300 MW亞臨界供熱機組高背壓供熱改造的研究

常立宏

(華電能源股份有限公司，黑龍江哈爾濱150001)

1 項目概述

1.1 高背壓供熱

高背壓供熱(低真空循環(huán)水供熱)是將汽輪機低壓缸排汽壓力提高，從而使排汽溫度提高，加熱進入汽輪機凝汽器的熱網(wǎng)循環(huán)水，使其供熱。也就是使凝汽器成為供熱系統(tǒng)的熱網(wǎng)加熱器，充分利用機組排汽的汽化潛熱加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，將冷源損失降為零，提高機組的循環(huán)熱效率。采用該方法供熱是在不增加機組規(guī)模的前提下，回收冷源損失，增加了供熱量，增大了供熱面積。

1.2 高背壓供熱研究現(xiàn)狀

一般情況下，50 MW以下的運行熱電聯(lián)產(chǎn)機組采用可調(diào)抽汽或背壓機組供熱，100 MW及以上機組基本采用抽凝式供熱。抽凝式供熱機組與背壓式機組在供熱運行工況下的發(fā)電煤耗相差100 g左右。背壓式機組或低真空循環(huán)水供熱機組與抽凝式機組相比，其供熱經(jīng)濟性根本的差異在于:背壓(或低真空循環(huán)水供熱)機組在供熱工況下運行時，其冷源損失全部被利用，而抽凝式機組只有部分抽汽被用于供熱，汽輪機排汽份額有所減少，但這部分排汽仍存在較大冷源損失。

高背壓供熱機組是近年為適應北方采暖供熱而出現(xiàn)的改造型機組，大都是由純凝或抽凝式機組經(jīng)改造而成。該供熱方式于20世紀80年代出現(xiàn)在我國東北地區(qū)，而后逐步發(fā)展到華北地區(qū)。機型涉及純凝、抽凝式，機組容量等級涵蓋6～150 MW。迄今為止，對于150 MW以上的大型機組和非落地軸瓦機組，國內(nèi)、國外尚無汽輪機高背壓循環(huán)水供熱改造和成熟運行的先例，且國內(nèi)、國外也未見到這方面的研究。

1.3 300 MW機組高背壓供熱項目的提出

亞臨界300 MW高背壓運行的機組一般排汽溫度在50～85℃，其對應的背壓在20～55 kPa。亞臨界300 MW濕冷機組的排汽背壓一般不能超過18.6 Pa，不適應高背壓運行的要求。但是亞臨界300 MW直接空冷機組的背壓變化幅度完全適應高被壓運行的要求。因此，提出對亞臨界300 MW濕冷機組進行空冷化改造，以使亞臨界300 MW濕冷機組適應高被壓運行的要求，實現(xiàn)高背壓供熱的目的。

2 空冷化改造范圍

300 MW亞臨界濕冷機組與300 MW空冷機組的高、中壓部分結(jié)構(gòu)、參數(shù)完全一樣的，因此現(xiàn)有機組高、中壓部分不用改動。只需要將300 MW濕冷機組的低壓部分改造為300 MW直接空冷機組的低壓部分，便可適應高背壓運行。

目前，成熟的空冷300 MW機組，其設計背壓一般為11～18 kPa，夏季背壓為32～35 kPa，最高運行背壓65 kPa，夏季實際運行背壓一般約為40 kPa。對汽輪機低壓部分來說，高背壓供熱的外部條件和空冷機組夏季運行時基本一致，因此可以將原機組低壓缸更換為空冷機組低壓缸，末級采用空冷專用葉片，使機組具備高背壓運行能力。對于300 MW空冷機組，可以選擇620 mm和680 mm兩種末級葉片。620 mm葉片的設計背壓在15～18 kPa，680 mm葉片的設計背壓在11～13 kPa。高背壓改造后，對末級葉片的要求主要是背壓的適應性。680 mm葉片能夠適用于高背壓運行要求，同時對夏季負荷及部分負荷都有較好的適應性，也就是說，在純凝運行時的經(jīng)濟性損失較小。衡量末級葉片長度的主要參數(shù)是余速損失，620 mm及680 mm葉片的余速損失對比如圖1所示。

圖1 620 mm及680 mm末級葉片余速損失曲線

由圖1可見，純凝運行時，680 mm的余速損失小些(曲線右側(cè))，高背壓運行時，620 mm的余速小些(曲線左側(cè))。但是考慮高背壓運行主要考慮葉片的安全性，兩只葉片都能夠滿足要求，而在純凝運行時，680 mm葉片的經(jīng)濟性要好一些，因此改造選擇680 mm末級葉片。

3 改造后汽輪機低壓部分安全性和可靠性校核

300 MW空冷機組低壓轉(zhuǎn)子兩聯(lián)軸器端面總長為8 181.5 mm，重量為 60 499.5 kg。而改造后300 MW濕冷機組低壓轉(zhuǎn)子兩聯(lián)軸器端面總長為8 181.5 mm，重量為62 692.2 kg。由于軸系參數(shù)發(fā)生了變化，因此，需從幾個方面校對軸系的安全性。

3.1 軸承標高變化對軸系性能的影響

軸系的性能分析主要是系統(tǒng)的靜態(tài)分析和動態(tài)分析。其中，動態(tài)分析主要討論3個方面的問題:一是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率(如橫振和扭振)與系統(tǒng)工作頻率間的關系，以保證轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的各階頻率相對工作頻率有足夠的避開余量;二是討論外界擾力與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動幅值之間的關系(不平衡響應及轉(zhuǎn)子對不平衡響應的敏感性計算)，保證在各種擾力作用下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動幅值應小于某一限定值;三是討論轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動特性隨時間的變化趨勢(即系統(tǒng)穩(wěn)定性)，保證振動特性隨時間的延長呈穩(wěn)定或收斂狀態(tài)。

轉(zhuǎn)子的更換帶來軸系標高的變化，一方面從橫振角度影響軸承的剛度、軸系的臨界轉(zhuǎn)速及機組的安全運行;另一方面從高周疲勞角度帶來動應力的變化，會影響機組高周疲勞安全因子。

3.2 高周疲勞的校核

汽輪機轉(zhuǎn)子要承受穩(wěn)定負載和振動負載的聯(lián)合作用，所以在轉(zhuǎn)子設計時高周疲勞分析非常重要。作用在葉片和葉輪上的蒸汽壓力降將在轉(zhuǎn)子的本體內(nèi)產(chǎn)生軸向應力(靜應力)σp，整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)每一位置的橫向彎矩將產(chǎn)生交變的軸向應力σb。轉(zhuǎn)動、紅套葉輪和聯(lián)軸器將引起切向靜應力σz。

轉(zhuǎn)子承受的扭轉(zhuǎn)負載會產(chǎn)生扭剪靜應力τxy，由于傳動線的布置、負載的不平衡和軸承的不對中，將會產(chǎn)生交變的部分進汽應力σpa和不對中應力σnom。由轉(zhuǎn)動、紅套負載和壓力降將產(chǎn)生殘余剪切應力 τyz和 τzx。

將靜應力的值代入方程式(1)，求得當量應力σe，用σe值在歌曼表上找出在某溫度時所在截面的持久極限。然后該持久極限乘以尺寸效應系數(shù)，并除以所在截面里所用的強度換算系數(shù)，就可求得修正的持久強度。

將所有的交變應力值代入方程式(1)內(nèi)，來求得交變的當量張應力。當乘以應力集中系數(shù)時，(如果需要可考慮其缺口敏感性)，就可得到其最大的交變應力，這樣的計算必須進行兩次;1次用重力彎矩所致的σx，另1次用重力彎矩和不對中彎矩所致的 σx。

修正持久強度除以最大的交變應力，就可給出安全系數(shù)。其中，安全系數(shù)應大于等于2。

機組軸系不對中量的變化，增大了轉(zhuǎn)子的交變動應力，因此影響了轉(zhuǎn)子的高周疲勞壽命。

對軸系進行高周疲勞考核，主要針對轉(zhuǎn)子有應力集中的區(qū)域，計算中選取了4個部位，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子應力集中區(qū)域(單位:mm)

4 凝汽器適應性分析

機組改為高背壓運行后，熱網(wǎng)循環(huán)水的工作參數(shù)和原機組循環(huán)水的參數(shù)存在差別，因此，需要對凝汽器的可靠性進行必要的論證和確認熱網(wǎng)水質(zhì)能否滿足現(xiàn)有不銹鋼冷卻管TP304對水質(zhì)的要求［1］。

300 MW機組高背壓運行時，8號低加停止工作，7號、8號低加入口水溫不超過90℃，此溫度7號、8號加熱器可以承受，不需要進行改造，但是要對水處理系統(tǒng)需進行校核，以保證系統(tǒng)可靠運行［2］。

5 給水泵驅(qū)動方式的選取

機組改為高背壓運行后，如果原給水泵汽輪機排汽還進入凝汽器，則給水泵運行的背壓會隨之升高，一方面背壓升高，給水泵汽輪機出力降低，不能滿足機組運行要求，另一方面原給水泵汽輪機的末級葉片也不允許背壓升高到55 kPa，因此需對給水泵驅(qū)動方式進行論證。

6 主機凝結(jié)水系統(tǒng)適應性分析

凝結(jié)水系統(tǒng)設計采用單元制中壓凝結(jié)水系統(tǒng)，凝結(jié)水經(jīng)凝結(jié)水泵進入凝結(jié)水處理裝置，經(jīng)100%處理后，依次進入軸封加熱器、4臺低壓加熱器和除氧器。

改造前主機凝結(jié)水系統(tǒng)設計溫度為50℃，改造后主機凝結(jié)水系統(tǒng)設計溫度變?yōu)?9℃。凝結(jié)水系統(tǒng)受到影響的主要是凝結(jié)水泵以及凝結(jié)水精處理裝置。

凝結(jié)水精處理是大容量、高參數(shù)發(fā)電機組中一種特有的水處理方式。其目的主要是去除凝結(jié)水中金屬腐蝕產(chǎn)物及微量的溶解性鹽。凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的正常投運，對保證機組水汽品質(zhì)，縮短新機組的啟動時間，提高機組凝汽器泄漏的保護能力，延長機組酸洗周期都有其實際意義。

由于低真空改造后機組凝結(jié)水極限溫度高達79℃，而原有的凝結(jié)水精處理混床離子交換系統(tǒng)使用溫度一般不超過50℃，這主要是陰離子交換樹脂和設備襯膠所決定的，因此，本次低真空改造的同時，新增一套100%容量的粉末樹脂覆蓋過濾系統(tǒng)設備(運行溫度最高可達85℃)與原有的凝結(jié)水精處理混床系統(tǒng)并列運行。當凝結(jié)水溫度超過50℃時，混床系統(tǒng)投入，高于50℃粉末樹脂覆蓋過濾系統(tǒng)投入運行。

7 全廠運行優(yōu)化調(diào)整

7.1 背壓限制

根據(jù)葉片本身的特性，動應力在相對容積流量小于20%時會急劇升高，相對容積流量至11%左右時達到峰值。為安全起見，要控制高背壓運行時排汽容積流量大于末級葉片設計容積流量的20%。根據(jù)這個原則，考慮一定的安全余量，給出末級葉片的背壓限制線，即機組在報警線以下區(qū)域可安全運行，如圖3所示。

圖3 680 mm末級葉片的背壓限制曲線

7.2 汽輪機運行方式

冬季高背壓運行時，盡量讓改造后機組多帶負荷運行，從而減少冷端損失，提高整個電廠經(jīng)濟性。當機組投入高背壓運行時，要采取以熱定電的運行方式。熱負荷變工況時有3種調(diào)整途徑:一是在采暖初期，熱負荷需求量小時，回水溫度降低(低于60℃)，采用降低背壓運行的方式，減少排汽量，降低供熱量;二是當回水溫度達到60℃，供熱量需求仍舊沒有達到最大需求時，可以調(diào)整抽汽量，調(diào)整供水溫度;三是兩種調(diào)整方式可以同時進行［3］。

夏季運行時，盡量讓未改造機組多帶負荷運行。改造后機組由于排汽面積減小，在較大的進汽量下，阻塞背壓排汽壓力已經(jīng)高于原設計4.9 kPa背壓，所以，應調(diào)整凝汽器真空，使汽輪機排汽壓力不低于阻塞背壓。汽輪機進汽量與阻塞背壓曲線如圖4所示。

8 結(jié)束語

圖4 汽輪機進汽量與阻塞背壓關系

綜上所述可見，對300 MW汽輪機實施高背壓循環(huán)水供熱改造，可以明顯提高經(jīng)濟效益和社會效益。同時，可以預見該改造工程將會對北方地區(qū)的300 MW等級機組供熱改造提供很好的示范效應。

［1］吳季蘭.汽輪機設備及系統(tǒng)［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［2］王智雷，鄒翠芳.汽輪機［M］.北京:中國電力出版社，2003.

［3］賀平，孫剛.供熱工程［M］.北京:中國電力出版社，2009.