汽輪機低真空供熱改造技術(shù)探討

朱偉峰

（山東和光智慧能源科技有限公司，山東 濟南 250000）

當汽輪機在低真空狀態(tài)下工作時，即當發(fā)電時，會從燃燒的鍋爐中產(chǎn)生大量的過熱蒸汽，然后由汽輪機進行膨脹做功。但在實際操作中，渦輪只能夠?qū)?7%的熱量轉(zhuǎn)換為電能，其余的73%則會被循環(huán)水中所吸收，然后通過玻璃鋼冷卻塔排入大氣層，從而產(chǎn)生巨大的能耗。而且這些能量雖然龐大，但真正的熱量卻很少，一般情況下，它的溫度在350℃左右，沒有任何價值。在生產(chǎn)中，需要在較低的真空下，盡量將這些熱量集中起來，使其在冬天的時候能夠得到穩(wěn)定的供熱。

1 工程案例

某熱電廠目前擁有兩臺50MW機組，分別命名為3、4號機組，2臺WGZ2209.8-13型，70MW燃氣熱水鍋爐6臺，70MW燃氣熱水鍋爐2臺，70MW燃煤熱水鍋爐2臺，冬季供暖通過汽輪機0.196MPa抽汽和燃氣熱水鍋爐保證周邊供暖。由于地方發(fā)展的需要，4#50MW雙抽汽凝汽機機組已被改造成CB50-8.83/0.98 I/0.4型，以增加4#機組的供熱容量，只供暖季使用，不在供暖季節(jié)。本公司負責火力發(fā)電廠附近的供暖工作；面臨的問題是，在采暖期，一是無法滿足熱網(wǎng)用戶需求；二是供熱管網(wǎng)用戶數(shù)量從280th逐漸下降，供熱管網(wǎng)用戶逐年增長，缺口越來越大；三是燃氣采暖費用較高。為改善3#50MW機組的供熱容量和經(jīng)濟性，對3#50MW雙抽凝汽式汽輪機組進行了改造，并對其進行了通流改造，以改善其發(fā)電效率。改造方案為：整體導流級數(shù)為：1排調(diào)整級+8壓力級+1級轉(zhuǎn)動隔離級+4級壓力級+1級旋轉(zhuǎn)隔離級+2級壓力級，合計17級，比原來的級低了一個等級。（1）用南汽Z588的調(diào)整級代替單排調(diào)整級；（2）用南汽Z1106-10壓力級替代1～5級；（3）用南汽Z5927-9壓力等級6～8級；（4）保持恒定的中壓轉(zhuǎn)動隔離器的調(diào)整級。（5）用Z848第10～13壓力級來取代中壓轉(zhuǎn)動隔離件和低壓轉(zhuǎn)動隔離件調(diào)整段之間的4個壓力級；（6）用南汽Z715末級取代低壓轉(zhuǎn)動隔離段調(diào)整段后的3個壓力段；（7）此汽輪機單元的主要蒸汽流量經(jīng)過改裝后的最大值為380th。

另外，由于凝汽式蒸汽機原來的排汽都是在冷凝器內(nèi)進行的，所以冷凝器內(nèi)的蒸氣壓力和溫度都很低。在渦輪機的設計中，后氣缸材料一般是由鑄鐵制成，不能承受高的蒸汽排放。在低壓加熱系統(tǒng)中，由于凝汽器的垂直高度降低，使蒸汽的溫度升高，從而使汽輪機的后汽缸發(fā)生變形。所以，選用合適的低壓冷凝器，是保證機組安全運行的關鍵。

2 汽輪機低真空運行循環(huán)水供熱原理

在我國環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟發(fā)展的日益嚴格的形勢下，降低能源消耗；節(jié)能已成為各熱電廠日益迫切的需求與任務。優(yōu)先在城鎮(zhèn)或工業(yè)園區(qū)附近使用不超過15年的純凝汽輪機進行供暖改造，鼓勵采用技術(shù)改造的方式，使電廠的廢熱得到充分的回收，從而使供熱容量得到進一步的提升，以滿足新的熱負荷的需要。供熱改造要根據(jù)實際情況，采取先進的、適合的技術(shù)，如打孔抽氣、低真空供熱、循環(huán)水余熱利用等，鼓勵有條件的機組改造為背壓熱電聯(lián)產(chǎn)機組；同時，現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組改造后，將實現(xiàn)至2020年平均供電煤耗少于310g/kW·h，60x10g/kW·h及以上機組來說少于300g/kW·h。2020年，我國煤炭和熱電聯(lián)產(chǎn)占總裝機容量的28%。在汽輪機低真空工況下，采用循環(huán)水加熱，使蒸汽壓力升高，循環(huán)冷卻水出口溫度升高，采用循環(huán)水進行加熱，以降低汽輪的冷源損耗。循環(huán)熱水供暖是通過人工增加循環(huán)水溫度來增加機組的排汽壓力，使機組處于較低的真空狀態(tài)，從而導致機組的排汽溫度上升。在循環(huán)水溫度升高后，系統(tǒng)維持了一個穩(wěn)定的真空狀態(tài)，循環(huán)水所吸收的熱量不再經(jīng)冷卻塔排出，而是由熱網(wǎng)循環(huán)泵將其直接送至各個供熱用戶，用于住宅供暖。循環(huán)的水被輸送給加熱的使用者，然后被返回冷凝器進行吸收和循環(huán)，詳情見圖1。

3 技術(shù)方案分析

經(jīng)過詳細的供熱計算，需要供熱的面積達到700000m2。當采用汽輪發(fā)電機在低真空下進行循環(huán)熱水供暖時，由于總供暖面積較小，而且循環(huán)水量也較少，而渦輪機組的總進氣量是45t/h，當對凝汽器的真空進行測試時，它的內(nèi)部壓力是-0.079MPa，從而能夠?qū)U氣的溫度提高到56℃，從而能夠滿足用戶的供暖要求。在發(fā)電機當中，大部分都是采用了凝汽機，所以在對其進行改裝的時候，必須保證其結(jié)構(gòu)不會有任何的變化，所以，從安全和經(jīng)濟兩個角度來考慮。在45t/h的受控進氣量下，渦輪的最終功率為-200kW，在吹氣狀態(tài)下，由于干燥的摩擦，使排氣筒的表面溫度升高。另外，渦輪的末葉所承受的壓力也會增大，從而導致風力的方向發(fā)生變化，從而對發(fā)電機的整體安全和工作質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。但是，在這個影響因子中，不能定量地分析設備的使用壽命，所以要避免在這種情況下操作。其次，從渦輪的結(jié)構(gòu)來看，軸承座和后缸體是一個整體，所以當廢氣溫度升高時，發(fā)動機的動靜間隙就會產(chǎn)生很大的影響，導致發(fā)動機的動靜間隙產(chǎn)生很大的波動，從而導致發(fā)動機的運轉(zhuǎn)受到很大的影響。同時，由于廢氣的真實壓力值升高，也會引起廢氣的溫度；循環(huán)水中的溫度升高，需要在使用前對冷凝器進行強度修正，同時，對端板、人孔等進行適當?shù)膹娀?，確保排氣溫度低于80℃，防止換熱管道因受熱而膨脹。

4 改造過程具體實施

4.1 本體改造

原機組動葉片采用鉚接式，不僅通流不順，而且氣動性能較差。改造后，全部動刀片采用自帶環(huán)型整體連接，圍帶加工成內(nèi)斜外平結(jié)構(gòu)，根據(jù)流道的形狀進行平滑，動葉片根部和鄰近的靜葉根部和頂端也都進行了平滑處理，以減小流部的流場損耗。改進后的葉片結(jié)構(gòu)主要是通過改進的葉片結(jié)構(gòu)來達到：（1）采用新型的動、靜葉型，低壓力段動、靜葉采用先進的彎扭式結(jié)構(gòu)，葉型型線損耗較少；（2）針對動、靜兩排之間的相互干擾，對動、靜兩種結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了合理的匹配，從葉型、焓降、葉片數(shù)的選取，都進行了精密的計算，實現(xiàn)了一次高效的提升；（3）葉片前端的設計，使葉片對來流迎角的改變不那么敏感，在變工況下，可以有效地改善各個階段的工作效率；（4）大葉片最大厚度有利于葉片的風特性；（5）除單級葉片的計算與優(yōu)化，對不同工況下的葉片級進行多通道多級聯(lián)算，獲得包括全動靜擾動在內(nèi)的詳細流場特性，并采取相應的措施，改進整級和多級葉柵通道內(nèi)流，提高通流效率。這些特性使渦輪機在大的變工況下仍能保持高效，而且能有效地減小動葉片的振動強度，從而改善機組的安全性能。詳情見圖2。

圖2 抽凝式汽輪機組低真空供熱改造流程

本文著重研究了調(diào)整級動、靜葉和末級動葉的選擇，使調(diào)整級負載分布更合理，做功性能得到提高，而且葉片強度較原來的設計有較大的優(yōu)越性。末級動葉經(jīng)比較核算后選用適當?shù)母呷~片，以平衡冬季；夏季采用兩種不同的背壓運行方式，可有效地提高供暖初期的電力負荷。本文首先介紹了現(xiàn)代最早的折彎葉片設計技術(shù)；該方案主要是采用四維黏滯流動的設計思路，運用現(xiàn)代計算機技術(shù)和試驗流體力學技術(shù)，使葉片根部和頂端的端損量大大減小，從而提高了安全性和效率。氣缸內(nèi)部的通流子午面采用光順技術(shù)，使流體的附加損耗得到很大的降低。在減少葉柵損耗的同時，提高了葉片的強度，使通流段在變工況下仍能保持良好的熱特性。既可達到隔板剛度、強度要求，又可達到高空氣動力和頻率頻率的要求；總損失、型線損失和端部損失均明顯低于常規(guī)的葉片。

4.2 汽輪機試驗

首先，需要將改裝后的渦輪送到專業(yè)的維修機構(gòu)進行維修，并對最后一臺葉片進行檢測，并將所有的最后一臺葉片都替換掉，以保證最后一臺葉輪的平衡。在汽輪機的各個零件進行回裝時，需要對動靜間隙進行合理的優(yōu)化，保證軸承的間隙，并對其進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)，進行適當?shù)慕鈮海ζ溥M行一次全面的檢修，以防止在低真空工況下出現(xiàn)機組的振動。

4.3 凝汽器加固

因為在運轉(zhuǎn)時，廢氣的壓力會顯著升高，從而導致循環(huán)水中的壓力升高。為了保證其在使用過程中的安全性和穩(wěn)定性，要對其進行預先的檢查，確保其強度達到相關的要求。然后，在端板和人孔上做一些加固，這樣才能提高鋼筋的強度，而且凝汽器上的密封膠也要更換。

4.4 調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)化

在原發(fā)電機的低壓調(diào)速系統(tǒng)中，需要將錯油門、反饋機制和油動機協(xié)同工作，形成了一個伺服放大器。該裝置主要由調(diào)速器、電液轉(zhuǎn)換器、錯油門、反饋、油動機、調(diào)速氣閥組成。以及在調(diào)整負載時，它主要是通過提高功率反饋的方式來計算，然后將電子信號轉(zhuǎn)化為特定的液壓信號，

然后對漏門、反饋機構(gòu)進行控制，從而達到對油泵的作用，從而對調(diào)速器進行相應的控制，從而達到提高和減小蒸汽進入汽輪機量的目的。在該系統(tǒng)中，消除了對閥芯的調(diào)整，消除了對閥芯的反饋，消除了中間切換的過程，從而避免了在進行調(diào)整時可能發(fā)生的不穩(wěn)定問題。在新的變速系統(tǒng)中，油壓要調(diào)整到025～0.6MPa，而油缸的實際沖程是156mm。

對汽輪機的調(diào)速系統(tǒng)進行了重點改造，所以，在進行改裝時，要有一臺新型的伺服放大器，既不需要調(diào)整滑閥，也不需要調(diào)整滑閥，而是要用電液轉(zhuǎn)換器、高壓油、調(diào)整油路，才能在現(xiàn)場進行真正的改造。為了保證施工時更方便，需要采用大修的方式進行現(xiàn)場測量。因此，根據(jù)原前支承座的嚙合表面上的聯(lián)接螺栓的實際尺寸，并根據(jù)第七調(diào)速氣閥的連桿位置來決定。為了保證新設備的安全，在安裝的時候，要將老設備全部拆卸，而高壓油的處理，則是要通過主油泵的出口，將電液轉(zhuǎn)換器的節(jié)油管道給拆掉。

4.5 低真空供熱式汽輪機的運行方式

在機組改造后，運行模式發(fā)生了變化，供熱條件下的背壓、排汽溫度限值調(diào)節(jié)裝置被改造成高背壓供熱機組，由于排汽壓力、溫度升高，改造后的機組啟動運行限值將會發(fā)生變化，具體表現(xiàn)在以下2個方面：第一，調(diào)節(jié)裝置的背壓極限；第二，調(diào)節(jié)排氣溫度的極限。一種新型的低壓油缸在冬季和夏季使用。在排汽溫度高于85℃時，增設了一套新的噴水設備，當蒸汽溫度繼續(xù)上升時，當負荷較低時，應增加講汽量，以確保最后一臺風機的最小冷卻速度，以消除因最后一次吹氣引起的蒸汽升溫；若負載正常，則可能是循環(huán)水量不平衡所致，需加大循環(huán)水量以減少過剩熱量。若排氣溫度持續(xù)上升到120℃，應立即關掉電源，以解決問題。供暖條件下回熱系統(tǒng)發(fā)生了改變，在供暖季節(jié)由于工作壓力太小無法排出蒸汽，自動停機，剩余的低加正常運行。

5 改造后經(jīng)濟效益

針對目前電廠的實際工作情況，計算出了每小時4.6kgkW·h的發(fā)電功率消耗，11320kJ/kW·h，轉(zhuǎn)換成發(fā)電標準煤消耗386g/kW；由于機組中有大量的冷源損耗，其熱能利用率不到40%。經(jīng)過通流式和低直式供氣系統(tǒng)的改造，在季節(jié)進行了供暖，減少了冷源的損耗；汽輪發(fā)電機組的發(fā)電功率為4.0kg/kW，發(fā)電熱消耗為2829kJ/kW·h，發(fā)電標準煤消耗為98g/kW·h；在不考慮汽水損耗的情況下，機組的發(fā)電效率和熱能利用率均達100%。也就是說，主汽流量為200MW，上網(wǎng)電價為0.5元/kW·h，全年運行時間為8000h；改造前的電力負荷43.48MW，不計成本，經(jīng)濟效益17392萬元；該項目建成后，發(fā)電容量達50MW，經(jīng)濟效益達20億元；就電費而言，若不提高煤耗，則可多帶來2608萬元的經(jīng)濟效益；另外，有160t/h的乏汽潛熱可用于采暖，總熱量約352GJ/h，供暖季以3000h計算，其熱價為100元/GJ，可帶來10560萬元的經(jīng)濟效益。在改造完成前，可以將近60%的冷源損耗轉(zhuǎn)換成熱能，從而為電站帶來巨大的經(jīng)濟效益。

6 結(jié)語

通過對該工程的改造，在低真空工況下對其發(fā)電機汽輪機進行了實驗，采用循環(huán)水加熱，從而使冷源的損耗進一步地減少。在發(fā)電的時候，蒸汽可以最大限度地發(fā)揮水蒸氣的作用，這是一種非常有效的采暖方式，比起以前的小區(qū)采暖要便宜的多，而且還不會對周圍的環(huán)境造成太大的影響，是一種節(jié)能環(huán)保的采暖方式。