140MW凝汽機(jī)組“雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換”供熱改造技術(shù)分析

成渫畏， 王學(xué)棟， 郝玉振

（1.華電國際山東分公司安生部，山東濟(jì)南 250014；2.山東電力研究院，山東濟(jì)南 250002）

0 引言

在常規(guī)凝汽式火力發(fā)電廠中，汽輪機(jī)排汽在凝汽器中被冷卻而凝結(jié)成水，同時冷卻水被加熱，其熱量通過冷卻塔散發(fā)到大氣中，產(chǎn)生冷源損失。這種冷源損失是造成汽輪機(jī)組循環(huán)熱效率低的一個主要原因，如果將這部分冷源損失加以利用，會大大提高汽輪機(jī)組的循環(huán)熱效率。汽輪機(jī)高背壓循環(huán)水供熱就是為了利用汽輪機(jī)的冷源損失而發(fā)展起來的一項節(jié)能環(huán)保技術(shù)。汽輪機(jī)提高背壓運行，凝汽器的排汽溫度升高，提高了循環(huán)水出口溫度。將凝汽器循環(huán)水入口管和出口管接入采暖供熱系統(tǒng)，循環(huán)水經(jīng)凝汽器加熱后，注入熱網(wǎng)，滿足用戶采暖要求，冷卻后的循環(huán)水再回到凝汽器進(jìn)行加熱。高背壓循環(huán)水供熱將原來從冷卻塔排入自然界的熱量回收利用，達(dá)到了節(jié)約供熱用蒸汽、提高汽輪機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益的目的。

目前凝汽發(fā)電機(jī)組冬季實施高背壓循環(huán)水供熱技術(shù)已在國內(nèi)各大中城市得到普遍推廣與使用，是節(jié)約能源、改善環(huán)境以及深化熱電聯(lián)產(chǎn)的有力措施。據(jù)文獻(xiàn)資料，目前有6MW、12MW、25MW等幾種容量的小型機(jī)組

進(jìn)行了高背壓改造[1～3]，研究者對機(jī)組高背壓改造的方式、經(jīng)濟(jì)性和安全性進(jìn)行了闡述和分析、計算[4～7]。

某電廠超高壓140MW凝汽機(jī)組原由上海汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)和改造。為實現(xiàn)高背壓供熱，機(jī)組實施“雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換”改造方式，對低壓缸通流部分進(jìn)行了改造，在采暖季節(jié)和在非采暖季節(jié)，實現(xiàn)“雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換”，以滿足冬季高背壓供熱和全年經(jīng)濟(jì)運行的要求。

表1 機(jī)組改造前后不同運行方式的技術(shù)參數(shù)

1 “雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換”方式的低壓缸通流改造

低壓缸雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換，即采暖期間使用動靜葉片級數(shù)相對較少的低壓轉(zhuǎn)子，非采暖期使用原設(shè)計配備的低壓轉(zhuǎn)子，采暖期凝汽器高背壓運行，非采暖期低背壓運行。以上超高壓140MW凝汽機(jī)組，原低壓轉(zhuǎn)子為2×6級，在進(jìn)入采暖期前更換為去掉兩級動葉和隔板的2×4級低壓轉(zhuǎn)子，同時機(jī)組的末兩級低壓加熱器停運，只有2臺低加和2臺高加、除氧器運行，排汽背壓提升至30～45kPa；當(dāng)采暖期結(jié)束后，再將原2×6級動葉的低壓轉(zhuǎn)子和相應(yīng)兩級的隔板恢復(fù)，汽輪機(jī)排汽背壓同時恢復(fù)至4.9kPa，從而使機(jī)組完全恢復(fù)原設(shè)計狀態(tài)。機(jī)組改造前后不同運行方式的技術(shù)參數(shù)見表1。

2 機(jī)組“雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換”改造內(nèi)容

2.1 低壓缸高背壓供熱改造內(nèi)容

低壓缸通流部分改造范圍：低壓轉(zhuǎn)子更換為新整鍛轉(zhuǎn)子，通流級數(shù)由2×6個壓力級改為2×4個壓力級；更換低壓2×4級隔板及汽封，更換低壓前、后軸端汽封體及汽封圈；增加低壓末級導(dǎo)流環(huán)2套，更換低壓分流環(huán)；中低、低發(fā)連軸器螺栓更換為液壓拉伸螺栓。

低壓缸采用“雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換”技術(shù)，在設(shè)計和改造中對低壓通流部分進(jìn)行整體優(yōu)化，保證機(jī)組高背壓工況下的安全高效運行，具體實施措施如下：

（1）根據(jù)新的高背壓運行工況點重新調(diào)整低壓通流面積以降低中低壓連通管抽汽的壓損，確保低壓缸排汽溫度在較大負(fù)荷范圍內(nèi)不超溫，根據(jù)最佳速比設(shè)計原則調(diào)整通流幾何尺寸并兼顧氣流通道的光順性。

（2）在氣動設(shè)計中采用根部高反動度設(shè)計，并控制反動度沿葉高緩慢變化，使末級葉片具有良好的氣動性能；在結(jié)構(gòu)設(shè)計中通過適當(dāng)?shù)娜~片材料選擇、葉片型線設(shè)計以及葉片連接型式，使末級葉片能夠承受小容積流量下可能發(fā)生脫流、倒流等引發(fā)的交變動應(yīng)力，具有較高的強(qiáng)度、剛度、良好的阻尼特性。

（3）新的低壓轉(zhuǎn)子為2×4級，與舊轉(zhuǎn)子相比減少兩級葉輪，通過調(diào)整無葉輪側(cè)轉(zhuǎn)子直徑，實現(xiàn)新低壓轉(zhuǎn)子重量與舊轉(zhuǎn)子重量相當(dāng)，保持低壓軸承載荷的穩(wěn)定性。對低壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，使低壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速在原設(shè)計轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，保證軸系穩(wěn)定性。

（4）排汽溫度升高后，低壓轉(zhuǎn)子膨脹量明顯增大，重新設(shè)計通流部分動靜間隙和汽封，通過增加低壓前后軸端汽封圈數(shù)量并使用刷式汽封等，減少低壓前后軸封漏汽量。當(dāng)?shù)蛪焊着牌麥囟冗_(dá)到100℃時，為防止低壓缸對其前后軸承箱的熱輻射，采取遮熱措施，最后兩級隔板采用平滑過渡的導(dǎo)流環(huán)代替，同時對后缸噴水系統(tǒng)進(jìn)行改造，用后缸噴水進(jìn)行降溫。

（5）低壓缸雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換，新、舊轉(zhuǎn)子需具備完全互換性以滿足軸系對轉(zhuǎn)子的聯(lián)接要求，如何保證聯(lián)軸器銷孔的一致性是其技術(shù)難點。液壓拉伸螺栓采用錐套和錐形螺栓配合使用，通過二次拉伸，滿足安裝精度和緊力的要求。在每年需要二次更換轉(zhuǎn)子的情況下，可以保證更換轉(zhuǎn)子后不需重新鉸孔。

機(jī)組改造后，低壓缸通流部分示意圖如圖1所示。

2.2 凝汽器改造內(nèi)容

為了適應(yīng)高背壓工況下，較高的低壓缸排汽溫度和排汽壓力，以及低背壓和高背壓工況下凝汽器運行工況的巨大變化，凝汽器進(jìn)行加強(qiáng)型整體改造。對冷卻管束、管板、支撐板及水室進(jìn)行重新設(shè)計改造，水室采用弧形水室。N-8830加強(qiáng)型凝汽器為單背壓、單殼體、表面式凝汽器，循環(huán)水采用雙流程、雙進(jìn)雙出。為適應(yīng)冬季高背壓供熱運行時殼體高溫引起的熱膨脹，在后水室側(cè)殼體上焊接了膨脹節(jié)，在后水室下部設(shè)有一個滑動支座，滑動面采用PTFE板，用于支撐后水室重量，吸收軸向熱膨脹。凝汽器喉部與汽輪機(jī)排汽口采用焊接連接，下部彈簧支撐，安裝時凝汽器重量由彈簧承受，運行時凝汽器上、下的熱膨脹由彈簧補(bǔ)償。殼體內(nèi)部由中間管板支撐加強(qiáng)，傳熱管材料為TP316L，管子與管板之間連接采用先脹后焊的工藝，從而保證管子與管板的連接不因溫度高而松脫，保證了密封性能。凝汽器管板采用適當(dāng)加厚的Q345R鋼板。

2.3 機(jī)組輔助系統(tǒng)改造

（1）在機(jī)組高背壓供熱期間，發(fā)電機(jī)空冷器、冷油器、冷水器、給水泵冷油器等設(shè)備的冷卻用水，因供熱循環(huán)水溫度較高而不能使用，從臨機(jī)循環(huán)水系統(tǒng)另接一路水源至本機(jī)。

（2）在機(jī)組高背壓供熱期間，凝結(jié)水溫度升高，軸加熱負(fù)荷增加，導(dǎo)致其對軸封回汽的冷卻能力降低，同時造成回汽不暢，繼而軸封處易漏汽，造成油中帶水。因此在軸加進(jìn)水管上加裝1臺冷卻器，將凝結(jié)水溫度由80℃降至40℃左右，從而保證軸加對軸封汽的冷卻能力正常，避免了軸封汽回汽不暢。

3 機(jī)組改造后性能試驗結(jié)果分析

機(jī)組改造后，進(jìn)行了高背壓純凝、高背壓帶中低壓缸聯(lián)通管抽汽工況的性能試驗，以分析機(jī)組高背壓改造后的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、供熱能力、帶電負(fù)荷能力，以及機(jī)組全年運行的經(jīng)濟(jì)性。

3.1 機(jī)組高背壓供熱工況的性能試驗結(jié)果

機(jī)組改造后，高背壓供熱工況下，進(jìn)行了3VWO工況、順序閥110MW工況、VWO工況、以及采暖抽汽量75t/h、50t/h工況的試驗，試驗結(jié)果見表2。

3.2 高背壓運行方式下的經(jīng)濟(jì)性能分析和供熱運行優(yōu)化

機(jī)組高背壓供熱，熱耗率和熱效率受循環(huán)水溫度和循環(huán)水流量的影響較大，受汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)和排汽參數(shù)的影響小，根據(jù)制造廠提供的參數(shù)修正曲線進(jìn)行試驗結(jié)果修正時，修正量也小，對于順序閥110MW工況，主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度、再熱蒸汽壓損、低壓缸排汽壓力五項對機(jī)組試驗熱耗率的總修正系數(shù)僅為1.000 103，而且制造廠沒有提供高背壓供熱參數(shù)和采暖抽汽參數(shù)影響的修正曲線，因此在進(jìn)行以上試驗結(jié)果的分析比較時，只分析試驗熱耗率。

在高背壓純凝工況，機(jī)組試驗熱耗率從3673.8kJ/kWh到3724.2kJ/kWh，低壓缸效率約86.8%。根據(jù)制造廠設(shè)計計算書，112MW工況下的設(shè)計熱耗率為3776.6kJ/kWh，設(shè)計低壓缸效率為91.34%，循環(huán)水流量為7240t/h，循環(huán)水進(jìn)水溫度52.78℃，循環(huán)水出水溫度72℃。由于試驗時循環(huán)水出水溫度比設(shè)計值高，供用戶的熱量高，因此試驗熱耗率比設(shè)計值低，但低壓缸效率沒有達(dá)到設(shè)計值，說明低壓缸高背壓改造的設(shè)計技術(shù)和加工技術(shù)還有待于改進(jìn)。

比較高背壓純凝工況和帶采暖抽汽工況，由于高、中壓缸沒有改造，試驗得到的高、中壓缸效率差別不大，其中的差別只跟工況調(diào)整有關(guān)。帶采暖抽汽工況，由于采暖抽汽量沒有經(jīng)過低壓缸做功，因此在相同的機(jī)組進(jìn)汽流量和熱負(fù)荷情況下，機(jī)組發(fā)電功率降低，機(jī)組試驗熱耗率增加。

表2 超高壓140MW機(jī)組高背壓改造后供熱工況性能試驗結(jié)果

高背壓供熱機(jī)組，凝汽器作為外部供熱管網(wǎng)的一級加熱器，中低壓缸聯(lián)通管上的采暖抽汽，作為外部供熱管網(wǎng)的二級加熱汽源。在熱網(wǎng)熱負(fù)荷一定的情況下，應(yīng)優(yōu)先由凝汽器供熱，如用聯(lián)通管上的采暖抽汽供熱網(wǎng)負(fù)荷，汽輪機(jī)功率存在損失，汽輪機(jī)熱耗率增加。在冬季供暖期，根據(jù)熱負(fù)荷情況，機(jī)組應(yīng)優(yōu)先采用凝汽高背壓供熱，并調(diào)整循環(huán)水流量和循環(huán)水出水溫度在最佳狀態(tài)，當(dāng)熱負(fù)荷增加時，才考慮由機(jī)組采暖抽汽作為熱網(wǎng)加熱器的二級汽源，進(jìn)一步加熱循環(huán)水。此種運行方式，可使汽輪機(jī)和凝汽器在最佳的設(shè)計狀態(tài)下運行，汽輪機(jī)組熱效率最高，節(jié)能效果最好。

3.3 機(jī)組改造后全年運行的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

機(jī)組供暖期結(jié)束，低壓缸復(fù)裝原設(shè)計的低背壓運行的低壓轉(zhuǎn)子，由機(jī)組低背壓工況的性能試驗結(jié)果，125MW工況下，機(jī)組試驗發(fā)電功率125 117.3kW，試驗熱耗率8726.496 kJ/kWh，修正后熱耗率8474.528kJ/kWh，而機(jī)組改造前低背壓125MW工況下，修正后的熱耗率為8368.75kJ/kWh，說明低壓缸恢復(fù)原設(shè)計的低壓轉(zhuǎn)子后，機(jī)組熱耗率指標(biāo)基本恢復(fù)。

超高壓140MW凝汽機(jī)組高背壓改造后，高背壓工況下的最高電負(fù)荷達(dá)到111MW，熱負(fù)荷達(dá)到202.97MW，機(jī)組運行穩(wěn)定，熱負(fù)荷和電負(fù)荷基本達(dá)到設(shè)計值。機(jī)組在高背壓工況運行時，原有的循環(huán)水系統(tǒng)退出運行，由熱網(wǎng)循環(huán)泵建立起新的“熱-水”交換系統(tǒng)，機(jī)組冷源損失降為0，汽輪機(jī)組熱效率最高達(dá)到98%，平均為97.268%。三個高背壓純凝試驗工況，機(jī)組試驗熱耗率平均值為3701.23kJ/kWh，鍋爐效率取為0.9、管道效率取為0.99，則機(jī)組發(fā)電煤耗為141.74g/kWh，而改造前純凝工況機(jī)組發(fā)電煤耗為320.48g/kWh，按機(jī)組年利用小時5500h（即相當(dāng)于機(jī)組全年負(fù)荷率75%，運行小時7300h），每個供熱季4個月可節(jié)約標(biāo)煤約45 876.6t。改造后純凝工況機(jī)組發(fā)電煤耗為324.53g/kWh，綜合全年4個月高背壓供熱工況期和8個月低背壓純凝工況期，機(jī)組全年加權(quán)平均發(fā)電煤耗率為263.6g/kWh，優(yōu)于超超臨界1000MW機(jī)組的發(fā)電煤耗率。

4 結(jié)語

超高壓140MW凝汽機(jī)組采用“雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換”方式，對低壓缸通流部分進(jìn)行了改造，采暖期凝汽器高背壓運行，非采暖期低背壓運行，滿足了機(jī)組冬季高背壓供熱和全年經(jīng)濟(jì)運行的要求。采用液壓拉伸螺栓實現(xiàn)了新、舊轉(zhuǎn)子的完全互換；通過對低壓后缸噴水系統(tǒng)優(yōu)化，增加噴水量，對低壓缸前后軸承箱采取遮熱措施，有效避免了低壓缸排汽溫度高帶來的危害；通過凝汽器加強(qiáng)型整體改造，保證了凝汽器在較高的低壓缸排汽溫度和排汽壓力，以及低背壓和高背壓運行工況巨大變化下運行的安全性。改造后機(jī)組性能試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)計表明，“雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換”方式的供熱改造具有良好的經(jīng)濟(jì)效果和推廣價值。

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