660 MW超临界直接空冷机组供热改造可行性研究

王智刚

（河北国华定洲发电有限责任公司，河北 保定 071003）

660 MW超临界直接空冷机组供热改造可行性研究

王智刚

（河北国华定洲发电有限责任公司，河北 保定 071003）

随着空气质量下降，国家对环保越来越重视。逐渐取消地方供热小锅炉，采用大型节能环保锅炉或者由发电厂锅炉进行供热已成为必然趋势，其中热电联产是节能和环保的重要途径之一。文中详细说明660 MW超临界直接空冷机组供热改造前期可行性，重点阐述供热改造难点、改造方案、抽汽控制以及空冷岛防冻等，并对机组轴向推力进行计算和校核，为同类型机组的供热改造提供参考。

汽轮机；供热改造；安全性

河北国华定洲发电有限责任公司二期机组为2 ×660 MW空冷汽轮发电机组，于2009年投产并进入商业运行，设计寿命为30年。为响应国家节能减排相关政策，同时应对目前火力发电企业发展要求以及地方冬季供热需要，决定进行供热改造，替代原有的小型低效率供热锅炉，每年11月15日至次年3月15日以热电联产方式运行。汽轮机型号为CLZNK660－24.2／566／566，采用超临界参数、一次中间再热、双缸双排汽、单轴、直接空冷抽汽凝汽式，具体参数如表1所示。

1 机组供热改造方式

a.降低汽轮机凝汽器的真空，提高低压缸的排汽温度，将凝汽器的循环水直接作为采暖用水为热用户供热，实现汽轮机低真空循环水供暖［1］。

b.将汽轮机的转子和汽缸全部更换，将凝汽式机组改为供热式机组。

表1 汽轮机主要参数

c.利用压力匹配器（蒸汽喷射压缩器）将高于抽汽压力和低于抽汽压力的2种蒸汽进行混合，以满足供热抽汽压力的要求［2］。

d.由于凝汽式汽轮机结构布置和轴尺寸的限制，通常在汽缸上设有非调整抽汽口，利用抽汽加热凝结水。采暖抽汽口采取对称方式布置，以便使汽流在汽缸内对称流动。开孔尺寸根据抽汽参数、抽汽量和蒸汽流速确定。

e.对现有机组进行改造，在汽轮机高、中压缸或中、低压导汽管上开孔抽汽（或更换中、低压连通管），作为抽汽汽源［3］。

2 改造方案难点分析

a.厂房内供热系统的布置方式受机组结构和抽汽参数限制，抽汽口只能布置在中、低压连通管之间。连通管调节蝶阀位于中压缸侧，会给液压传动系统和抽汽管道布置带来困难。因此，改造工作需根据现有场地情况来确定热网站的设备选型及管路布置方式［4］。

b.机组甩负荷后的动态特性发生变化，安装供汽管路后，改变了蒸汽系统的容积时间常数，机组调节系统的动态特性也相应改变。因此，要求新设立的抽汽快速调节阀尽量靠近抽汽口布置，并设置开关调节阀门，降低机组甩负荷后超速的可能性。

c.机组运行经济性降低，连通管上安装快开调节蝶阀后，存在一定压损，会影响机组在凝汽工况下运行的经济性。

d.热、电负荷的协调机组改造为供热机组后，通常采用以热定电的方式运行，运行中需考虑热、电负荷间的协调问题。

e.汽轮机低压缸的通流性能在满足供热要求的同时，必须考虑低压缸长期低负荷下末级、次末级叶片在低流量系数下的安全性，并根据允许的流量系数来确定最大供汽量和最小冷却流量。

3 机组改造方案确定与实施

3.1 汽轮机本体改造

通过对各种方案的经济性对比，决定更换中、低压缸连通管，将中、低压缸连通管水平段标高提高900 mm，在垂直管段上安装连通管抽汽压力调节阀，如图1所示。在连通管上的中压缸上部立管处向外引出1根D900 mm×20 mm抽汽管道，作为供热汽源，抽汽管道自连通管引出后依次加装安全阀、逆止阀、调节抽汽阀（EV）、截止阀等设备，设备型号及数量如表2所示。供热母管尺寸为D900 mm×20 mm，质量为20 g，横向安装，并在供热母管下方增设浮动支架（包括弹簧支架、立柱组件等）。

图1 改造后的连通管示意图

表2 供热改造主机增加设备

3.2 抽汽系统控制策略

抽汽控制是通过调节连通管调节阀和抽汽调节阀来控制的，分为连通管压力控制和抽汽压力控制2部分。连通管压力控制是通过调节连通管压力调节阀的开度来控制中压缸排汽压力，在满足抽汽压力要求的同时，也保护中压通流叶片的安全性；抽汽压力控制是通过调节抽汽阀的开度来完成的。

中压缸排汽一部分经过连通管压力调节阀进入低压缸，另一部分经过抽汽阀和串联的抽汽逆止阀进入抽汽系统，中压缸排汽压力为P1，低压缸进口压力为P2，抽汽系统进口压力为P3。用抽汽调节阀来控制抽汽系统的进口压力P3，使其等于设定值。为确保改造抽汽机组的安全稳定性能，本机组采用双阀调节模式，即在连通管及调整抽汽口上分别设有压力调节阀。连通管压力调节阀采用弹簧开启、油压关闭控制方式的优质蝶阀，并设有可调节的最小流量机械限位装置，当阀门关闭时，保证最小流量通过，确保运行稳定性，抽汽阀门及管道布置如图2所示。

图2 抽汽管道布置示意图

当机组在纯凝汽工况运行时，连通管压力调节阀全开，抽汽调节阀全关，如要投入供热工况运行，必须先判断是否具备投入条件。当该段压力小于规定值时，若要投入抽汽，必须先投入连通管压力控制，保证中压缸排汽压力不低于设定值，然后再投入抽汽压力控制；如果该段压力大于规定值时，仍须先投入连通管压力调节阀控制，保证中压缸排汽压力不低于设定值，再投入抽汽管上的压力调节阀进行控制。投入抽汽工况，连通管压力调节阀全开后，当进口压力≤设定压力时，抽汽阀不得再开，机组须加负荷后，方可再加大抽汽量。

3.3 抽汽工况下中压末级、次末级动叶强度及安全性

电厂660 MW汽轮机在高压调门全开（VWO）工况的最大出力达735 MW，说明汽轮机具有较强的通流能力。当采取抽汽供热时，将会导致汽轮机高、中压缸蒸汽流量增加，同时低压缸蒸汽流量相对减少。以弗留格尔公式为基础，根据汽轮机高、中压缸通流级段的流量变化状况，对汽轮机高、中压缸最末几个压力级承担的蒸汽压降、焓降进行核算，得知均在安全范围内。

另外，经过校核计算得出，汽轮机能够承受的轴向推力等方面的变化，不需要任何改造，只需在机组运行期间加强对推力瓦块的温度监视，中压末级、次末级叶片为加强型设计，大大增加了叶片的抗弯模量，从而减小叶片蒸汽弯应力，保证叶片的动强度要求［5－6］。同时采用承载能力较强的枞树型叶根，以保证叶根和轮缘的强度。

3.4 冬季工况下低压缸防冻措施实施

当ACC系统装设2列蒸汽隔离阀门，在环境温度不低于－20.3℃，且机组启动后系统的进汽量在开机2 h内达到467.5 t／h，即能确保凝汽管束不结冻。

3.5 机组轴向推力校核

该机组由单流高压缸、单流中压缸和双流低压缸组成。调节级为顺流布置，与高压缸汽流方向一致，低压缸为双分流布置，推力相互抵消，自然平衡。高、中压缸轴封左右对称，推力自然平衡。因此，推力平衡仅为高、中压缸的推力及高、中、低压平衡鼓之间的平衡，推力分布如图3所示。

图3 高、中压转子推力分布

汽轮机轴向推力由以下7个推力单元组成：

a.调节级推力

式中 A0——调节级面积，m2；

P0——调节级前压力，Pa；

P1——调节级后压力，Pa。

b.高压平衡鼓推力

式中 A1——高压平衡鼓面积，m2；

P12——高排压力，Pa。

c.中压平衡鼓推力

式中 A2——中压平衡鼓面积，m2；

P21——中压第1级喷嘴出口压力，Pa。

d.低压平衡鼓推力

式中 A3——低压平衡鼓面积，m2；

P22——中排压力，Pa。

e.高压第1段轴封推力

式中 A4——高压第1段轴封面积，m2；

Psg——轴封至汽封调节站压力，Pa。

f.中压第1段轴封推力

式中A5为中压第1段轴封面积，m2。

g.通流部分推力

通流部分推力包括高压缸通流部分推力FHP、中压缸通流部分推力FIP和低压缸通流部分推力FLP3个部分。

总推力：

推力计算结果如表3所示。

表3 推力计算结果

机组配用金斯伯里可倾瓦推力轴承，由计算结果可知，机组在抽汽工况下，轴向推力与轴承比压均在允许范围内，满足推力轴承安全性要求［7］。

4 结束语

660 MW超临界直接空冷机组供热改造技术上较为成熟，安全性也能够得到保证，改造过程在运行中比较容易实现。在额定供热工况下，供电煤耗可降低10 g／kWh，年可节约标煤量超过6万t，有效降低发电成本，提高企业经济效益。逐渐取消地方供热小锅炉，会减少能源消耗，节省煤炭资源，提高能源利用率，同时，减少污染物排放量，提高城市环境质量，为实现节能减排目标做出贡献。

［1］杨圣春.凝汽发电机组的供热改造方法研究［J］.电力学报，2011，26（4）：357－360.

［2］曹桂娟.高、中压供热机组联合循环技术特点及经济环境、效益分析［J］.东北电力技术，1999，20（11）：39－42.

［3］赵立军.凝汽式汽轮机组的供热改造［J］.节能技术，2001，19（2）：37－38.

［4］戴日俊，程海涛.300 MW直接空冷汽轮机组供热改造［J］.内蒙古电力技术，2011，29（2）：35－37.

［5］邓 楠，吴细毛，刘景春.800 MW汽轮机叶片断裂原因分析［J］.东北电力技术，2010，31（5）：8－12.

［6］郭 力.汽轮机叶片—叶轮系统耦合振动研究［J］.东北电力技术，1998，19（12）：1－4，9.

［7］林闽城.300 MW直接空冷汽轮机组供热改造［J］.浙江电力，2010，42（3）：40－43.

Feasibility Study on Heating Transformation of 660 MW Supercritical Direct Air Cooling Unit

WANG Zhi⁃gang
（Hebei Guohua Dingzhou Power Co.，Ltd.，Baoding，Hebei 071003，China）

With the air quality deteriorated，more and more attention is paid to environmental protection in our country.Small heating boilers are canceled，while large energy conservation and environmental protection boiler heating are applied，it becomes an inevitable trend.Cogeneration is one of the most important ways of energy saving.This paper discusses the prefeasibility study of the heating transformation of 660 MW supercritical direct air cooled unit in detail，Focus on the difficulties，retrofit scheme，steam and air cool⁃ing antifreeze，and calculation and verification of unit axial thrust，reasonable suggestions are put forward，it provides some references for the same type of heating transformation.

Steam turbine；Heating transformation；Safety

TM621

A

1004－7913（2015）12－0020－03

王智刚（1982—），男，硕士，工程师，主要从事汽轮机检修管理工作。

2015－05－04）