330 MW汽輪機高低壓旁路聯(lián)合供熱應用探究

蔣春雷，劉永利

(遼寧沈煤紅陽熱電有限公司 ，遼寧 遼陽 111000)

0 引 言

按照《遼陽市中心城區(qū)熱電發(fā)展總體規(guī)劃》，遼寧沈煤紅陽熱電有限公司(以下簡稱“紅陽熱電”)向遼陽市中心城區(qū)提供采暖及工業(yè)供熱，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱，改善遼陽市中心城區(qū)的供熱條件和環(huán)境條件。遼陽市主城區(qū)現(xiàn)有供熱面積2 380×104m2，到2020年末規(guī)劃供熱面積2 680×104m2。根據(jù)相關統(tǒng)計資料，遼陽地區(qū)綜合供熱指標約為54.64 W/m2，折合成近期熱負荷為1 300 MW，2020年末為1 464 MW。

為保障遼陽市供熱發(fā)展需要，響應國家關于新能源消納、提高火電機組運行靈活性的政策要求，及滿足東北電網(wǎng)電力輔助服務市場運營規(guī)則要求，紅陽熱電2號機組已完成汽輪機低壓缸“零出力”的改造工作。雖一定程度上提高了機組低負荷供熱能力和電調(diào)峰能力，但仍然不能滿足供熱期間電廠參與電網(wǎng)低負荷期間深度調(diào)峰的需求。因此，需進一步通過汽輪機高低壓旁路供熱改造來提高機組供熱期深度調(diào)峰的能力[1]。

1 電廠概況

紅陽熱電現(xiàn)裝機容量為2臺330MW，為遼寧省電網(wǎng)直調(diào)火電廠。配套鍋爐型號為HG1125-17.5-L.MG46；汽輪機型號為CC275/N330-16.7/537/537/0.981/0.294。紅陽熱電1、2號機組分別于2010年8月和2010年9月投產(chǎn)[2]。2臺汽輪機旁路容量為30%BMCR，為高、低壓二級串聯(lián)形式布置。機組主要技術規(guī)范見表1。

表1 汽輪機主要技術規(guī)范Table 1 Main technical specifications of steam turbine

2 汽輪機高低壓旁路聯(lián)合供熱改造

2.1 供熱改造系統(tǒng)原則性熱力系統(tǒng)

汽輪機高低壓旁路聯(lián)合供熱改造系統(tǒng)原則性熱力系統(tǒng)如圖1所示。改造采用高低壓旁路聯(lián)合供汽方案，即部分過熱蒸汽經(jīng)高壓旁路排至高壓缸排汽管道，經(jīng)過鍋爐再熱器之后排至低壓旁路母管。此次改造在原低壓旁路母管上開孔，新加管道連接至采暖抽汽母管，在該段管道上安裝2個電動蝶閥，流經(jīng)該蒸汽管道的部分蒸汽即作為供熱抽汽的補充汽源。為保證高低旁路的嚴密性，改造過程中在原高壓旁路電動調(diào)整閥前、高壓旁路入口設置電動截止閥(電動球閥)[3]。

圖1 供熱改造后系統(tǒng)原則性熱力系統(tǒng)圖Fig.1 Principled thermal system diagram of the system after heating reform

2.2 改造后機組典型供熱工況熱力特性分析

對于汽輪機高低壓旁路聯(lián)合供熱改造后，汽輪機軸向推力平衡、高壓缸末級葉片運行安全性(主要受高壓缸排汽壓力影響)、供熱蒸汽參數(shù)、高低壓旁路蒸汽流量平衡、汽輪機高/中壓缸電出力平衡、汽輪機低壓缸最小運行方式、再熱冷段/再熱熱段管道通流能力等因素均會影響機組供熱抽汽能力[4]。為了保證機組運行安全性，在進行供熱抽汽能力核算時，基于以下基礎核算條件：

1)高低壓旁路流量匹配基于“高旁入口蒸汽流量=低旁入口蒸汽流量-高旁減溫水流量”，以保證高旁蒸汽流量與低旁蒸汽流量的恰當匹配。

2)低壓缸排汽流量需大于20 t/h，即保證主機要求的低壓缸最小冷卻蒸汽流量，并留有一定裕量。

3)高壓缸排汽壓力取高壓缸實際進汽量對應的純凝工況的高壓缸排汽壓力，并根據(jù)再熱冷段管道和再熱熱段管道通流需求，適當調(diào)整高排壓力。

4)中壓缸排汽壓力取中壓缸實際進汽量對應純凝工況中壓缸排汽壓力，并根據(jù)供熱需求，適當調(diào)整中排壓力。

5)再熱冷段管道和再熱熱段管道通流能力按照《火力發(fā)電廠汽水管道設計技術規(guī)定DLT 5054-1996》規(guī)定的流速上限確定。

機組高低旁路聯(lián)合供熱時典型工況熱力特性校核結果見表2，THA為汽輪機熱效率驗收工況，MS為鍋爐額定主蒸汽流量。

表2 高低壓旁路聯(lián)合供熱汽水平衡校核結果Table 2 Steam-water balance check results for combined heating of high-pressure and low-pressure bypass

2.3 改造后機組調(diào)峰效果分析

若按照由1號機組接帶吸收式熱泵機組滿負荷運行，則改造后2號機組低壓缸“零出力”復合高低旁路聯(lián)合供熱運行，2號機組有條件參與電網(wǎng)調(diào)峰至50%THA的天數(shù)約為134天(較單純低壓缸零出力供熱增加58天)，參與電網(wǎng)調(diào)峰至40%THA的天數(shù)約為117天(較單純低壓缸零出力供熱增加43天)，參與電網(wǎng)調(diào)峰至30%THA的天數(shù)約為81天(較單純低壓缸零出力供熱增加32天)。采暖期2號機組調(diào)峰匯總結果見表3。

表3 采暖期2號機組調(diào)峰匯總Table 3 Summary of peak shaving for No.2 unit during heating period

3 汽輪機高低旁路聯(lián)合供熱改造安全性分析

采用高低壓旁路聯(lián)合供熱方案時，機組運行方式較改造前產(chǎn)生較大變化，需著重從以下方面采取措施，以確保汽輪機的安全運行[5]。

3.1 高低旁路對汽輪機軸向推力的影響及控制措施

對于高低旁路聯(lián)合供汽方案，高旁蒸汽流量與低旁蒸汽流量的匹配方式是影響汽輪機軸向推力平衡和汽輪機安全運行的的關鍵因素。只有高旁蒸汽流量與低旁蒸汽流量適當匹配，才能保證機組的運行的安全性。故采用使“高旁入口蒸汽流量=低旁入口蒸汽流量-高旁減溫水流量”的運行策略，以保證旁路高旁蒸汽流量與低旁蒸汽流量的恰當匹配。

為實現(xiàn)該運行策略，改造后通過增加控制邏輯，依據(jù)調(diào)節(jié)級壓力與高壓缸排汽壓力及中壓缸進汽壓力的關系，以調(diào)節(jié)級壓力、高壓缸排汽壓力、中壓缸進汽壓力始終保持在恰當匹配的范圍內(nèi)為控制目標，調(diào)整高旁閥、低旁閥及中壓聯(lián)合調(diào)節(jié)閥開度，確保汽輪機軸向推力平衡。

在運行調(diào)整過程中，采用高低旁路供熱時，首先通過調(diào)整低壓旁路抽汽，隨著抽汽流量的增加，當汽輪機軸向推力或高壓缸排汽壓力變化至運行限值附近時，通過調(diào)整增加高壓旁路流量調(diào)整軸向推力平衡；當供熱抽汽流量進一步增加時，通過調(diào)節(jié)中壓缸進汽調(diào)門，調(diào)整高壓缸排汽至安全運行范圍內(nèi)。

此外，改造中在高旁減溫器后蒸汽管道、低旁減溫器后蒸汽管道及減溫水管道上增加了流量測點，作為高壓旁路閥、低壓旁路閥及中壓聯(lián)合主汽門的控制參考與反饋。

3.2 高低旁路對高壓缸排汽溫度的影響及控制措施

高壓缸排汽溫度是影響汽輪機安全運行的關鍵運行參數(shù)之一。在汽輪機運行過程中，建立相關控制邏輯控制高旁減溫水的流量，維持汽輪機高壓缸排汽溫度始終處于限值范圍內(nèi)。此外，高壓缸排汽溫度還是調(diào)節(jié)鍋爐過熱器和再熱器熱量匹配的手段之一，即通過調(diào)節(jié)高壓缸排汽溫度(再熱冷端蒸汽溫度)，改變鍋爐再熱器吸熱量，實現(xiàn)鍋爐過熱器和再熱器的熱量平衡。

高壓旁路減溫水的流量控制采用溫度閉環(huán)反饋控制方式，采用減溫減壓后蒸汽溫度為控制目標，減溫減壓后蒸汽溫度的設定值，可根據(jù)鍋爐過熱器和再熱器溫度控制狀態(tài)參與機組協(xié)調(diào)控制。

3.3 高低旁路對高壓缸末級葉片運行安全性的的影響及控制策略

高低旁路抽汽供熱時會引起高壓缸排汽壓力降低，對高壓缸末級葉片安全性造成一定影響。目前考慮采取中壓調(diào)門調(diào)節(jié)高壓缸排汽壓力，確保高壓缸排汽壓力始終在制造廠給定的運行限值范圍內(nèi)。

中調(diào)門基本控制策略是高排壓力根據(jù)保護條件設置控制死區(qū)，當高排壓力降低超出保護限制死區(qū)后啟動中調(diào)門控壓保護模式，在極端條件下保護高排壓力，保護死區(qū)設置遲滯回調(diào)函數(shù)，即高排壓力高于一定值后才退出中調(diào)門的保護控制，中調(diào)門控壓保護模式設置報警光字牌以提示運行人員注意。

4 高低壓旁路供熱系統(tǒng)的投入

4.1 高低壓旁路供熱系統(tǒng)的投入方法

首先，開啟低壓旁路閥門至5%開度，同時開啟高壓旁路閥門至5%開度。然后，檢查閥門后的蒸汽溫度開始緩慢上升(如閥后溫度不變，則可以將閥門增加2%～3%的開度)，并保持低壓旁路閥后溫度不低于245℃，高壓旁路閥后溫度不低于300℃。在此過程中應盡量躲開高壓或低壓旁路閥門的開度在3%左右，因為當閥門的開度降至3%以下時，會觸發(fā)高低壓旁路閥門的聯(lián)鎖關閉。最后，再繼續(xù)緩慢開啟高壓和低壓旁路閥，直至閥門的開度均≥20%。

4.2 高低壓旁路供熱系統(tǒng)投入注意事項

由于當高壓和低壓旁路閥門的開度≤20%時，閥后蒸汽流量偏低、蒸汽流速慢，因此閥后的蒸汽溫度不好控制，蒸汽溫度波動大。所以高壓旁路閥和低壓旁路閥門盡量不要在20%開度以下長時間停留，否則高壓旁路閥和低壓旁路閥后的蒸汽溫度很難控制平穩(wěn)。

為保證汽輪機的運行穩(wěn)定，保證汽輪機推力瓦溫度和軸向位移處于安全運行范圍之內(nèi)，必須保證高、低旁路閥門通過的蒸汽流量相匹配。因此在高壓旁路閥和低壓旁路閥開啟的過程中，應當保持高壓旁路閥和低壓旁路閥的開度保持一致或接近，閥門開度差不要超過5%。同時，檢測高壓旁路閥后的蒸汽流量和低壓旁路閥后的蒸汽流量是否匹配，即高壓旁路入口蒸汽流量+高旁減溫水流量=低壓旁路后蒸汽流量-低壓旁路減溫水流量。

投入高壓旁路閥后減溫水的閥門自動及低壓旁路閥后減溫水的閥門自動時，應盡量保持高壓旁路閥后的蒸汽溫度與高壓缸排汽溫度差不要過大，并保持高壓旁路閥后蒸汽溫度不得高于350 ℃[6]。同時保持低壓旁路閥后的蒸汽溫度在250～270 ℃為宜(不得高于280 ℃)，并保持低壓旁路閥后蒸汽壓力不得高于0.35 MPa。依據(jù)采暖供熱的蒸汽量需要，對高壓旁路閥和低壓旁路閥的開度進行手動調(diào)整。

在調(diào)整高、低壓旁路供熱系統(tǒng)過程中，應密切監(jiān)視汽輪機的推力瓦溫度和高排壓比。汽輪機推力軸瓦的正負側溫度差不得超過15℃；汽輪機的高排壓比不得低于2.0。

在正常運行過程中，應密切監(jiān)視高低壓旁路的蒸汽流量，為了防止再熱器蒸汽超流速，通過系統(tǒng)的熱平衡計算，對高、低旁路閥后的最大供熱蒸汽流量進行了限制，并在旁路操作界面中對高、低壓旁路的最大允許蒸汽流量進行了實時顯示。因此,在高低壓旁路供熱系統(tǒng)運行時，通過高、低壓旁路的最大蒸汽流量不應超過最大允許蒸汽流量值。

5 結 語

在國家大力倡導火電機組靈活性改造，消納新能源前提下，紅陽熱電適時對機組進行改造，以2號機組高低壓旁路改造為研究對象，通過實踐應用分析得出以下結論：

1)通過對改造后的汽輪機高低壓旁路聯(lián)合抽汽供熱系統(tǒng)熱力特性分析和效果分析，證明旁路供熱改造后大幅度提高了機組在深度調(diào)峰期間的供熱能力。2號機組低壓缸“零出力”復合高低旁路聯(lián)合供熱較單純低壓缸“零出力”供熱在調(diào)峰至50%THA、40%THA、30%THA分別增加58天、43天、32天。取得了良好的調(diào)峰效果。

2)通過實際運用汽輪機高低壓旁路聯(lián)合抽汽供熱，證明該系統(tǒng)實用可靠、操作方便。同時，在汽輪機組運行過程中，總結出相關注意事項及控制措施，對其他同類型機組改造有借鑒作用。