-17.75/0.291/540/540型亞臨界蒸汽參數(shù)、一次中間再熱、單軸、三缸雙排汽、采暖抽汽凝汽式汽輪機(jī)。機(jī)組設(shè)計(jì)額定采暖抽汽流量340 t/h，最大抽汽流量為550 t/h。調(diào)整抽汽期間通過(guò)中低壓連通管上安裝的具有一定機(jī)械限位的蝶閥來(lái)控制熱網(wǎng)供汽流量和低壓缸的進(jìn)汽流量。由于接待較大供熱面積，采暖中期以后，為了保證外界供熱，發(fā)電負(fù)荷基本維持在60%以上。機(jī)組運(yùn)行靈活性嚴(yán)重受限，隨著外網(wǎng)供熱面積的增長(zhǎng)，電廠供熱、調(diào)峰矛盾將更加突出。針對(duì)2號(hào)機(jī)組供熱改造項(xiàng)目，該公司選擇了靈活性較強(qiáng)的切低壓缸供熱技術(shù)[4-7]，旨在擴(kuò)大機(jī)組供熱能力的同時(shí)，最大限度的緩解熱電矛盾。

1 切低壓缸供熱技術(shù)分析

切低壓缸供熱技術(shù)是指在供熱期間，通過(guò)安裝在中低壓缸連通管上的全密封、零泄漏的供熱蝶閥關(guān)斷作用切除低壓缸進(jìn)汽，使得低壓轉(zhuǎn)子在高真空條件下“空轉(zhuǎn)”運(yùn)行，高中壓缸高背壓供熱運(yùn)行的一種靈活性改造技術(shù)，在技術(shù)上應(yīng)重點(diǎn)注意以下兩點(diǎn)。

1.1 通汽冷卻防止過(guò)熱

切除低壓缸進(jìn)汽，表面上我們可以將其稱之為無(wú)蒸汽運(yùn)行，但是常識(shí)告訴我們低壓缸內(nèi)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)絕對(duì)真空的，微量的漏汽在低壓缸內(nèi)流動(dòng)性能較差，同時(shí)與轉(zhuǎn)子葉片摩擦產(chǎn)熱，長(zhǎng)期聚集局部溫度過(guò)高勢(shì)必會(huì)燒壞金屬部件，且歷史上是有報(bào)到過(guò)葉片燒毀的事故的，因此此種風(fēng)險(xiǎn)我們一定要避免。為了帶走鼓風(fēng)熱，它是需要有少量蒸汽通入用于冷卻通流部分的，因此將切低壓缸運(yùn)行稱為少蒸汽運(yùn)行更為合理[8]。

少蒸汽運(yùn)行屬于小容積流量工況，末級(jí)和排汽缸的溫度若不經(jīng)過(guò)其他方式加以控制，則勢(shì)必會(huì)因過(guò)熱而引發(fā)熱變形及振動(dòng)等危害，末級(jí)后的噴水冷卻裝置是行之有效的方法，此時(shí)末級(jí)動(dòng)葉根部負(fù)反動(dòng)度工作，噴水降溫后的蒸汽以渦流形式在動(dòng)葉周圍流動(dòng)冷卻動(dòng)葉。但是值得注意的是，葉片被冷卻的同時(shí)帶來(lái)了新的問(wèn)題，那就是末級(jí)葉片的水蝕損傷，文獻(xiàn)[8]中也提到了此種情況，通過(guò)描述國(guó)外早期的一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象證實(shí)低壓缸少蒸汽運(yùn)行工況缸后噴水是不得不投的，因此為了控制排汽溫度，末級(jí)葉片的水蝕損傷是不可避免的。

小容積流量工況由于蒸汽與葉片脫離，又會(huì)引發(fā)另外一個(gè)危害，那就是葉片的顫振危害。缸內(nèi)流場(chǎng)嚴(yán)重畸變，出現(xiàn)大量渦系脫離現(xiàn)象，是非連續(xù)介質(zhì)工況，設(shè)計(jì)工況所應(yīng)用到的計(jì)算公式已不再具有合理性，若要進(jìn)行計(jì)算也只能應(yīng)用極其簡(jiǎn)化的公式進(jìn)行測(cè)算，其計(jì)算結(jié)果與真實(shí)值勢(shì)必存在較大誤差，針對(duì)此種工況，國(guó)外均是以試驗(yàn)的方式獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。圖1為文獻(xiàn)[9]中提到的前蘇聯(lián)哈爾科夫工學(xué)院針對(duì)某汽輪機(jī)的動(dòng)應(yīng)力隨容積流量(本文的容積流量用相對(duì)容積流量來(lái)表示，即變工況后的容積流量與標(biāo)況下的容積流量的比值，用字母k表示)和背壓變化的試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)變化曲線，隨著k的減小，當(dāng)k=0.2～0.3時(shí)，動(dòng)應(yīng)力大大增加；k=0.05～0.1時(shí)，動(dòng)應(yīng)力達(dá)最大值；k進(jìn)一步減小時(shí)，動(dòng)應(yīng)力急劇下降；到k=0.03～0.05最小值時(shí)，動(dòng)應(yīng)力達(dá)到零；k=0～0.03時(shí)，末級(jí)葉片已經(jīng)沒(méi)有動(dòng)應(yīng)力了，文獻(xiàn)[10-12]也引用到了該組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。雖然這組數(shù)據(jù)的試驗(yàn)對(duì)象與我們分析的對(duì)象不同，但是末級(jí)葉片在這種工況下的動(dòng)應(yīng)力變化規(guī)律基本相同。

圖1 動(dòng)應(yīng)力與容積流量、背壓的關(guān)系

由上述分析推斷，切除低壓缸進(jìn)汽這種少蒸汽運(yùn)行工況，其冷卻流量必須控制在額定排汽流量的0.03以內(nèi)，但是實(shí)際操作過(guò)程中，蒸汽流量波動(dòng)難以避免，因此需要預(yù)留出合理的安全邊界，認(rèn)為每臺(tái)低壓缸控制冷卻流量在其額定排汽流量的0.01～0.015之間即為最佳流量區(qū)間。本臺(tái)機(jī)組的低壓缸額定排汽流量為600 t/h，則冷卻流量范圍為6～9 t/h。根據(jù)低壓缸少蒸汽運(yùn)行的目的，筆者認(rèn)為若是為了調(diào)峰而進(jìn)行少蒸汽運(yùn)行，過(guò)一段時(shí)間(一般8 h以內(nèi))又要帶負(fù)荷，那么不希望轉(zhuǎn)子及汽缸的溫度水平太低；若是為了增大機(jī)組的供熱能力或者其他原因需要低壓缸長(zhǎng)時(shí)間少蒸汽運(yùn)行時(shí)，則可以通入溫度更低的冷卻蒸汽，使缸內(nèi)溫度水平更低些。

1.2 運(yùn)行工況間的切換

低壓缸進(jìn)汽與不進(jìn)汽的靈活切換雖然響應(yīng)了電網(wǎng)的調(diào)度要求，但是每次的切換都會(huì)對(duì)低壓通流部分造成一定的熱疲勞損傷，這樣的損傷會(huì)縮短機(jī)組的使用壽命，更嚴(yán)重的情況是在運(yùn)行中旋轉(zhuǎn)部件有可能會(huì)發(fā)生斷裂事故。因此筆者認(rèn)為，鑒于我國(guó)當(dāng)前及今后新能源大力發(fā)展的必然趨勢(shì)，建議熱電機(jī)組在冬季供熱期間，在條件允許的情況下，應(yīng)該實(shí)施長(zhǎng)周期切低壓缸運(yùn)行，可以偶爾的切換達(dá)到頂尖峰發(fā)電的目的，但是不要切換太過(guò)頻繁，比如天天切換的運(yùn)行方式是非常不推薦的。

2 供熱改造技術(shù)方案

低壓缸少蒸汽運(yùn)行，為了保證低壓缸及其轉(zhuǎn)子的冷卻，筆者設(shè)計(jì)從低壓缸進(jìn)汽前端引入低溫蒸汽冷卻通流部分，汽源取自中壓排汽，現(xiàn)有中壓缸與低壓缸之間的連通管已經(jīng)擁有可調(diào)整低壓缸進(jìn)汽的電動(dòng)蝶閥，該閥門(mén)原始設(shè)計(jì)預(yù)留有10%的機(jī)械限位，根據(jù)閥門(mén)流量曲線判斷，最小漏流量也超出了冷卻流量的上限值，分析認(rèn)為不能用此閥門(mén)作為低壓缸冷卻流量的調(diào)整閥，最終確定方案為更換該閥門(mén)為全密封、零泄漏的液壓蝶閥，針對(duì)此閥門(mén)再設(shè)計(jì)新增一路小旁路系統(tǒng)，用以精準(zhǔn)控制低壓缸的冷卻蒸汽參數(shù)。為了滿足低壓缸長(zhǎng)周期切缸運(yùn)行，控制低壓缸溫度場(chǎng)在更低水平，該小旁路系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了減溫減壓器、汽水分離器、流量調(diào)節(jié)閥以及相關(guān)熱工儀表等[13-15]，同時(shí)為了有效監(jiān)測(cè)缸溫度場(chǎng)，設(shè)計(jì)在低壓末級(jí)處共加裝4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，用以監(jiān)測(cè)動(dòng)葉葉頂蒸汽溫度，熱力系統(tǒng)圖見(jiàn)圖2。

圖2 原則性熱力系統(tǒng)圖

3 改造后機(jī)組供熱、調(diào)峰能力分析

切低壓缸改造后，在鍋爐蒸發(fā)量不變的情況下，機(jī)組抽凝和切缸工況的發(fā)電-抽汽量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和圖3，可以看出，通過(guò)切除低壓缸進(jìn)汽，相比于抽凝運(yùn)行，可以增加約177 t/h的采暖抽汽，相對(duì)應(yīng)的，機(jī)組發(fā)電負(fù)荷可下降約34 MW。

表1 改造前后機(jī)組不同供熱工況熱力特性對(duì)比

圖3 切缸與抽凝供熱特性對(duì)比

表2和圖4為改造后機(jī)組的調(diào)峰能力核算結(jié)果，可以看出，相比于改造前，在保證對(duì)外供熱負(fù)荷不變的情況下，機(jī)組從抽凝轉(zhuǎn)為切低壓缸運(yùn)行，可使發(fā)電功率下降約80 MW，大大的提高了機(jī)組的調(diào)峰能力，通過(guò)切除低壓缸進(jìn)汽，在滿足供熱、調(diào)峰的同時(shí)，還減少了凝汽冷源損失，可降低發(fā)電煤耗約50 g/kWh。

表2 改造前后機(jī)組調(diào)峰能力對(duì)比

圖4 改造前后機(jī)組調(diào)峰能力對(duì)比

4 實(shí)際運(yùn)行情況

該機(jī)組于采暖季前實(shí)施了相關(guān)系統(tǒng)改造，并于11月采暖季開(kāi)始投入了切低壓缸供熱運(yùn)行，為了實(shí)施長(zhǎng)周期少蒸汽運(yùn)行，希望將缸內(nèi)溫度場(chǎng)控制在更低水平，現(xiàn)場(chǎng)將中壓排汽進(jìn)行減溫處理后引入了低壓缸，冷卻蒸汽的流量目標(biāo)值為7 t/h，溫度目標(biāo)值為170 ℃。采集了機(jī)組切缸運(yùn)行工況下的采暖抽汽與發(fā)電負(fù)荷對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，為了保證供熱需求，發(fā)電負(fù)荷實(shí)際運(yùn)行中最低降至130 MW，在極寒期實(shí)現(xiàn)了機(jī)組滿負(fù)荷切缸運(yùn)行，發(fā)電負(fù)荷達(dá)到了250 MW，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，從中可以看出，最大發(fā)電負(fù)荷比理論值大了約30 MW，最大抽汽流量達(dá)到680 t/h，比理論值小了約45 t/h。

表3 抽汽-發(fā)電負(fù)荷實(shí)際運(yùn)行參數(shù)

圖5為切缸狀態(tài)下抽汽-發(fā)電關(guān)系曲線，圖中FT代表采暖抽汽流量，P代表發(fā)電負(fù)荷，當(dāng)發(fā)電負(fù)荷為零時(shí)，抽汽流量為55 t/h，這55 t/h的物理意義就是機(jī)組空載運(yùn)行時(shí)中壓缸的排汽流量，約為額定主蒸汽流量的5%。

圖5 抽汽-發(fā)電負(fù)荷關(guān)系曲線

5 結(jié)論

(1)切除低壓缸進(jìn)汽改造，低壓缸的冷卻蒸汽流量建議控制在其額定排汽流量的1%～1.5%之間，本臺(tái)低壓缸的冷卻流量推薦值為6～9 t/h。

(2)切除低壓缸進(jìn)汽改造，若要用于調(diào)峰運(yùn)行(一般8 h以內(nèi))，則直接通入中壓缸排汽即可，若要實(shí)施長(zhǎng)周期切缸運(yùn)行，建議將中壓排汽進(jìn)行減溫處理后通入低壓缸，維持低壓缸溫度場(chǎng)在更低水平。為了更好的保證機(jī)組安全運(yùn)行，建議機(jī)組供熱期間，在條件允許的情況下，實(shí)施長(zhǎng)周期切缸運(yùn)行。

(3)本臺(tái)330 MW機(jī)組，在鍋爐主蒸發(fā)量不變的前提下，通過(guò)切除低壓缸進(jìn)汽，可增加約177 t/h采暖抽汽，相應(yīng)的，發(fā)電負(fù)荷可下降約34 MW；在保證對(duì)外供熱負(fù)荷不變的情況下，機(jī)組從抽凝轉(zhuǎn)為切低壓缸運(yùn)行，可使發(fā)電功率下降約80 MW，大大的提高了機(jī)組的調(diào)峰能力，通過(guò)切除低壓缸進(jìn)汽，在滿足供熱、調(diào)峰的同時(shí)，還減少了凝汽冷源損失，降低了發(fā)電煤耗。