調(diào)峰機制下供熱汽輪機中壓調(diào)門調(diào)節(jié)特性試驗研究

王志云，趙玉柱，王學棟*，張元舒

（1.包頭東華熱電有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 包頭市 014000；2.華電電力科學研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

0 引言

在“2030碳達峰、2060碳中和”的“雙碳”目標提出后，國家對燃煤污染物排放的要求越來越嚴格，能源行業(yè)和地方政府也嚴格控制燃煤消耗總量和燃煤污染物排放量。面對百年未有之大變局，碳中和作為統(tǒng)籌國內(nèi)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展與全球應對氣候變化協(xié)同共贏的發(fā)展戰(zhàn)略，引導經(jīng)濟發(fā)展動力由資源依賴轉(zhuǎn)向技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)能源安全、經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善，是我國未來能源、電力行業(yè)綠色低碳發(fā)展的重大目標。在此形勢下，新能源發(fā)電技術(shù)快速提升的同時，新能源發(fā)電裝機容量得到大幅度提高。

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和居民生活水平的提高，燃煤機組供熱量逐年增加，小容量供熱機組和分散供熱源被大容量熱電聯(lián)產(chǎn)機組逐步替代，也有大容量純凝機組改造為熱電聯(lián)產(chǎn)機組以滿足用戶各種參數(shù)的供熱需求，在供熱質(zhì)量和數(shù)量雙提升的同時，降低了燃料消耗總量和污染物排放量，達到節(jié)能減排的目的。

目前，供熱機組的類型、容量、供熱方式、供熱參數(shù)差別很大。采暖供熱方式包括抽汽供熱[1-2]、低壓缸光軸供熱[3]、低壓缸切缸供熱[4-7]、低壓缸高背壓循環(huán)水供熱[8-11]、空冷機組低壓缸排汽供熱等。對于工業(yè)抽汽的熱電聯(lián)產(chǎn)機組，特別是技改型熱電聯(lián)產(chǎn)機組，由于用戶參數(shù)較高且差別較大，為了滿足用戶需要，抽汽汽源千差萬別，包括高壓缸排汽管道抽汽、中壓缸進汽管道抽汽、中低壓缸連通管打孔抽汽等多種形式[12-17]，機組在供熱工況下呈現(xiàn)不同的運行狀態(tài)，而且為了消納新能源發(fā)電量，供熱機組也需要參與調(diào)峰，導致供熱抽汽參數(shù)變化較大，達不到用戶要求時，需要切換汽源，或者利用壓力適配器來調(diào)整供汽參數(shù)。

機組對外供采暖抽汽和工業(yè)抽汽，在節(jié)能減排的同時提高了機組的經(jīng)濟性，但是給機組運行帶來不穩(wěn)定因素。本文通過試驗研究了300 MW等級機組利用再熱蒸汽管道實現(xiàn)抽汽擴容改造，在抽汽量較大、供汽參數(shù)需求較高時中壓調(diào)門參與調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)特性，對機組高、中壓缸運行性能的影響，以及中壓調(diào)門調(diào)節(jié)工業(yè)抽汽流量的運行方式對機組經(jīng)濟性、安全性的影響，為同類型機組的供熱改造提供重要參考。

1 汽輪機技術(shù)規(guī)范與供熱系統(tǒng)

1.1 汽輪機技術(shù)規(guī)范

某300 MW等級汽輪機組型號為C312/305-16.67/0.5/538/538，型式為亞臨界、一次中間再熱、高中壓合缸、雙缸、雙排汽、單軸、抽凝式汽輪機，采用一級調(diào)整供熱抽汽，汽輪機技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 汽輪機技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of steam turbine

1.2 再熱蒸汽管道抽汽供熱系統(tǒng)

機組原設(shè)計只帶采暖抽汽，為了滿足較高參數(shù)工業(yè)抽汽需要，2臺300 MW等級機組在再熱蒸汽管道上打孔抽汽，供熱抽汽經(jīng)減溫減壓后對外供汽，減溫水取自給水泵中間抽頭，電廠出口供熱抽汽參數(shù)為1.4 MPa、320℃，滿足廠外工業(yè)用戶用汽參數(shù)1.1~1.4 MPa、310~320℃的要求，單機設(shè)計最大抽汽流量為200 t/h，2臺機組的總抽汽量滿足當前最大瞬時流量的要求。2臺機組再熱管道抽汽匯成一根母管進入減溫減壓器，參數(shù)降低后對外供汽，系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

圖1 再熱蒸汽管道抽汽供熱系統(tǒng)簡圖Fig.1 Schematic diagram of extraction steam heating system of reheated steam pipe

2 機組供熱特性試驗

機組從再熱蒸汽管道上打孔抽汽，抽汽參數(shù)與機組負荷關(guān)系密切，在機組負荷低、抽汽量較大時，為了保證供汽參數(shù)滿足用戶要求，需要中壓調(diào)門參與調(diào)節(jié)，對高、中壓缸的做功能力和機組運行特性、機組軸系安全指標都有影響，因此在4號機組上進行中壓調(diào)門調(diào)節(jié)特性試驗。

2.1 試驗方法與試驗工況

基于機組當前電負荷和供熱抽汽量，依據(jù)機組負荷和供汽參數(shù)變化調(diào)整中壓調(diào)門開度。機組試驗電負荷為250 MW，供熱抽汽量約為50 t/h。試驗時，切除自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)及一次調(diào)頻，穩(wěn)定機組電負荷，主蒸汽流量、高壓調(diào)門開度等機爐主要運行參數(shù)，穩(wěn)定機組抽汽流量與補水流量，并調(diào)整補水流量與抽汽流量相同或相近，保持流量平衡以維持試驗期間機組單元制運行，除了對外供汽和補水外，4號機組與其他機組之間的汽水聯(lián)絡全部進行有效隔離。

2.2 中壓調(diào)門調(diào)整方法

調(diào)整機組協(xié)調(diào)運行方式為閥門模式，蒸汽參數(shù)由鍋爐控制并保持穩(wěn)定。手動控制關(guān)閉汽輪機中壓調(diào)門開度，100%至50%開度內(nèi)每次關(guān)閉5%，50%開度以下每次關(guān)閉3%，每次關(guān)閉中壓調(diào)門后，保持機組穩(wěn)定30 min以上，觀察相關(guān)參數(shù)的變化，根據(jù)變化幅度，在中壓調(diào)門開度分別為100%、50%、35%、30%和25%下進行試驗。

2.3 試驗參數(shù)測量

試驗時，主蒸汽壓力和溫度、高壓缸排汽壓力和溫度、再熱蒸汽壓力和溫度、中壓缸排汽壓力和溫度、抽汽母管壓力和溫度都換裝試驗表計測量，給水流量、過熱器和再熱器減溫水流量、工業(yè)抽汽流量和電廠對外供汽流量都采用機組運行表計測量，每個工況采集30 min以上穩(wěn)定運行的數(shù)據(jù)。

2.4 試驗參數(shù)控制

中壓調(diào)門調(diào)節(jié)特性試驗為機組非常規(guī)運行方式試驗，在參數(shù)調(diào)整和試驗期間應嚴密監(jiān)控機組各安全指標在制造廠給定的極限值以內(nèi)，保證機組安全運行。

2.4.1 各監(jiān)視段壓力、溫度

調(diào)節(jié)級壓力不大于13.23 MPa，調(diào)節(jié)級溫度不高于510℃；高壓缸壓比大于1.7，高壓缸排汽壓力不大于4.82 MPa；再熱蒸汽壓力小于3.702 MPa；高壓缸排汽溫度高于384℃時，應監(jiān)視再熱器管壁溫度不超限，高壓缸排汽溫度超過報警值404℃時，應立即停止試驗。

2.4.2 機組軸系安全指標

1）軸向位移。當軸向位移增至±0.20 mm時，應立即停止試驗；當軸向位移增至±0.6 mm時，應立即減負荷；維持軸向位移不超過±0.9 mm，當軸向位移增至±1.0 mm時，應立即破壞真空緊急停機。

2）推力瓦溫。當推力瓦溫升高至85℃或其上升速率大于2℃/min時，應立即停止試驗；當推力瓦溫升高至89℃時，應適當降負荷運行。

3）軸瓦溫度。當軸瓦溫度達到98℃或其上升速率大于2℃/min時，應立即停止試驗。

4）軸瓦、推力瓦回油溫度。當回油溫度升高至65℃或其上升速率大于2℃/min時，應立即停止試驗；當回油溫度升高至70℃時，應降負荷運行。

5）軸承振動。監(jiān)視并保持軸振動在報警值0.125 mm以內(nèi)。

6）脹差。當脹差增加超過1 mm時，應立即停止試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

3.1.1 熱力性能試驗結(jié)果

機組250 MW工況下中壓調(diào)門調(diào)節(jié)特性試驗結(jié)果見表2。

表2 機組250MW工況下熱力性能試驗結(jié)果Tab.2 Thermal performance test results under 250 MW condition

3.1.2 機組軸系安全指標

試驗過程中，隨著中壓調(diào)門開度減小，機組軸系軸瓦溫度、軸瓦回油溫度、軸向位移、脹差等安全指標都在安全運行范圍內(nèi)。250 MW工況下，測量各軸瓦振動數(shù)據(jù)見表3。

由表3中試驗結(jié)果得知，高中壓轉(zhuǎn)子1X和2X軸振偏大，振動分量以一倍頻為主，表明高中壓轉(zhuǎn)子存在一定的機械不平衡，同時高調(diào)門開啟順序?qū)Ω咧袎恨D(zhuǎn)子的振動有一定影響；中壓調(diào)門流量特性試驗期間，軸位移、缸脹、脹差、軸瓦溫度等參數(shù)保持穩(wěn)定，變化不大。

表3 250 MW工況下各軸瓦振動數(shù)據(jù)Tab.3 Vibration data of each bearing under 250 MWcondition

3.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)表2試驗結(jié)果，分析機組供熱改造后中壓調(diào)門參與調(diào)節(jié)時，中壓調(diào)門開度與高壓缸、中壓缸參數(shù)及供熱參數(shù)之間的關(guān)系。

3.2.1 中壓缸進汽流量

隨著中壓調(diào)門開度的減小，中壓缸進汽流量逐步降低，再熱蒸汽壓力逐漸升高，其特性曲線如圖2所示?？梢钥闯觯?50 MW工況下，當中壓調(diào)門開度由99.01%降至24.97%時，中壓缸進汽流量由615.20 t/h降至602.76 t/h，再熱蒸汽壓力由2.75 MPa升至3.44 MPa。

圖2 再熱蒸汽壓力、中壓缸進汽流量與中壓調(diào)門開度特性曲線Fig.2 Characteristic curves of reheated steam pressure,intermediate pressure cylinder inlet flow and intermediate pressure regulating valve opening

3.2.2 高壓缸壓比與高壓缸排汽溫度

隨著中壓調(diào)門開度的減小，高壓缸效率稍有降低，變化范圍為75.80%~77.00%，變化不大，但當中壓調(diào)門開度低于30%時，高壓缸蒸汽焓降和高壓缸效率明顯降低。隨著中壓調(diào)門開度的減小，高壓缸排汽壓力逐步增加，高壓缸壓比逐漸減小，其最大值為3.13，最小值為2.65；高壓缸排汽溫度隨中壓調(diào)門開度的減小而升高，其最高溫度為331.76℃，最低溫度為312.97℃。圖3為高壓缸壓比隨中壓調(diào)門開度變化的特性曲線。

圖3 高壓缸壓比與中壓調(diào)門開度特性曲線Fig.3 Characteristic curve of high pressure cylinder pressure ratio and intermediate pressure regulating valve opening

3.2.3 中壓缸效率

隨著中壓調(diào)門開度的減小，中壓缸蒸汽焓降變化不大，但中壓缸效率逐漸降低。在250 MW工況下，當中壓調(diào)門開度從99.01%降至24.97%時，中壓缸效率從93.37%降至84.78%。中壓缸效率與中壓調(diào)門開度的特性曲線如圖4所示。

圖4 中壓缸效率與中壓調(diào)門開度特性曲線Fig.4 Characteristic curve of intermediate pressure cylinder efficiency and intermediate pressure regulating valve opening

3.2.4 機組負荷與監(jiān)視段壓力

由表2試驗結(jié)果得知，在主蒸汽流量保持不變的前提下，隨著中壓調(diào)門開度逐漸減小，再熱汽管道供熱抽汽量基本不變，高壓缸蒸汽焓降和中壓缸蒸汽焓降變化不大，但一段抽汽壓力、高壓缸排汽壓力增加，1號、2號高加回熱抽汽量增加，中壓缸進汽流量逐步降低，導致機組高、中壓缸做功量減小，機組電負荷降低9.79 MW。機組負荷和中壓調(diào)門開度的特性曲線如圖5所示。由于控制機組主蒸汽流量和主汽調(diào)門開度不變，中壓調(diào)門開度減小過程中，調(diào)節(jié)級后壓力稍有增加，一段抽汽壓力和高壓缸排汽壓力增加明顯，三段、四段抽汽壓力基本保持不變。

圖5 機組負荷與中壓調(diào)門開度特性曲線Fig.5 Characteristic curve of unit power load and intermediate pressure regulating valve opening

3.2.5 給水泵汽輪機

由表2試驗結(jié)果可知，在250 MW工況下，隨著中壓調(diào)門開度逐漸減小，四段抽汽壓力變化不大，給水泵汽輪機低壓調(diào)門開度變化不大，表明給水泵汽輪機的運行工況比較穩(wěn)定，中壓調(diào)門的調(diào)整對給水泵汽輪機的安全運行沒有影響。

3.3 再熱蒸汽管道供熱抽汽能力

試驗時由于用戶用汽量限制，在250 MW工況下，再熱汽管道供熱抽汽量為52.20~53.94 t/h。當中壓調(diào)門最小開度為24.97%時，中壓缸進汽壓力為3.44 MPa，中壓缸進汽流量為602.76 t/h，再熱抽汽母管壓力為3.13 MPa。利用中壓調(diào)門參與調(diào)節(jié)，制造廠商限定的最大抽汽流量為200 t/h，中壓調(diào)門在調(diào)節(jié)時只能同時開關(guān)，且最低開度不能小于15%。在試驗和操作程序控制上，中壓調(diào)門同步動作的最低開度不小于20%，如要繼續(xù)增大抽汽量，則需對中壓調(diào)門進行改造，減小中壓調(diào)門的通流面積，但這需要考慮常年平均供熱抽汽量和機組常年平均運行負荷，或利用座缸閥調(diào)節(jié)機組高參數(shù)的供熱抽汽量。中壓座缸供熱調(diào)節(jié)閥設(shè)計無預啟閥結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)性能好，節(jié)流損失小，目前廣泛用于供熱壓力2.0~5.0 MPa可調(diào)節(jié)抽汽方案。

4 結(jié)論

研究了從再熱蒸汽管道抽汽供熱時汽輪機中壓進汽調(diào)門參與調(diào)節(jié)的運行特性，得到如下結(jié)論：

1）隨著中壓調(diào)門開度的減小，中壓缸進汽流量逐步降低，進汽壓力逐漸升高，在250 MW工況下，當中壓調(diào)門最小開度為24.97%時，中壓缸進汽壓力為3.44 MPa，中壓缸進汽流量達到602.76 t/h，機組高、中壓缸通流量和做功量減小，機組電負荷降低9.79 MW。

2）隨著中壓調(diào)門開度的減小，高壓缸排汽壓力逐漸增加，高壓缸壓比逐漸減小。

3）在中壓調(diào)門參與調(diào)節(jié)的初期，高壓缸效率稍有降低，變化不大，但中壓調(diào)門開度低于30%后，高壓缸效率明顯降低；隨著中壓調(diào)門開度的減小，中壓缸效率逐漸降低，當中壓調(diào)門開度從99.01%降至24.97%時，中壓缸效率從93.37%降至84.78%。