陳元峰

（甘肅電投張掖發(fā)電有限責(zé)任公司，甘肅 張掖 734000）

1 成果背景

近年來(lái)，以風(fēng)電、光伏為代表的新能源快速發(fā)展。受新能源波動(dòng)性大、隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)的影響，電網(wǎng)面臨巨大的調(diào)峰、調(diào)頻壓力。我國(guó)以火電機(jī)組為主的電源結(jié)構(gòu)，決定的火電機(jī)組必然成為電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻的主力電源。而隨著我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”宏偉戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，進(jìn)一步明確了能源行業(yè)向清潔低碳、安全高效方向快速轉(zhuǎn)型的基本路線(xiàn)，火電機(jī)組面臨巨大的靈活調(diào)峰運(yùn)行挑戰(zhàn)。

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，張掖市的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市建設(shè)迅速發(fā)展，城市供熱面積迅速擴(kuò)大，供熱負(fù)荷快速增長(zhǎng)。根據(jù)張掖市城市供熱與燃?xì)夤芾磙k公室發(fā)給張掖電廠的《關(guān)于提升供熱能力與保障城區(qū)供熱》的函（張掖市燃辦[2018]單臺(tái)文件），2018～2020年張掖市城區(qū)集中供熱面積缺口分別達(dá)300萬(wàn)、200萬(wàn)、240萬(wàn)平方米，城區(qū)集中供熱能力不足問(wèn)題凸顯。該文件明確指出，建議張掖電廠進(jìn)行供熱擴(kuò)容改造，滿(mǎn)足城區(qū)供熱需求，保障居民用熱。

根據(jù)《張掖市城區(qū)供熱規(guī)劃》（2007～2020）以及甘肅省建設(shè)廳《關(guān)于對(duì)張掖市城區(qū)供熱專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃的批復(fù)》（甘建城【2009】16號(hào)）。截至2007年底，張掖市城區(qū)的總建筑面積約為797萬(wàn)平方米，集中供熱面積約為170萬(wàn)平方米，最大用熱負(fù)荷約為116MW，全部由張掖恒達(dá)熱力公司提供，現(xiàn)集中供熱普及率為21%。張掖市至2010年城區(qū)總集中供熱面積達(dá)1263萬(wàn)平方米。遠(yuǎn)期新增加集中供熱面積1089萬(wàn)平方米，至2020年城區(qū)總集中供熱面積達(dá)2352萬(wàn)平方米。

甘肅電投張掖發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“張掖電廠”）裝機(jī)容量為2×325MW。汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的NC325/280-16.7/0.8/537/537亞臨界、單軸、雙缸、雙排汽、一次中間再熱、沖動(dòng)、抽凝式汽輪機(jī)。2013年5月，張掖電廠1、2號(hào)汽輪機(jī)實(shí)行供熱改造。設(shè)計(jì)最大采暖抽汽量為2×400t/h。加熱汽源來(lái)自1、2號(hào)汽輪機(jī)中壓缸排汽，供熱過(guò)程通過(guò)中低壓連通管上的蝶閥調(diào)整抽汽壓力。

綜上所述，從國(guó)家政策、行業(yè)發(fā)展要求和地區(qū)供熱發(fā)展需求來(lái)看，張掖電廠面臨巨大的熱、電供需矛盾。為滿(mǎn)足地區(qū)供熱發(fā)展需要、響應(yīng)國(guó)家火電靈活性改造政策要求和提高機(jī)組供熱期供熱能力及深度調(diào)峰能力，張掖電廠于2020年10月采用低壓缸零出力技術(shù)應(yīng)用，完成提升供熱能力改造工程。

2 技術(shù)原理及性能指標(biāo)

2.1 汽輪機(jī)低壓缸零出力技術(shù)原理

“汽輪機(jī)低壓缸零出力改造技術(shù)”是在低壓缸高真空運(yùn)行條件下，通過(guò)在低壓缸通入少量的冷卻蒸汽，用于帶走切除低壓缸進(jìn)汽后低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的鼓風(fēng)熱量。在冬季供熱需求量較高時(shí)，將低壓缸蒸汽流量用于供熱，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)低壓缸零出力，機(jī)組發(fā)電出力顯著減小，供熱能力顯著提升。而供熱需求量較低時(shí)，機(jī)組正常運(yùn)行不同的熱電需求，切換運(yùn)行模式，有效地提升了機(jī)組運(yùn)行靈活性。與改造前相比，“汽輪機(jī)低壓缸零出力改造技術(shù)”解除了低壓缸最小蒸汽流量的制約，在鍋爐出力不變的情況下，可顯著提高機(jī)組供熱能力；幾乎沒(méi)有冷源損失，大大降低了機(jī)組發(fā)電煤耗，有利于提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2.2 張掖電廠325MW機(jī)組低壓缸零出力改造后性能指標(biāo)

采用低壓缸零出力技術(shù)對(duì)單臺(tái)汽輪機(jī)提升供熱能力改造后，單臺(tái)汽輪機(jī)供熱能力大幅度提升，與改造前最大供熱抽汽量400t/h相比較，單臺(tái)汽輪機(jī)改造后最大供熱抽汽量提升至610t/h以上，增加供熱能力提高約154MW，同時(shí)在供熱季供熱抽汽量不變的前提下，電調(diào)峰能力增加110MW，實(shí)現(xiàn)供暖季深度調(diào)峰需求。

2.3 張掖電廠325MW機(jī)組低壓缸零出力改造后效益分析

“低壓缸零出力改造技術(shù)”在單臺(tái)機(jī)組得到了成功應(yīng)用，技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。綜合收益包含增加供熱量收益及減少冷源損失節(jié)煤收益兩部分。單臺(tái)機(jī)組低壓缸零出力改造完畢后，采暖季低壓缸零出力一個(gè)采暖季運(yùn)行小時(shí)數(shù)按照800小時(shí)計(jì)算，減少低壓缸排汽量約150t/h，節(jié)約標(biāo)煤量9826噸/年（150×2400×800/29308=9826噸/年），標(biāo) 煤 單價(jià)536.2元/噸，一個(gè)采暖季節(jié)煤收益為526萬(wàn)元。增加供熱抽汽量180t/h，一個(gè)采暖季增加供熱量397061GJ（180×1000×800×（3092-334）×10-6=397061GJ），增加供熱收益112萬(wàn)元。綜上單臺(tái)汽輪機(jī)低壓缸零出力改造完畢后年收益為638萬(wàn)元，靜態(tài)投資回收期為1.65年。極大程度地提高了供熱機(jī)組電-熱能量解耦能力，改造后單臺(tái)機(jī)組供熱抽汽量可達(dá)610t/h，供熱能力極大提升且有效的降低了其最小技術(shù)出力，機(jī)組調(diào)峰深度達(dá)到了30%左右，滿(mǎn)足國(guó)家靈活性產(chǎn)業(yè)政策需求。單臺(tái)機(jī)組低壓缸零出力改造完成后，全年節(jié)約標(biāo)煤總量達(dá)到9826噸；減少CO2排放25559t；減少SO2排放減少383噸；減少NOX排放97t；減少粉塵排放1966噸。提升的供熱能力至少可以增加供熱面積200萬(wàn)m2，加強(qiáng)了滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的民生供熱需求的安全保障。

針對(duì)“低壓缸零出力改造技術(shù)”在東汽325MW抽凝機(jī)組上應(yīng)用開(kāi)展了一系列針對(duì)性、適應(yīng)性的研究。諸如，冷卻蒸汽系統(tǒng)、本體安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)改造和噴水減溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、低壓缸零出力狀態(tài)下主輔設(shè)備運(yùn)行特性等、安裝851mm末級(jí)葉片的低壓轉(zhuǎn)子末兩級(jí)葉片鼓風(fēng)特性等。研究成果對(duì)于同類(lèi)機(jī)組低壓缸零出力改造具有指導(dǎo)意義和實(shí)踐意義。該技術(shù)應(yīng)用于燃煤火電機(jī)組，燃煤消耗和污染物排放有所降低，符合國(guó)家的節(jié)能減排國(guó)策，支撐了國(guó)家要求提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的產(chǎn)業(yè)政策，為破解新能源消納難題做出了貢獻(xiàn)，并加強(qiáng)了滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的民生供熱需求的安全保障，社會(huì)效益明顯。

3 技術(shù)的創(chuàng)造性與先進(jìn)性

（1）針對(duì)東汽325MW抽凝機(jī)組，提出了低壓缸冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，掌握了包括葉片氣動(dòng)特性、冷卻蒸汽參數(shù)、排汽壓力等影響冷卻蒸汽流量的主要關(guān)聯(lián)因素，確定了冷卻管徑、壁厚以及支撐跨距等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和流速、溫度等熱力參數(shù)，提出了低壓缸冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

（2）針對(duì)汽輪機(jī)低壓缸零出力運(yùn)行工況下低壓末端高真空運(yùn)行的技術(shù)要求，提出了低壓缸真空系統(tǒng)綜合治理方案。具體內(nèi)容包括：汽輪機(jī)真空系統(tǒng)及所有可能影響真空的負(fù)壓系統(tǒng)（如低壓缸本體及附件、低壓缸抽汽系統(tǒng)、凝汽器系統(tǒng)等）進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏，對(duì)檢查的漏點(diǎn)進(jìn)行治理；深度調(diào)研和對(duì)比各種低壓缸端部汽封優(yōu)缺點(diǎn)，選用接觸式汽封降低低壓缸端部汽封泄漏量；增設(shè)一臺(tái)羅茨——水環(huán)真空泵組，在顯著降低設(shè)備耗電率的同時(shí)，有效提升抽空氣設(shè)備極限抽吸能力，提高機(jī)組運(yùn)行真空度。

（3）針對(duì)低壓缸減溫水不完全閃蒸的小液滴在末級(jí)葉片的卷吸作用下對(duì)末級(jí)葉片出汽側(cè)形成水蝕的問(wèn)題，提出末級(jí)葉片出汽邊防水蝕措施，降低了排汽大渦流卷吸濕蒸汽對(duì)末級(jí)葉片的危害。

（4）針對(duì)東汽325MW抽凝汽輪機(jī)低壓缸特點(diǎn)，創(chuàng)造性提出監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上、下缸分區(qū)布置的低壓缸鼓風(fēng)區(qū)溫度監(jiān)測(cè)控制方案，從而更真實(shí)反映低壓缸溫度場(chǎng)變化，提升低壓缸末級(jí)葉片安全運(yùn)行的可靠性，同時(shí)便于后期運(yùn)行維護(hù)。

（5）輔機(jī)設(shè)備高效節(jié)能運(yùn)行研究。針對(duì)低壓缸零出力運(yùn)行模式下，受給水泵密封水壓力限制凝結(jié)水泵無(wú)法深度變頻運(yùn)行問(wèn)題，提出增加給水泵密封水升壓泵（功率20kW，變頻運(yùn)行），在凝結(jié)水泵深度變頻運(yùn)行時(shí)開(kāi)啟升壓泵滿(mǎn)足給水泵密封水壓力要求，實(shí)現(xiàn)在低壓缸零出力時(shí)凝結(jié)水泵更加節(jié)能。

（6）提出了低壓缸零出力狀態(tài)下控制系統(tǒng)無(wú)擾切換策略，開(kāi)發(fā)了低壓缸零出力控制模塊，保證了機(jī)組在常規(guī)抽汽供熱和低壓缸零出力運(yùn)行兩種狀態(tài)下的平穩(wěn)切換。

（7）開(kāi)展東汽325MW汽輪機(jī)低壓末兩級(jí)葉片鼓風(fēng)特性試驗(yàn)研究，得出了葉片鼓風(fēng)與凝汽器真空、冷卻蒸汽流量、冷卻蒸汽溫度等邊界參數(shù)的定量關(guān)系，為低壓缸零出力運(yùn)行工況的投入/調(diào)整/切除及優(yōu)化運(yùn)行提供了技術(shù)支撐，同時(shí)可為同類(lèi)機(jī)組改造提供參考。

該技術(shù)從火電供熱機(jī)組提升靈活性需求出發(fā)，在技改技術(shù)路線(xiàn)、成套方案、末級(jí)葉片保護(hù)、變工況無(wú)擾投切控制和特性試驗(yàn)等方面開(kāi)展了研究，順利完成東汽325MW抽凝汽輪機(jī)低壓缸零出力工程應(yīng)用，該技術(shù)居國(guó)際先進(jìn)水平。

4 技術(shù)的成熟程度，適用范圍和安全性

4.1 技術(shù)研究成熟程度

供熱機(jī)組進(jìn)行“汽輪機(jī)低壓缸零出力改造技術(shù)”改造后，隨著進(jìn)汽流量的進(jìn)一步降低，在汽輪機(jī)低壓通流區(qū)域的流動(dòng)形態(tài)將發(fā)生改變，氣流將不再推動(dòng)葉片做功，而會(huì)以惰性形態(tài)被動(dòng)葉扇動(dòng)排擠出葉片通道，這便是鼓風(fēng)現(xiàn)象。鼓風(fēng)摩擦現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)葉柵通道局部出現(xiàn)高溫區(qū)域，嚴(yán)重者將使得內(nèi)缸受熱變形，影響轉(zhuǎn)靜部件中心一致性，進(jìn)而會(huì)威脅到機(jī)組的安全運(yùn)行。

采用CFD分析和強(qiáng)度分析的方法，建立小容積流量下汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片鼓風(fēng)態(tài)流場(chǎng)下氣動(dòng)強(qiáng)度特性的流-熱-固多物理場(chǎng)耦合模型。首先，采用CFD方法中的共軛傳熱模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行流固耦合傳熱分析，得到長(zhǎng)葉片部件溫度、壓力分布。該方法的優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算流場(chǎng)的同時(shí)考慮了蒸汽和固體部件之間的流動(dòng)換熱以及固體內(nèi)部導(dǎo)熱作用，因此能夠直觀獲得更加準(zhǔn)確的長(zhǎng)葉片部件的溫度、壓力分布。其次，通過(guò)軟件之間的數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)不同模型表面之間溫度的精確傳遞，將傳熱分析得到的固體表面溫度傳遞到有限元模型對(duì)應(yīng)表面作為載荷進(jìn)行熱分析，在求解得到部件整體溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步耦合結(jié)構(gòu)分析可以得到熱應(yīng)力分布。傳遞耦合傳熱分析得到的固體表面壓力分布并添加轉(zhuǎn)速以分別考慮汽流力和離心力的作用，最終可以獲得綜合等效應(yīng)力分布。經(jīng)過(guò)核算低壓缸零出力供熱工況下葉片的最大動(dòng)應(yīng)力小于設(shè)計(jì)工況，該機(jī)組低壓缸零出力供熱工況下葉片的動(dòng)強(qiáng)度滿(mǎn)足制造廠設(shè)計(jì)規(guī)范。

4.2 低壓缸零出力技術(shù)適用范圍

我國(guó)風(fēng)電、光伏等新能源電力裝機(jī)容量持續(xù)快速增長(zhǎng)，具有明顯的資源地域性，主要集中在風(fēng)、光資源較好的“三北”地區(qū)，為了降低新能源電源出現(xiàn)大面積棄風(fēng)棄光，配套新能源電源升降發(fā)電負(fù)荷，亟須提高火力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行靈活性，同時(shí)供熱機(jī)組受限于供熱負(fù)荷的約束，在采暖季無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行，不能滿(mǎn)足新能源電源的運(yùn)行要求。采用“汽輪機(jī)低壓缸零出力改造技術(shù)”能夠提高機(jī)組供熱能力和電調(diào)峰能力，降低機(jī)組發(fā)電煤耗率，機(jī)組供熱期運(yùn)行范圍大大增加。因此，采用低壓缸零出力技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)供熱機(jī)組在滿(mǎn)足供熱負(fù)荷需求的情況下，提升供熱機(jī)組的調(diào)峰能力。

4.3 低壓缸零出力技術(shù)安全性

通過(guò)全廠汽水參數(shù)熱力平衡計(jì)算與汽輪機(jī)低壓通流區(qū)域氣動(dòng)強(qiáng)度分析相結(jié)合的技術(shù)手段，研究小容積流量下低壓缸的安全問(wèn)題，指出了通流區(qū)湍流渦動(dòng)耗散高溫危險(xiǎn)位置，并進(jìn)行了高溫預(yù)警監(jiān)測(cè)，通過(guò)優(yōu)化低壓缸噴水減溫系統(tǒng)，解決了鼓風(fēng)高溫帶來(lái)了安全問(wèn)題，并在供熱機(jī)組上進(jìn)行了工程應(yīng)用，驗(yàn)證了改造后長(zhǎng)葉片通流區(qū)的安全可靠性。

5 應(yīng)用情況及存在的問(wèn)題

本次改造實(shí)現(xiàn)了低壓缸零出力在東汽325MW抽凝機(jī)組上的工程應(yīng)用，改造達(dá)到預(yù)期效果。需要指出的是，低壓缸零出力技術(shù)雖然能夠一定程度弱化供熱機(jī)組熱電耦合強(qiáng)度，提高機(jī)組的電調(diào)峰能力，但仍未完全實(shí)現(xiàn)供熱機(jī)組熱電解耦。對(duì)于具有進(jìn)一步調(diào)峰需求或完全熱電解耦需求的火電機(jī)組，則需要借助其他技術(shù)方案，達(dá)到改造目的。

6 結(jié)語(yǔ)

低壓缸“零出力”改造是近幾年在國(guó)內(nèi)開(kāi)始應(yīng)用的新技術(shù)，低壓缸“零出力”改造后可以提高機(jī)組的供熱能力，增加機(jī)組的運(yùn)行靈活性，滿(mǎn)足機(jī)組深度調(diào)峰的需求，機(jī)組可以以抽凝背三種方式運(yùn)行，且可以靈活切換。改造可借鑒應(yīng)用于東方汽輪機(jī)、哈爾濱汽輪機(jī)和上海汽輪機(jī)等主要汽輪機(jī)主力機(jī)型，張掖電廠低壓缸零出力技術(shù)目前為省內(nèi)成功改造應(yīng)用，具有良好的節(jié)能效益、環(huán)保效益和社會(huì)效益，也將為電網(wǎng)大力發(fā)展新能源提供調(diào)峰調(diào)頻保障，進(jìn)一步為我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”宏偉戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。