黃彪， 周儒鴻

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川德陽， 618000）

1 前言

空冷機(jī)組主要分布于我國北方的富煤缺水地區(qū)， 如山西、 陜西、 寧夏和內(nèi)蒙等。 我國空冷機(jī)組裝機(jī)規(guī)模較大， 截止至2021 年7 月， 全國火電裝機(jī)總?cè)萘考s為12.7 億千瓦， 其中空冷機(jī)組約占25%。 由于大量空冷機(jī)組所在的北方地區(qū)工業(yè)生產(chǎn)供熱和集中采暖需求大， 結(jié)合目前我國熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組占火電裝機(jī)容量的比重40%， 以及熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組規(guī)模年均10%的復(fù)合增長率來看， 帶供熱的空冷機(jī)組將持續(xù)保持著相當(dāng)大的市場(chǎng)占有率[1-2]。

對(duì)空冷機(jī)組而言， 對(duì)其進(jìn)行節(jié)能提效、 靈活調(diào)峰和供熱改造不僅能有效保障北方地區(qū)的供電和采暖需求， 還對(duì)煤炭資源的高效利用和水資源的節(jié)約利用有著重要意義， 同時(shí)能積極推動(dòng)發(fā)電企業(yè)保持技術(shù)領(lǐng)先， 保障機(jī)組良好的經(jīng)濟(jì)效益，適應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)峰深度、 寬度要求， 提高機(jī)組的長期競(jìng)爭(zhēng)力[3]。

2 機(jī)組改造升級(jí)方式

2021 年10 月國家發(fā)改委和國家能源局聯(lián)合發(fā)布的《全國煤電機(jī)組改造升級(jí)實(shí)施方案》中[4]， 對(duì)煤電機(jī)組改造提出了3 個(gè)主要目標(biāo)： （1）對(duì)供電煤耗高的煤電機(jī)組加快創(chuàng)造條件實(shí)施節(jié)煤降耗改造；（2）鼓勵(lì)現(xiàn)有燃煤發(fā)電機(jī)組替代供熱， 對(duì)具備供熱條件的純凝機(jī)組開展供熱改造；（3） 對(duì)存量煤電機(jī)組靈活性改造應(yīng)改盡改， 促進(jìn)清潔能源消納。

針對(duì)上述 “三改聯(lián)動(dòng)” 目標(biāo)， 目前煤電機(jī)組的相應(yīng)改造措施有節(jié)能提效通流改造、 供熱改造和調(diào)峰適應(yīng)性改造。

2.1 節(jié)能提效通流改造

汽輪機(jī)通流改造是指對(duì)做功汽流通過的進(jìn)排汽結(jié)構(gòu)、 各級(jí)動(dòng)靜葉等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 主要目的是減少汽流在做功過程中的損失， 來提高機(jī)組效率。 通過采用先進(jìn)、 成熟的通流技術(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì)性較差的在役機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化改造， 可使機(jī)組的缸效和熱耗達(dá)到同類機(jī)組的先進(jìn)水平， 確保機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益好、 資源消耗少， 同時(shí)減少環(huán)境污染， 實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、 低碳減排的目的。

一般來說， 汽輪機(jī)通流改造除了對(duì)通流部件進(jìn)行優(yōu)化改造外， 還需兼顧熱力系統(tǒng)、 輔助系統(tǒng)等的匹配性改造。 在役機(jī)組由于長期運(yùn)行， 其安全可靠性方面也會(huì)存在一定問題， 通過對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行整體的優(yōu)化改造， 可提高機(jī)組的安全可靠性，延長機(jī)組壽命， 同時(shí)降低運(yùn)行、 檢修費(fèi)用。

2.2 供熱改造

汽輪機(jī)供熱改造要求滿足供熱需求的同時(shí)進(jìn)一步提高機(jī)組供熱工況的經(jīng)濟(jì)性。 空冷機(jī)組所在的北方地區(qū)采暖供熱需求高， 北方城鎮(zhèn)采暖供熱總面積已達(dá)到了141 億平方米。 采暖供熱的特點(diǎn)是供熱壓力要求不高， 一般0.5～1.2 MPa， 目前的采暖供熱改造有蝶閥供熱、 高背壓供熱和切缸供熱改造等方式。

蝶閥供熱技術(shù)的特點(diǎn)是在中低壓連通管上增加蝶閥裝置和供汽管道， 通過調(diào)整蝶閥開度調(diào)節(jié)中排壓力， 使供熱管道的抽汽壓力達(dá)到供熱需求。

高背壓供熱技術(shù)的特點(diǎn)是機(jī)組進(jìn)入凝汽器的排汽壓力高， 乏汽可直接與熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行換熱，從而達(dá)到完全回收乏汽余熱的目的。 高背壓供熱尤其適用于空冷機(jī)組。

切缸供熱技術(shù)的特點(diǎn)是中壓缸排汽幾乎全部用于供熱， 僅留少量冷卻蒸汽進(jìn)入低壓缸， 能靈活適應(yīng)調(diào)峰需求。 切缸供熱適用于供熱量較大的機(jī)組， 但切缸工況下流經(jīng)低壓缸末級(jí)葉片的蒸汽流量非常小， 末級(jí)葉片運(yùn)行環(huán)境惡劣， 因此切缸機(jī)組對(duì)末級(jí)葉片的要求較高。

通過對(duì)機(jī)組進(jìn)行供熱改造， 可實(shí)現(xiàn)熱量利用最大化， 大幅減少機(jī)組供電煤耗， 在保障周邊地區(qū)工業(yè)用汽和民生供暖的同時(shí)， 實(shí)現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)收益雙提升。

2.3 深度調(diào)峰適應(yīng)性改造

根據(jù)最新煤電機(jī)組改造升級(jí)政策的要求， 機(jī)組純凝工況至少有35%額定負(fù)荷的調(diào)峰能力， 采暖熱電機(jī)組在供熱期運(yùn)行時(shí)要通過熱電解耦力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)單日6 h 調(diào)峰至40%額定負(fù)荷。 綜上可以看出， 提高煤電機(jī)組深度調(diào)峰能力， 以消納更多的風(fēng)電、 光伏等清潔能源， 是煤電機(jī)組長期發(fā)展的大趨勢(shì)。

提高機(jī)組的調(diào)峰深度和靈活性， 不僅要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)部件安全性以適應(yīng)機(jī)組在長期變工況下運(yùn)行，還要針對(duì)末葉水蝕等問題采取防控措施， 以及對(duì)輔助系統(tǒng)和調(diào)節(jié)安保系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化。

通過調(diào)峰適應(yīng)性改造， 可滿足汽輪機(jī)在不同時(shí)期帶基本負(fù)荷及帶調(diào)峰負(fù)荷的要求， 并保證低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性， 降低機(jī)組年平均煤耗， 達(dá)到碳中和、 碳減排的目的。

2.4 小結(jié)

從以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)看， 上述節(jié)能提效、 供熱和靈活性改造技術(shù)路線往往存在一些矛盾， 如低壓通流效率提升需要較長的末葉減少排汽損失， 高背壓供熱及靈活性需要短末葉保證強(qiáng)度安全， 以適應(yīng)高背壓或小容積流量工況。 在本工程實(shí)踐中，通過技術(shù)創(chuàng)新解決了此類矛盾， 實(shí)現(xiàn)了在同一臺(tái)機(jī)組中兼容并包、 “三改聯(lián)動(dòng)” 的最佳方案。

3 超高背壓靈活性供熱綜合通流改造

為達(dá)到通過一次改造同時(shí)提高汽輪機(jī)通流效率、 提升超高背壓供熱能力、 滿足切缸及靈活性運(yùn)行、 保證機(jī)組具備較高的純凝和供熱運(yùn)行靈活性的目標(biāo)。 對(duì)某電廠的亞臨界330 MW 空冷機(jī)組進(jìn)行了綜合供熱、 深度調(diào)峰和節(jié)能提效為一體的通流改造。 本次綜合通流改造在常規(guī)通流改造的基礎(chǔ)上， 還主要采用了超高背壓供熱技術(shù)、 低壓缸切缸技術(shù)、 適應(yīng)高背壓供熱的先進(jìn)末級(jí)葉片技術(shù)和深度調(diào)峰技術(shù)。

3.1 超高背壓供熱技術(shù)

為提高機(jī)組供熱能力， 該空冷機(jī)組在本次改造前已實(shí)施過一次高背壓供熱改造， 但受當(dāng)時(shí)技術(shù)局限， 僅改造了供熱凝汽器， 未對(duì)汽輪機(jī)低壓缸本體進(jìn)行改造。 眾所周知， 低負(fù)荷、 低真空條件下， 汽輪機(jī)末級(jí)易發(fā)生鼓風(fēng)超溫現(xiàn)象， 因此在冬季高背壓供熱運(yùn)行期間， 受原末級(jí)葉片最高排汽溫度等安全特性限制， 機(jī)組運(yùn)行背壓無法提高至35 kPa 以上。 在低負(fù)荷小容積流量工況下， 機(jī)組背壓需同步下降， 以滿足原末葉運(yùn)行安全性要求， 但汽輪機(jī)乏汽熱量利用率偏低， 采暖期的高背壓供熱能力和供熱經(jīng)濟(jì)性也會(huì)同步降低。 因此原機(jī)組的背壓及負(fù)荷可調(diào)節(jié)范圍受限， 對(duì)機(jī)組的供熱能力和供熱經(jīng)濟(jì)性有一定影響。

本次對(duì)該空冷機(jī)組進(jìn)行了超高背壓供熱通流改造， 各項(xiàng)優(yōu)化措施主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）末級(jí)葉片。 通過二維、 三維流型優(yōu)化、 強(qiáng)度計(jì)算和振動(dòng)分析， 采用了高阻尼、 低響應(yīng)特點(diǎn)的成圈葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 葉根采用大承載力的樅樹型葉根。 采用此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的葉片， 其振動(dòng)響應(yīng)水平較普通葉片低5～8 倍， 足夠克服在小容積流量工況下運(yùn)行時(shí)流場(chǎng)紊亂產(chǎn)生的顫振問題， 且該末級(jí)葉片及葉輪的最高允許長時(shí)間運(yùn)行溫度可達(dá)到150 ℃， 完全適應(yīng)在超高背壓供熱和切缸供熱工況下安全運(yùn)行。

（2）低壓缸結(jié)構(gòu)。 首先， 本次改造取消了原來獨(dú)立的低壓進(jìn)汽室， 將進(jìn)汽部分結(jié)構(gòu)整體焊接到低壓缸上， 可以避免裝配引起的蒸汽泄漏。 其次，將原來的中分面整體式法蘭替換為分散式法蘭，使中分面螺栓不受軸向力， 增強(qiáng)螺栓的密封功能。同時(shí)， 還可避免原整體法蘭易產(chǎn)生的熱應(yīng)力及變形問題， 降低中分面及中分面螺栓變形產(chǎn)生蒸汽泄漏的概率。 最后， 將密封板由懸臂結(jié)構(gòu)改為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)具有自密封性， 在斜置密封板左右兩側(cè)蒸汽壓差的作用下， 中分面會(huì)被壓的更緊，因此可以起到輔助中分面密封的作用， 也可避免中分面產(chǎn)生變形。 通過上述汽缸結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，可以有效避免因缸體內(nèi)漏導(dǎo)致抽汽壓力溫度偏高的問題， 同時(shí)增強(qiáng)機(jī)組結(jié)構(gòu)安全可靠性。

（3）汽封間隙。 蒸汽泄漏量對(duì)汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性有很大影響， 在本次改造中， 對(duì)影響蒸汽泄漏量的汽封、 軸封系統(tǒng)一并實(shí)施了改造。 一是在軸封處以錯(cuò)齒汽封替代原來的城墻齒， 在同樣的軸封長度下可以布置更多的有效齒， 汽封流量系數(shù)較改前更小； 二是在過橋汽封、 高壓后軸封和中壓后軸封第一列采用封嚴(yán)汽封， 封嚴(yán)汽封是在錯(cuò)齒汽封內(nèi)表面增加了可磨耗的耐高溫涂層， 與汽封齒形成一對(duì)可磨耗密封磨損副。 當(dāng)汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，汽封齒刮削可磨耗的封嚴(yán)涂層， 在涂層上形成凹槽的同時(shí)不損壞汽封齒， 這樣就獲得了理想的最小汽流間隙， 從而顯著降低級(jí)間漏汽； 三是在壓力較高的過橋第1 列汽封和高壓前幾級(jí)隔板汽封處布置一圈防漩汽封， 蒸汽通過沿周向均勻布置的防漩通道后流向發(fā)生改變， 產(chǎn)生反渦旋， 蒸汽在動(dòng)靜間隙內(nèi)的周向流動(dòng)受到干擾， 汽封圈周向汽流壓力分布均勻， 同時(shí)切向流動(dòng)速度減小， 可以減小汽流激振力， 起到防止產(chǎn)生汽流渦動(dòng)， 提高轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的作用。

（4）排汽噴水減溫裝置。 在超高背壓和低負(fù)荷調(diào)峰運(yùn)行期間， 由于排汽溫度升高， 噴水系統(tǒng)需經(jīng)常投運(yùn)， 本次改造對(duì)噴水系統(tǒng)的優(yōu)化主要側(cè)重于實(shí)現(xiàn)自由調(diào)節(jié)噴水量和噴水流量監(jiān)控， 優(yōu)化了噴頭布置及噴頭霧化效果， 并增加了軸封送汽管道保溫， 防止長期噴水影響軸封送汽溫度。 此外，還在末級(jí)葉片出汽側(cè)進(jìn)行了噴涂， 以應(yīng)對(duì)濕蒸汽回流導(dǎo)致的末葉出汽側(cè)水蝕情況。

結(jié)合上述優(yōu)化改造措施后， 該電廠空冷機(jī)組可實(shí)現(xiàn)在供熱期進(jìn)行超高背壓運(yùn)行， 其高背壓供熱系統(tǒng)圖見圖1。 在供熱初期， 熱網(wǎng)循環(huán)水供水溫度要求低時(shí)， 僅利用汽輪機(jī)排汽通過熱網(wǎng)凝汽器加熱熱網(wǎng)循環(huán)水即可滿足供熱要求。 在供熱高峰期， 當(dāng)供水溫度要求高時(shí)， 除利用汽輪機(jī)排汽通過熱網(wǎng)凝汽器加熱循環(huán)水作為基本加熱手段外，還需利用五段抽汽供熱系統(tǒng)， 提供部分五段抽汽作為尖峰加熱手段， 繼續(xù)加熱循環(huán)水， 從而達(dá)到外網(wǎng)要求的供水溫度。 綜合本次改造后的運(yùn)行結(jié)果來看， 該空冷機(jī)組在純凝工況設(shè)計(jì)背壓16 kPa運(yùn)行下有良好的經(jīng)濟(jì)性， 在供熱期間有維持54 kPa 超高背壓長期安全運(yùn)行的能力， 純凝和供熱工況下的機(jī)組運(yùn)行效率和安全性得到了有效保障。

圖1 高背壓供熱系統(tǒng)圖

3.2 靈活性調(diào)峰技術(shù)

一般來說， 高背壓供熱機(jī)組的調(diào)峰能力普遍較差。 為滿足該機(jī)組在供熱期40%負(fù)荷以下的調(diào)峰深度， 同時(shí)對(duì)機(jī)組進(jìn)行了適應(yīng)切缸工況運(yùn)行的匹配性改造。 在切缸工況運(yùn)行時(shí)， 低壓缸處于極小流量工況下運(yùn)行， 其余蒸汽全部從中排抽出進(jìn)行供熱。 因此， 切缸運(yùn)行在增大機(jī)組供熱量的同時(shí)， 還可增加機(jī)組的調(diào)峰能力。 通常來說， 切缸工況下需考慮小容積流量工況運(yùn)行下的末級(jí)葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、 抗阻尼系數(shù)、 葉片振動(dòng)特性和輪緣輪盤強(qiáng)度等， 對(duì)于本改造項(xiàng)目中的空冷機(jī)組而言，上一小節(jié)介紹到的末葉技術(shù)同樣可滿足機(jī)組的切缸運(yùn)行要求， 因此， 該機(jī)組改造后可實(shí)現(xiàn)高背壓供熱和切缸供熱靈活切換。 通過切缸運(yùn)行， 該機(jī)組可增加10%負(fù)荷的調(diào)峰深度。

考慮到機(jī)組的深度調(diào)峰運(yùn)行靈活性需求， 在改造中除了應(yīng)用適應(yīng)高背壓的先進(jìn)末級(jí)葉片技術(shù)，還要綜合考慮主機(jī)、 通流設(shè)計(jì)和輔助系統(tǒng) （含疏水、 汽封、 凝汽器等）的適應(yīng)性匹配。 圖2 為改造前后機(jī)組的調(diào)峰能力對(duì)比。

圖2 改造前后調(diào)峰能力對(duì)比

從圖2 改造后機(jī)組深度調(diào)峰能力看， 以維持27 kPa 高背壓供熱工況為例， 改造前機(jī)組最低負(fù)荷190 MW， 在高背壓供熱時(shí)， 機(jī)組原調(diào)峰能力較弱； 改造后相同背壓下， 機(jī)組負(fù)荷可降至160 MW左右，比改造前降低約30 MW，調(diào)峰能力大幅提高。

機(jī)組目前實(shí)際運(yùn)行中已通過40%負(fù)荷（135 MW） 調(diào)峰能力測(cè)試。 下節(jié)將結(jié)合末級(jí)葉片技術(shù)對(duì)機(jī)組高背壓低負(fù)荷工況的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。

3.3 適應(yīng)高背壓及低壓缸切缸的先進(jìn)末級(jí)葉片技術(shù)

高背壓供熱和切缸供熱的核心要求是在較高的背壓運(yùn)行范圍內(nèi)， 汽輪機(jī)末級(jí)葉片的安全性能得到有效保證。 在54 kPa 的高背壓供熱工況下，末級(jí)排汽溫度高達(dá)140～150 ℃， 對(duì)新末級(jí)葉片及轉(zhuǎn)子輪盤的強(qiáng)度有嚴(yán)格要求， 并需考慮一定安全裕度。 在高背壓低負(fù)荷或切缸工況下， 低壓缸進(jìn)汽量減少， 末級(jí)會(huì)發(fā)生鼓風(fēng)超溫現(xiàn)象， 對(duì)機(jī)組安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響。 圖3 為改造前后末葉冷卻流量和運(yùn)行背壓高限值的關(guān)系。

圖3 低壓缸冷卻流量和背壓關(guān)系曲線

從圖3 可看出改造后的新末葉對(duì)高背壓工況的適應(yīng)性更強(qiáng)。 改造后的機(jī)組最高運(yùn)行背壓達(dá)到70 kPa， 比改造前提高約15 kPa； 低負(fù)荷小冷卻流量下的運(yùn)行背壓也比改造前至少提高5 kPa。

機(jī)組改造后在冬季的高背壓供熱工況下， 基本不會(huì)發(fā)生背壓阻塞現(xiàn)象。 在純凝發(fā)電期間， 環(huán)境溫度較高， 按照空冷系統(tǒng)目前的特性， 機(jī)組運(yùn)行期間背壓均高于阻塞背壓， 可保證運(yùn)行安全性。

此外， 在本次改造中增加了葉片監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。如圖4 所示， 葉片安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要通過在末葉頂部增加非接觸渦流式葉片振動(dòng)間隙傳感器， 傳感器安裝于低壓缸靜子部件上； 當(dāng)葉片掃描經(jīng)過，傳感器信號(hào)經(jīng)前置放大器、 信號(hào)調(diào)理觸發(fā)模塊、采集模塊及軟件算法處理后可還原葉片的實(shí)時(shí)振動(dòng)位移、 頻率、 振幅等信息， 為葉片振動(dòng)特性驗(yàn)證、 葉片疲勞、 裂紋、 脫落等故障信息提供最直接有效的數(shù)據(jù)。

圖4 葉片安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

本次改造中， 在機(jī)組低壓末兩級(jí)葉片處新增溫度測(cè)點(diǎn)， 并對(duì)系統(tǒng)中相應(yīng)的溫度測(cè)點(diǎn)、 壓力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化校準(zhǔn)， 增加了對(duì)末級(jí)葉片的邏輯保護(hù)系統(tǒng)， 確保末級(jí)葉片在各負(fù)荷下的運(yùn)行安全性。

4 結(jié)論

響應(yīng)煤電機(jī)組 “三改聯(lián)動(dòng)” 措施， 對(duì)某亞臨界330 MW 空冷機(jī)組進(jìn)行了綜合高背壓供熱和調(diào)峰靈活性的通流改造， 使機(jī)組滿足熱網(wǎng)調(diào)峰和熱電雙贏的多種需求。 改造后機(jī)組的主要優(yōu)勢(shì)有:

（1）通過高背壓供熱改造保證了機(jī)組具有連續(xù)、 平穩(wěn)的超高背壓(54 kPa) 供熱能力， 并有一定超高背壓余量(70 kPa)， 有效減小了機(jī)組冷源損失， 提高循環(huán)熱效率。

（2）通過應(yīng)用適應(yīng)高背壓及低壓缸切缸運(yùn)行的先進(jìn)末級(jí)葉片技術(shù)， 保證低壓缸在小容積流量工況下安全運(yùn)行， 以及各工況下的安全性和可靠性。

（3）通過深度調(diào)峰適應(yīng)性改造， 機(jī)組具有良好的寬負(fù)荷適應(yīng)性， 可保證機(jī)組在純凝工況和高背壓供熱工況的的安全經(jīng)濟(jì)性。

（4）通過改造后的機(jī)組運(yùn)行情況分析， 該機(jī)組高背壓供熱系統(tǒng)具有易于并網(wǎng)調(diào)節(jié)用熱高峰、 運(yùn)行方式更為穩(wěn)定可靠、 經(jīng)濟(jì)性高的特點(diǎn)。