大型火電機(jī)組供熱改造選型

馬靜波　汪廣慧　李玉峰　郭鑫　馮琪

[摘? ? 要]火力發(fā)電廠的冷端損失是電廠熱力系統(tǒng)的最大能量損失，大量的汽輪機(jī)凝汽器余熱通過不同的冷卻設(shè)備排放至大氣中。將汽輪機(jī)冷凝余熱回收用于城市居民采暖供熱，相當(dāng)于在不增加電廠容量，不增加大氣污染物排放，耗煤量和發(fā)電量都不變的情況下，擴(kuò)大了熱源的供熱能力，提高了電廠的綜合能源利用效率。

[關(guān)鍵詞]采暖;供熱技術(shù);改造服

[中圖分類號(hào)]TM621 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）09–00–02

[Abstract]The cold end loss of a thermal power plant is the maximum energy loss of the thermal system of the power plant. A large amount of steam turbine condenser waste heat is discharged into the atmosphere through different cooling equipment. The use of steam turbine condensing waste heat recovery for heating and heating of urban residents is equivalent to expanding the heating capacity of the heat source and increasing the heating capacity of the heat source without increasing the capacity of the power plant， increasing the emission of air pollutants， and maintaining the same coal consumption and power generation. The comprehensive energy utilization efficiency of the power plant is improved.

[Keywords]heating; heating technology; transformation

1 概述

目前采暖供熱改造技術(shù)路線包括如下幾個(gè)方式。針對(duì)供熱機(jī)組供熱和電調(diào)節(jié)能力提升改造的主要技術(shù)路線包括：熱水儲(chǔ)熱供熱改造、電鍋爐供熱改造、連通管打孔抽汽改造、汽輪機(jī)旁路供熱改造、低壓缸零出力改造、光軸供熱改造、高背壓供熱改造等。

（1）以國(guó)內(nèi)某知名電廠為例，電廠有6臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量為3400 MW。各機(jī)組情況如下：一期工程安裝兩臺(tái)俄羅斯500 MW超臨界機(jī)組，分別于1998年11月和1999年9月投產(chǎn)發(fā)電，后進(jìn)行通流改造，改后機(jī)組型號(hào)為N550-23.54/540/540，設(shè)計(jì)工況下中壓缸排汽量為1055 t/h，排汽壓力為0.25 MPa，排汽溫度為194 ℃;二期工程安裝兩臺(tái)哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的600 MW亞臨界機(jī)組，分別于2007年和2008年投產(chǎn)發(fā)電，汽輪機(jī)型號(hào)為N600-16.7/538/538，設(shè)計(jì)工況下中壓缸排汽量為1281 t/h，排汽壓力為0.81 MPa，排汽溫度為335 ℃;三期工程安裝兩臺(tái)哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的600 MW超臨界機(jī)組，分別于2010年和2011年投產(chǎn)發(fā)電，汽輪機(jī)型號(hào)為CLN600-24.2/566/566，設(shè)計(jì)工況下中壓缸排汽量為1197 t/h，排汽壓力為1.03 MPa，排汽溫度為365 ℃。全廠6臺(tái)純凝機(jī)組供熱潛力巨大，亟待進(jìn)行供熱改造提升全廠機(jī)組供熱能力，提高全廠6臺(tái)機(jī)組盈利能力和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

（2）電廠1、2號(hào)機(jī)組設(shè)計(jì)工況下，單臺(tái)機(jī)組廠用汽抽汽量：再熱器冷段抽汽量60 t/h，抽汽參數(shù)為3.761 MPa、275 ℃;再熱器熱段抽汽量80 t/h，抽汽參數(shù)為3.366 MPa、540 ℃;五段抽汽量30 t/h，抽汽參數(shù)為0.3987 MPa、250 ℃;六段抽汽量96 t/h，抽汽參數(shù)為0.1982 MPa、175 ℃。3、4號(hào)機(jī)組設(shè)計(jì)工況下，單臺(tái)機(jī)組廠用汽抽汽量：四段抽汽量30 t/h，抽汽參數(shù)為0.7995 MPa、31 ℃;六段抽汽量60 t/h，抽汽參數(shù)為0.3088 MPa、218 ℃。5、6號(hào)機(jī)組設(shè)計(jì)工況下，單臺(tái)機(jī)組廠用汽抽汽量：再熱器冷段抽汽量60 t/h，抽汽參數(shù)為4.2 MPa、311 ℃;四段抽汽量80 t/h，抽汽參數(shù)為1.003 MPa、355 ℃;五段抽汽量30 t/h，抽汽參數(shù)為0.375 MPa、38 ℃。

（3）該廠經(jīng)過供熱改造的技術(shù)對(duì)比，最終確定以汽輪機(jī)切缸改造作為技術(shù)路線。在以汽輪機(jī)切缸改造作為技術(shù)路線的同時(shí)，結(jié)合實(shí)際的供熱需求以及不同參數(shù)的汽輪機(jī)在切缸運(yùn)行后的經(jīng)濟(jì)型對(duì)比，最終確定對(duì)中壓缸排汽參數(shù)最低的1、2號(hào)機(jī)組進(jìn)行切缸供熱改造，以此獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。以下對(duì)1、2號(hào)機(jī)組低壓缸零出力供熱技術(shù)的主要內(nèi)容及改造方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

低壓缸零出力供熱技術(shù)在低壓缸高真空運(yùn)行條件下，采用可完全密封的液壓蝶閥切除低壓缸原進(jìn)汽管道進(jìn)汽，通過新增旁路管道通入少量的冷卻蒸汽，用于帶走切除低壓缸進(jìn)汽后低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的鼓風(fēng)熱量。

（4）根據(jù)低壓缸零出力供熱技術(shù)運(yùn)行需求，改造將新增可完全密封的液壓蝶閥，液壓蝶閥接口尺寸與改造后中低壓連通管規(guī)格保持一致。在每臺(tái)機(jī)組的低壓缸兩根進(jìn)汽母管上分別安裝低壓缸進(jìn)汽蝶閥，在新增低壓缸進(jìn)汽蝶閥前引出冷卻蒸汽至低壓缸進(jìn)汽口，用于冷卻低壓缸末級(jí)葉片，在原聯(lián)通管上低壓缸進(jìn)汽蝶閥前、后開口，低壓缸進(jìn)汽蝶閥前開口位置取在供熱抽汽管道上，低壓缸進(jìn)汽蝶閥后開口位置分別取在機(jī)組低壓缸進(jìn)汽口處，通過冷卻蒸汽旁路管道相連接并增加相關(guān)監(jiān)視測(cè)點(diǎn)。

（5）為滿足低壓缸零出力運(yùn)行要求，新增低壓缸進(jìn)汽蝶閥選用可完全密封的液控三偏心硬密封快關(guān)調(diào)節(jié)型蝶閥，蝶閥要求雙向密封。每臺(tái)機(jī)組新增低壓缸進(jìn)汽蝶閥執(zhí)行器為單油缸加碟簧形式，執(zhí)行器零壓狀態(tài)為閥門全開狀態(tài)，執(zhí)行器配備蓄能器，在控制油中斷的情況下閥門能夠進(jìn)行保位功能，執(zhí)行器需有機(jī)械限位裝置。新增供熱管道調(diào)整蝶閥執(zhí)行器為單油缸加碟簧形式，執(zhí)行器零壓狀態(tài)為閥門全關(guān)狀態(tài)，執(zhí)行器配備蓄能器，在控制油中斷的情況下閥門能夠進(jìn)行保位功能。每臺(tái)機(jī)組設(shè)置兩根抽汽管道，每根抽汽管道上設(shè)置供熱快關(guān)蝶閥、逆止閥、電動(dòng)截止閥、安全門等設(shè)備。每臺(tái)機(jī)組的所有油動(dòng)執(zhí)行器均為非轉(zhuǎn)動(dòng)執(zhí)行器，所有油動(dòng)機(jī)且共用一套液壓供油單元，液壓?jiǎn)卧饔捅眠x擇定壓-變流泵，系統(tǒng)壓力維持穩(wěn)定的14±0.5 MPa運(yùn)行壓力，油泵一運(yùn)一備，配獨(dú)立的濾油系統(tǒng)、冷卻/加熱系統(tǒng)，所有控制系統(tǒng)接入DCS。

（6）對(duì)于抽汽和供熱管道蝶閥執(zhí)行器的選擇有4種方式：電動(dòng)執(zhí)行器、雙油缸執(zhí)行器、單油缸+圓柱簧執(zhí)行器、單油缸+蝶形彈簧執(zhí)行器。機(jī)組抽汽供熱改造的供熱蝶閥、低壓缸進(jìn)汽關(guān)斷蝶閥，除具有抽汽調(diào)整功能外，還需在機(jī)組跳閘時(shí)進(jìn)行快速動(dòng)作（供熱蝶閥快速關(guān)閉、低壓缸進(jìn)汽蝶閥快速開啟）。

根據(jù)此要求，供熱蝶閥的執(zhí)行器不選擇電動(dòng)執(zhí)行器。對(duì)雙油缸執(zhí)行器、單油缸+彈簧執(zhí)行器，雙油缸執(zhí)行器通過改變卸荷閥的口徑，雖能夠?qū)崿F(xiàn)短時(shí)（0.5～1.5 s）快速關(guān)閉功能，但調(diào)速系統(tǒng)閥門關(guān)閉的最短時(shí)間要求均小于0.3 s。使用雙油缸執(zhí)行器還存在以下缺陷：

①只為了響應(yīng)關(guān)閉時(shí)間要求，使得雙油缸執(zhí)行器卸荷閥口徑過大，降低了卸荷閥嚴(yán)密性的保證，在運(yùn)行期間的閥門調(diào)整穩(wěn)定性差，閥門出現(xiàn)擺動(dòng)問題。

②雙油缸執(zhí)行器的動(dòng)作均建立在油系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、系統(tǒng)有足夠安全余量的蓄能器儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上，油站存在多種因素都可能導(dǎo)致失去油壓的情況（如：油泵故障、系統(tǒng)泄漏、蓄能器泄漏、電源失去等原因），配備蓄能器數(shù)量不足、蓄能器壓力不足、蓄能器皮囊泄漏等原因，均會(huì)使雙油缸執(zhí)行器不能穩(wěn)定運(yùn)行，在機(jī)組跳閘時(shí)，供熱蝶閥不能快速的嚴(yán)密關(guān)閉，汽輪機(jī)將發(fā)生超速事故。

③機(jī)組抽汽供熱改造的供熱蝶閥、低壓缸進(jìn)汽關(guān)斷蝶閥的作用與汽輪機(jī)的主汽門、調(diào)門的作用是相同的，均需要在機(jī)組故障期間快速動(dòng)作。汽輪機(jī)的主汽門、調(diào)門均使用單油缸形式，目的是確保在汽輪機(jī)跳閘時(shí)，閥門均能依靠彈簧力使閥門可靠的快速關(guān)閉?，F(xiàn)300 MW以上汽輪機(jī)的主汽門、調(diào)速汽門均沒有采用雙油缸形式的執(zhí)行器。根據(jù)機(jī)組主汽門、調(diào)門的執(zhí)行器選型和雙油缸執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)力的安全、穩(wěn)定、可靠性分析，供熱蝶閥的執(zhí)行器選擇單油缸+彈簧執(zhí)行器要優(yōu)于選擇雙油缸執(zhí)行器。

對(duì)圓柱彈簧、蝶形彈簧比對(duì)分析。圓柱形彈簧在長(zhǎng)期頻繁運(yùn)行后，會(huì)出現(xiàn)疲勞松弛，導(dǎo)致彈簧與套筒發(fā)生碰摩。長(zhǎng)期運(yùn)行后，一旦發(fā)生斷裂，整個(gè)彈簧就會(huì)失效。圓柱形彈簧發(fā)生斷裂時(shí)，閥門無法動(dòng)作。蝶形彈簧是根據(jù)閥門力矩要求，進(jìn)行單片累加，長(zhǎng)期運(yùn)行疲勞后，不會(huì)發(fā)生松弛變形。如使用蝶形彈簧，當(dāng)?shù)螐椈捎幸黄l(fā)生斷裂，不會(huì)導(dǎo)致彈簧組整體失效，只能使執(zhí)行器動(dòng)作時(shí)間有所增長(zhǎng)，不存在閥門無法動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)。蝶形彈簧相比較圓柱形彈簧有更大的彈簧力，在相同閥門力矩的要求下，蝶形彈簧較圓柱彈簧的尺寸縮短1/3以上。執(zhí)行器的長(zhǎng)度縮短，能夠有效減少汽流沖擊閥門時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波在執(zhí)行器及系統(tǒng)的最遠(yuǎn)端放大效果，有效降低執(zhí)行器端部油管活接處振動(dòng)，避免和較少管路活接的松動(dòng)，降低滲漏風(fēng)險(xiǎn);降低由于執(zhí)行器的振動(dòng)引起的的管道振動(dòng)疊加。但碟形彈簧也有缺陷，如果閥門閥桿漏出的蒸汽長(zhǎng)期直吹碟簧片，碟形彈簧會(huì)發(fā)生脆性斷裂。因此碟形彈簧桶應(yīng)避開閥桿漏汽的直吹。

（7）低壓缸末級(jí)葉片抗水蝕金屬耐磨層噴涂處理。小容積流量工況運(yùn)行時(shí)，低壓缸末兩級(jí)處于鼓風(fēng)工況運(yùn)行，導(dǎo)致低壓缸末兩級(jí)后溫度和低壓排汽缸溫度升高，為降低低壓排汽缸溫度，需要持續(xù)投入噴水減溫，維持低壓排汽缸溫度在安全范圍內(nèi)。而小容積流量條件下，末級(jí)葉片出現(xiàn)的渦流會(huì)卷吸減溫水至動(dòng)葉流道，加劇動(dòng)葉出汽邊根部區(qū)域水蝕情況，威脅機(jī)組安全運(yùn)行。

對(duì)低壓缸末級(jí)葉片實(shí)施金屬耐磨層噴涂處理。采用TA粉（NiCr金屬陶瓷粉末）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)超音速火焰噴涂防護(hù)處理，粉末粒度為250～350目。涂層結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)70 MPa;涂層硬度為HV300=600～900;涂層孔隙率≤2%;噴涂顆粒平均粒度3.32 μm，涂層表面均勻、細(xì)密;噴涂時(shí)工件的溫度較低，葉片不會(huì)出現(xiàn)變形;噴涂厚度為0.10～0.20 mm。

2 輔機(jī)適配性改造

2.1 冷卻塔

當(dāng)機(jī)組處于低壓缸零出力狀態(tài)時(shí)，低壓缸的進(jìn)汽量主要為冷卻蒸汽及給水泵小機(jī)排汽，此時(shí)凝汽器熱負(fù)荷遠(yuǎn)低于正常運(yùn)行工況，凝汽器出口水溫過低，極寒天氣下可能會(huì)導(dǎo)致冷卻塔結(jié)凍。因此建議機(jī)組在零出力運(yùn)行狀態(tài)下，機(jī)組循環(huán)冷卻水不上塔，直接排入冷卻塔集水池，并在冷卻塔進(jìn)風(fēng)口配置擋風(fēng)板。

若兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)處于低壓缸零出力運(yùn)行模式，可將兩臺(tái)機(jī)組循環(huán)水母管制運(yùn)行，單臺(tái)低速循環(huán)水泵運(yùn)行，形成兩機(jī)一泵（循環(huán)水泵低速）一塔的運(yùn)行配置模式，循環(huán)水均不上塔，利用冷卻塔集水池自然散熱即可滿足要求。

2.2 凝結(jié)水泵及凝結(jié)水系統(tǒng)

機(jī)組低壓缸零出力運(yùn)行工況下凝結(jié)水流量較少，理論上通過開啟凝結(jié)水再循環(huán)及關(guān)小除氧器上水調(diào)門等措施可以滿足凝結(jié)水泵安全運(yùn)行需求，但存在一定的經(jīng)濟(jì)性損失。

電廠供熱改造的熱網(wǎng)側(cè)設(shè)置疏水冷卻器，疏水溫度回收后回流至凝汽器，可保證低壓缸零出力運(yùn)行時(shí)凝結(jié)水泵正常運(yùn)行，不需要對(duì)凝結(jié)水泵及凝結(jié)水系統(tǒng)進(jìn)行改造。

3 結(jié)束語

通過選擇高效的、靈活的大型火電機(jī)組供熱改造方式，能夠大幅度增加火電機(jī)組靈活運(yùn)行方式。在設(shè)備選型時(shí)，充分考慮機(jī)組運(yùn)行的安全性和供熱的安全性，能為供熱改造的成功提供有效的技術(shù)保障，使設(shè)備在后期運(yùn)行期間的安全性、經(jīng)濟(jì)性得到有效提升。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳曉利，高繼錄，鄭飛，等.多種深度調(diào)峰模式對(duì)火電機(jī)組性能影響分析[J].熱能動(dòng)力工程，2020，35（12）：26-30.

[2] 戈志華，孫詩(shī)夢(mèng)，萬燕，等.大型汽輪機(jī)組高背壓供熱改造適用性分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2017，37（11）：3216-3222.

[3] 趙毅丹.城市集中供熱的發(fā)展及面臨的問題[J].山東工業(yè)技術(shù)，2014（23）：263.

[4] 薛維東.電控液動(dòng)執(zhí)行器的液壓試驗(yàn)裝置[J].液壓與氣動(dòng)，2002（4）：17-18.