三缸三排汽200MW汽輪機低壓轉子光軸改造后低壓缸的冷卻措施探討

叢永杰++王海成

【摘 要】節(jié)能降耗一直是國家對電力系統(tǒng)發(fā)電企業(yè)的要求，特別是裝機容量小的火電機組，如不進行必要改造，隨時可能有被邊緣化，被去產(chǎn)能的風險，汽輪機低壓缸光軸改造技術正是在這樣的背景下應運而生，在對緩解機組供熱和機組帶負荷方面起到一定的積極意義，本文主要就華電能源富拉爾基發(fā)電廠的低壓缸光軸改造技術中低壓缸冷卻的問題進行了分析。

【關鍵詞】光軸改造 低壓缸冷卻 低壓轉子

在高寒地區(qū)，蓄熱系統(tǒng)發(fā)揮著不容忽視的作用，與蓄熱系統(tǒng)配套使用的是低壓缸光軸改造技術和鉆孔抽汽技術，本文將對低壓缸光軸改造技術進行分析論證，并對汽輪機低壓缸光軸改造后，低壓缸的冷卻問題進行了深度探析。

1 機組簡介

華電能源富拉爾基發(fā)電廠汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產(chǎn)的N200-130/535/535型超高壓一次中間再熱、三缸三排汽、凝汽式汽輪機，機組有三個低壓缸?？傃b機容量 1200MW，分為二期建設，一期 3 臺 200MW 機組，二期擴建3 臺 200MW 機組，共 6 臺 200MW 凝汽式機組。汽輪機均為哈爾濱汽輪機廠有限責任公司八十年代產(chǎn)品，汽輪機為沖動式三缸三排汽凝汽式汽輪機。分別于 1982、1983、1984、1987、1988、1989 年投產(chǎn)發(fā)電。其中二期 3 臺汽輪機分別在 1996、1997、1998 年采用全三維技術進行了通流部分擴容改造，額定功率達到 210MW。

2 低壓缸轉子光軸改造的原理

華電能源富拉爾基發(fā)電廠汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產(chǎn)的N200-130/535/535型超高壓一次中間再熱、三缸三排汽、凝汽式汽輪機，機組有三個低壓缸。如果在聯(lián)通管打孔抽汽供熱改造，抽汽量小，穩(wěn)定性差，機組要想多供汽，最好進行低壓光軸供熱改造，將#2、#3號低壓缸解列，用新設計低壓光軸轉子代替原低壓轉子，但因其有三個低壓缸， #1低壓缸與中壓缸是一體結構，#2、#3號低壓缸對稱分布，低壓光軸供熱改造難度大。國內其它電廠已進行過低壓缸光軸供熱改造，并成功運行。

改造后，低壓缸采用雙轉子互換形式，非供熱期仍采用原機組低壓轉子，低壓缸以純凝形式運行；供熱期低壓轉子采用低壓光軸，只起連接作用，低壓部分并不作功發(fā)電，中低壓聯(lián)通管排汽用于供熱，充分利用汽輪機排汽供熱，減少冷源損失，增大供熱量，以滿足冬季采暖供熱，擴大熱網(wǎng)供熱能力，降低機組運行熱耗，能有效的滿足富發(fā)電廠規(guī)劃的250萬平方米的供熱負荷，并為富發(fā)電廠新機供熱提供備用熱源，保障供熱安全。

光軸供熱改造已有比較成功的案例。例如煙臺發(fā)電有限公司4號機組為北京重型電機廠生產(chǎn)的110MW抽凝式汽輪發(fā)電機組。機組形式為高壓、沖動、雙缸雙排汽、抽汽凝汽式，型號NC110-8.83/0.2/535。為滿足城市供熱需求，提高運行經(jīng)濟性，煙臺發(fā)電有限公司于2014年3月將4號汽輪機組改造為背壓供熱機組，采用低壓缸光軸方案，機組改為背壓機后，全部排汽進入熱網(wǎng)供熱，利用了全部冷端損失，供熱量增大122 t/h左右。改造后運行平穩(wěn)，各項指標達到設計要求，得到用戶好評。河南濮陽第二發(fā)電廠改造200MW機組，采用低壓缸光軸方案，機組改為背壓機后，全部排汽進入熱網(wǎng)供熱，利用了全部冷端損失，成功運行。

3 光軸改造后產(chǎn)生低壓缸溫度升高的原因及對機組安全運行的影響

3.1 光軸改造后，對低壓缸排氣溫度的分析主要可以分三個階段

（1）機組啟動階段，汽輪機在光軸模式下運行，由于汽輪機啟動初期，鼓風摩擦損失大，蒸汽流量小，特別是2、3號低壓缸，鼓風摩擦損失所產(chǎn)生的熱量，由于2、3號低壓缸不再進汽，較未進行光軸改造前所產(chǎn)生的熱量更大。未進行光軸改造時有低壓缸葉片的存在，且啟動時低壓缸有進氣量多少會帶走一部分熱量，但是光軸改造后，這部分光軸基本上是暴露在具有大熱量的空氣中，加上光軸摩擦旋轉產(chǎn)生的熱量，對汽輪機的脹差來說影響最大。

（2）機組停止階段，汽輪機在光軸模式下運行時，越是到停機后期，由于2、3號低壓缸已不再進汽，此時隨著機組負荷、轉速的降低，汽輪機低壓缸的光軸處又因為鼓風摩擦熱損失的存在，溫度逐漸上升，由于沒有了葉片，汽輪機低壓缸脹差受溫度的影響進一步加大。

（3）正常運行階段，原來有葉片的低壓缸變成了一根光軸，光軸的存在使得泊桑效應的影響進一步擴大，轉子的突變將可能導致軸向位移、振動、偏心等參數(shù)發(fā)生變化，危及汽輪機的安全運行。

3.2 光軸改造對汽輪機機組安全影響的分析

結合上述三個階段的描述，汽輪機光軸改造后對汽輪機的影響主要分兩個方面：1）因鼓風摩擦引起的機組脹差的變化；2）因光軸改造后產(chǎn)生的泊桑效應的擴大反應。本文將從這兩個方面研究光軸改造后汽輪機的安全運行。

4 鼓風摩擦損失對汽輪機脹差的影響

所謂鼓風是指部分蒸汽通過末端部位的某一級時，流速低于轉子旋轉的速度，與轉子之間產(chǎn)生摩擦，這種現(xiàn)象稱之鼓風，其摩擦損失就是鼓風損失，由于末端幾級的蒸汽經(jīng)過多級膨脹，在真空降低或進口蒸汽量減少時，末端某級進出口壓差減小，蒸汽通過噴嘴后膨脹能力降低或者不膨脹，導致部分蒸汽從噴嘴中噴出的速度小于該點汽機轉子的線速度，與轉子產(chǎn)生摩擦。汽輪機在啟?；蚱渌惓９r時，在外部擾動下由于轉子的膨脹幅度大于汽缸的膨脹，即所謂脹差變化。如果轉子的膨脹大于汽缸變化成為正脹差，轉子的膨脹變化小于汽缸變化成為負脹差。

眾所周知，金屬具有吸熱的特性，金屬的膨脹或收縮與吸收的熱量息息相關，在汽輪機光軸改造后，汽缸的位置位于蒸汽的表面，汽輪機轉子則被蒸汽緊緊包圍，汽輪機轉子在低壓缸葉片被拆除后，轉子和蒸汽的相對接觸面積增大了近一倍，而對于汽輪機汽缸本身而言，由于汽缸并未進行過任何改造，而汽缸比汽輪機轉子的面積大的多，汽輪機光軸改造后的轉子所暴露在蒸汽中的面積和汽輪機汽缸相對于蒸汽的面積的極大反差導致了汽輪機脹差向正脹差變化，這個正脹差相對于改造前有所增大，而當汽缸進入冷源或進入汽輪機的蒸汽參數(shù)變低后，汽輪機的脹差又會變位負脹差，這個負脹差的幅度相對于光軸改造前，幅度要有所增大，這就需要我們在汽輪機光軸改造會對汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)中的脹差的顯示值進行重新校核和定義，必要時還要更改汽輪機危急遮斷保護中脹差的定值。為了保護汽輪機，每臺機組都設有汽輪機脹差保護的報警值和跳閘值，汽輪機光軸改造后，如果汽輪機的脹差在啟停機和變工況過程中始終都在報警值范圍內，就不會對汽輪機的安全運行造成影響。汽輪機的光軸改造造成了一個后果，那就是汽輪機出場廠家定義的脹差報警和跳閘值很有可能已經(jīng)發(fā)生了漂移，如果脹差監(jiān)視失控，就會導致汽輪機動靜摩擦，振動增大，軸封冒火，動靜葉片抱死，大軸彎曲、葉片脫落等惡性事故，所以我們必須認真對待光軸改造后汽輪機脹差的變化對汽輪機安全的影響。

5 光軸改后的泊桑效應擴大對汽輪機各參數(shù)的影響

泊桑效應也就是汽輪機的軸在轉速增加的時候，受到離心力的作用，而變粗，變短。轉速減小的時候，而變細，變長。一般在啟，停機的時候由于低壓缸的轉子是最粗的，所以受泊桑效應最明顯。是脹差變化的一個因素，汽輪機光軸改造后，原來的汽輪機低壓缸三缸變一缸，其余兩缸變成了光軸，這個光軸的出現(xiàn)使汽輪機在轉速急劇變化時，轉子的粗細長短相對于光軸改造前幅度變化擴大，正常停機憜走時間一般為1個小時，轉速降低較破壞真空后慢的多，雖有泊效應使其轉子伸長，但因其之前一直有氣冷卻，轉子處于較冷的狀態(tài)，故脹差既有負向，又有正向抵消，不是很明顯。但打閘，尤其是破壞真空緊急停機屬于熱態(tài)轉子急速停轉，此時，轉子短時間內迅速停運，在熱脹冷縮和泊桑效應的影響下，汽輪機的軸向位移、脹差尤其是低壓脹差迅速正向增大，直接威脅汽輪機的安全運行，泊桑效應的影響也是我們在汽輪機光軸改造后需要面對的一個問題。

此外汽輪機低壓缸光軸改造后，原汽輪機的軸封處因2、3號低壓缸不再進汽，汽輪機系統(tǒng)軸封處的改造也引人深思，特別是在低壓缸轉子在切換過程中，汽輪機在實現(xiàn)光軸到葉片切換的同時，軸封系統(tǒng)也需要相應切換，軸封的冷卻方式，軸封系統(tǒng)的投入與運行，都是汽輪機光軸改造后我們需要認真思考的問題，因為軸封系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問題，就是大問題，輕則機組漏真空，重則機組會發(fā)生水沖擊，大軸彎曲等惡性事故，因此汽輪機光軸改造后，軸封系統(tǒng)的運維和技改同樣需要我們投入大的精力來論證和實施。

6 論述低壓缸冷卻措施及原理

在汽輪機供熱期運行時，#1號低壓缸正常做功發(fā)電，#2、#3低壓部分不再進汽，低壓光軸仍與發(fā)電機聯(lián)接轉動，會產(chǎn)生鼓風現(xiàn)象，低壓缸溫度升高，引起整個#2、#3低壓部分膨脹及標高發(fā)生變化，給機組運行帶來安全影響，需要對汽輪機#2、#3低壓部分進行冷卻。具體方案如下：

（1）從供熱抽汽管路，抽出5～10t/h左右的蒸汽，經(jīng)減溫減壓后對低壓缸進行冷卻。同時保持低壓缸前、后汽封送汽及汽封冷卻器的抽汽。

（2）低壓缸冷卻蒸汽管路設置一個減溫減壓器、一個電動截止閥。

（3）光軸及低壓缸冷卻蒸汽流量，由控制系統(tǒng)根據(jù)低壓缸排汽溫度，通過冷卻蒸汽管道上的調節(jié)閥控制。

（4）在供熱抽汽期間，#2、#3凝汽器熱備用，將低壓缸冷卻蒸汽凝結成水。

（5）凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)可以小流量運行，保持凝汽器、主冷油器、磨煤機潤滑油冷油器冷卻用水。

（6）凝結水泵繼續(xù)運行，減溫水來自凝泵后，需要減溫時，適當提高減溫水的壓力運行。

7 結語

汽輪機光軸改造技術在給機組供熱和深度調峰帶來便利的同時，也對汽輪機的安全運行帶來了一定的考驗，任何一項技術革新，安全都是必要和必須的，本文主要從光軸改造后汽輪機的脹差、泊桑效應的影響上進行了對汽輪機啟停機和變工況運行的安全論證，希望能給同類型機組以啟示。