大型火电机组供热改造选型

马静波　汪广慧　李玉峰　郭鑫　冯琪

[摘    要]火力发电厂的冷端损失是电厂热力系统的最大能量损失，大量的汽轮机凝汽器余热通过不同的冷却设备排放至大气中。将汽轮机冷凝余热回收用于城市居民采暖供热，相当于在不增加电厂容量，不增加大气污染物排放，耗煤量和发电量都不变的情况下，扩大了热源的供热能力，提高了电厂的综合能源利用效率。

[关键词]采暖;供热技术;改造服

[中图分类号]TM621 [文献标志码]A [文章编号]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

目前采暖供热改造技术路线包括如下几个方式。针对供热机组供热和电调节能力提升改造的主要技术路线包括：热水储热供热改造、电锅炉供热改造、连通管打孔抽汽改造、汽轮机旁路供热改造、低压缸零出力改造、光轴供热改造、高背压供热改造等。

（1）以国内某知名电厂为例，电厂有6台机组，总装机容量为3400 MW。各机组情况如下：一期工程安装两台俄罗斯500 MW超临界机组，分别于1998年11月和1999年9月投产发电，后进行通流改造，改后机组型号为N550-23.54/540/540，设计工况下中压缸排汽量为1055 t/h，排汽压力为0.25 MPa，排汽温度为194 ℃;二期工程安装两台哈尔滨汽轮机厂生产的600 MW亚临界机组，分别于2007年和2008年投产发电，汽轮机型号为N600-16.7/538/538，设计工况下中压缸排汽量为1281 t/h，排汽压力为0.81 MPa，排汽温度为335 ℃;三期工程安装两台哈尔滨汽轮机厂生产的600 MW超临界机组，分别于2010年和2011年投产发电，汽轮机型号为CLN600-24.2/566/566，设计工况下中压缸排汽量为1197 t/h，排汽压力为1.03 MPa，排汽温度为365 ℃。全厂6台纯凝机组供热潜力巨大，亟待进行供热改造提升全厂机组供热能力，提高全厂6台机组盈利能力和运行经济性。

（2）电厂1、2号机组设计工况下，单台机组厂用汽抽汽量：再热器冷段抽汽量60 t/h，抽汽参数为3.761 MPa、275 ℃;再热器热段抽汽量80 t/h，抽汽参数为3.366 MPa、540 ℃;五段抽汽量30 t/h，抽汽参数为0.3987 MPa、250 ℃;六段抽汽量96 t/h，抽汽参数为0.1982 MPa、175 ℃。3、4号机组设计工况下，单台机组厂用汽抽汽量：四段抽汽量30 t/h，抽汽参数为0.7995 MPa、31 ℃;六段抽汽量60 t/h，抽汽参数为0.3088 MPa、218 ℃。5、6号机组设计工况下，单台机组厂用汽抽汽量：再热器冷段抽汽量60 t/h，抽汽参数为4.2 MPa、311 ℃;四段抽汽量80 t/h，抽汽参数为1.003 MPa、355 ℃;五段抽汽量30 t/h，抽汽参数为0.375 MPa、38 ℃。

（3）该厂经过供热改造的技术对比，最终确定以汽轮机切缸改造作为技术路线。在以汽轮机切缸改造作为技术路线的同时，结合实际的供热需求以及不同参数的汽轮机在切缸运行后的经济型对比，最终确定对中压缸排汽参数最低的1、2号机组进行切缸供热改造，以此获得最大的经济效益。以下对1、2号机组低压缸零出力供热技术的主要内容及改造方案进行详细说明。

低压缸零出力供热技术在低压缸高真空运行条件下，采用可完全密封的液压蝶阀切除低压缸原进汽管道进汽，通过新增旁路管道通入少量的冷却蒸汽，用于带走切除低压缸进汽后低压转子转动产生的鼓风热量。

（4）根据低压缸零出力供热技术运行需求，改造將新增可完全密封的液压蝶阀，液压蝶阀接口尺寸与改造后中低压连通管规格保持一致。在每台机组的低压缸两根进汽母管上分别安装低压缸进汽蝶阀，在新增低压缸进汽蝶阀前引出冷却蒸汽至低压缸进汽口，用于冷却低压缸末级叶片，在原联通管上低压缸进汽蝶阀前、后开口，低压缸进汽蝶阀前开口位置取在供热抽汽管道上，低压缸进汽蝶阀后开口位置分别取在机组低压缸进汽口处，通过冷却蒸汽旁路管道相连接并增加相关监视测点。

（5）为满足低压缸零出力运行要求，新增低压缸进汽蝶阀选用可完全密封的液控三偏心硬密封快关调节型蝶阀，蝶阀要求双向密封。每台机组新增低压缸进汽蝶阀执行器为单油缸加碟簧形式，执行器零压状态为阀门全开状态，执行器配备蓄能器，在控制油中断的情况下阀门能够进行保位功能，执行器需有机械限位装置。新增供热管道调整蝶阀执行器为单油缸加碟簧形式，执行器零压状态为阀门全关状态，执行器配备蓄能器，在控制油中断的情况下阀门能够进行保位功能。每台机组设置两根抽汽管道，每根抽汽管道上设置供热快关蝶阀、逆止阀、电动截止阀、安全门等设备。每台机组的所有油动执行器均为非转动执行器，所有油动机且共用一套液压供油单元，液压单元主油泵选择定压-变流泵，系统压力维持稳定的14±0.5 MPa运行压力，油泵一运一备，配独立的滤油系统、冷却/加热系统，所有控制系统接入DCS。

（6）对于抽汽和供热管道蝶阀执行器的选择有4种方式：电动执行器、双油缸执行器、单油缸+圆柱簧执行器、单油缸+蝶形弹簧执行器。机组抽汽供热改造的供热蝶阀、低压缸进汽关断蝶阀，除具有抽汽调整功能外，还需在机组跳闸时进行快速动作（供热蝶阀快速关闭、低压缸进汽蝶阀快速开启）。

根据此要求，供热蝶阀的执行器不选择电动执行器。对双油缸执行器、单油缸+弹簧执行器，双油缸执行器通过改变卸荷阀的口径，虽能够实现短时（0.5～1.5 s）快速关闭功能，但调速系统阀门关闭的最短时间要求均小于0.3 s。使用双油缸执行器还存在以下缺陷：

①只为了响应关闭时间要求，使得双油缸执行器卸荷阀口径过大，降低了卸荷阀严密性的保证，在运行期间的阀门调整稳定性差，阀门出现摆动问题。

②双油缸执行器的动作均建立在油系统稳定运行、系统有足够安全余量的蓄能器储备的基础上，油站存在多種因素都可能导致失去油压的情况（如：油泵故障、系统泄漏、蓄能器泄漏、电源失去等原因），配备蓄能器数量不足、蓄能器压力不足、蓄能器皮囊泄漏等原因，均会使双油缸执行器不能稳定运行，在机组跳闸时，供热蝶阀不能快速的严密关闭，汽轮机将发生超速事故。

③机组抽汽供热改造的供热蝶阀、低压缸进汽关断蝶阀的作用与汽轮机的主汽门、调门的作用是相同的，均需要在机组故障期间快速动作。汽轮机的主汽门、调门均使用单油缸形式，目的是确保在汽轮机跳闸时，阀门均能依靠弹簧力使阀门可靠的快速关闭。现300 MW以上汽轮机的主汽门、调速汽门均没有采用双油缸形式的执行器。根据机组主汽门、调门的执行器选型和双油缸执行器驱动力的安全、稳定、可靠性分析，供热蝶阀的执行器选择单油缸+弹簧执行器要优于选择双油缸执行器。

对圆柱弹簧、蝶形弹簧比对分析。圆柱形弹簧在长期频繁运行后，会出现疲劳松弛，导致弹簧与套筒发生碰摩。长期运行后，一旦发生断裂，整个弹簧就会失效。圆柱形弹簧发生断裂时，阀门无法动作。蝶形弹簧是根据阀门力矩要求，进行单片累加，长期运行疲劳后，不会发生松弛变形。如使用蝶形弹簧，当蝶形弹簧有一片发生断裂，不会导致弹簧组整体失效，只能使执行器动作时间有所增长，不存在阀门无法动作的风险。蝶形弹簧相比较圆柱形弹簧有更大的弹簧力，在相同阀门力矩的要求下，蝶形弹簧较圆柱弹簧的尺寸缩短1/3以上。执行器的长度缩短，能够有效减少汽流冲击阀门时产生的振动波在执行器及系统的最远端放大效果，有效降低执行器端部油管活接处振动，避免和较少管路活接的松动，降低渗漏风险;降低由于执行器的振动引起的的管道振动叠加。但碟形弹簧也有缺陷，如果阀门阀杆漏出的蒸汽长期直吹碟簧片，碟形弹簧会发生脆性断裂。因此碟形弹簧桶应避开阀杆漏汽的直吹。

（7）低压缸末级叶片抗水蚀金属耐磨层喷涂处理。小容积流量工况运行时，低压缸末两级处于鼓风工况运行，导致低压缸末两级后温度和低压排汽缸温度升高，为降低低压排汽缸温度，需要持续投入喷水减温，维持低压排汽缸温度在安全范围内。而小容积流量条件下，末级叶片出现的涡流会卷吸减温水至动叶流道，加剧动叶出汽边根部区域水蚀情况，威胁机组安全运行。

对低压缸末级叶片实施金属耐磨层喷涂处理。采用TA粉（NiCr金属陶瓷粉末）进行现场超音速火焰喷涂防护处理，粉末粒度为250～350目。涂层结合强度可达70 MPa;涂层硬度为HV300=600～900;涂层孔隙率≤2%;喷涂颗粒平均粒度3.32 μm，涂层表面均匀、细密;喷涂时工件的温度较低，叶片不会出现变形;喷涂厚度为0.10～0.20 mm。

2 辅机适配性改造

2.1 冷却塔

当机组处于低压缸零出力状态时，低压缸的进汽量主要为冷却蒸汽及给水泵小机排汽，此时凝汽器热负荷远低于正常运行工况，凝汽器出口水温过低，极寒天气下可能会导致冷却塔结冻。因此建议机组在零出力运行状态下，机组循环冷却水不上塔，直接排入冷却塔集水池，并在冷却塔进风口配置挡风板。

若两台机组同时处于低压缸零出力运行模式，可将两台机组循环水母管制运行，单台低速循环水泵运行，形成两机一泵（循环水泵低速）一塔的运行配置模式，循环水均不上塔，利用冷却塔集水池自然散热即可满足要求。

2.2 凝结水泵及凝结水系统

机组低压缸零出力运行工况下凝结水流量较少，理论上通过开启凝结水再循环及关小除氧器上水调门等措施可以满足凝结水泵安全运行需求，但存在一定的经济性损失。

电厂供热改造的热网侧设置疏水冷却器，疏水温度回收后回流至凝汽器，可保证低压缸零出力运行时凝结水泵正常运行，不需要对凝结水泵及凝结水系统进行改造。

3 结束语

通过选择高效的、灵活的大型火电机组供热改造方式，能够大幅度增加火电机组灵活运行方式。在设备选型时，充分考虑机组运行的安全性和供热的安全性，能为供热改造的成功提供有效的技术保障，使设备在后期运行期间的安全性、经济性得到有效提升。

参考文献

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