超临界再热型双抽背压式汽轮机高压缸夹层加热系统优化研究

王 勇 ，马 聪，魏 光，刘立成，罗 方

(1.华电国际电力股份有限公司天津开发区分公司，天津 300270；2.西北电力设计院,陕西 西安 710075；3.东方汽轮机有限公司，四川 德阳 618000)

天津华电南港某热电厂为中沙石化、澄星化工、中俄石化、先达(天津)海水资源开发有限公司、渤海两化搬迁项目等提供化工生产所需的蒸汽，同时按照以热定电的原则，为工业区提供部分电力供应。其中一期工程主机型式为3×350 MW CFB锅炉+3×170 MW超临界再热型双抽背压机热电机组。主蒸汽压力为24.2 MPa、温度为566 ℃，中压蒸汽额定压力为5 MPa，低压蒸汽额定压力为1.8 MPa。汽轮机排汽额定背压为0.15 MPa(a)，允许背压范围为0.1～0.35 MPa，同时对外提供中压蒸汽参数：4.4～4.7 MPa(g)，440～450 ℃，最大流量1400 t/h；低压蒸汽参数：1.3～1.6 MPa(g)，320～330 ℃，最大流量600 t/h。该机组为双缸背压式，高、中压部分采用分缸结构,具有独立的高压缸和中压缸。高压部分设计为双层缸，将内、外缸夹层空间分为2个板块，该结构可适应进汽参数高,减小承压力和热应力，提高启停及变负荷灵活的特点。汽缸夹层设置加热系统[1-4]，既可大大缩小高压内缸内外壁温度的差值，又可提高外缸的温度，有利于汽缸热膨胀。高压缸结构如图1所示。

图1 高压内、外缸结构

1 夹层加热系统的作用

夹层加热的作用是将主蒸汽引入高压内、外缸之间的夹层,加热内、外缸减少高压缸正胀差，减少高压内缸内外壁温差,并使高压外缸温度沿轴向趋于均匀。要实现这一功能，其方法就是需要通过调整汽缸夹层进汽箱的进汽压力,开大或关小阀门来调节进汽流量，从而达到控制温升速率的目的。高压缸夹层加热系统如图2所示。

图2 夹层加热系统构成

2 夹层加热系统投入的前提

在高压缸倒暖投入后才可投入夹层加热，而要到达预暖最佳，可行的途径就是在高压缸中通入蒸汽使汽缸内蒸汽压力升高，从而使汽缸金属温度升高至蒸汽对应的饱和温度或更高[5-8]。通常规定此压0.39～0.49 MPa(g),超高压内缸进汽室内表面金属温度低于150 ℃时应进行高压缸预暖，当高压内缸调节级后内壁金属温度比这一值高时，则不需要预暖。在预暖期间的主要依据有2个：一是依据内缸金属温升率限制；二是依据是缸内压力。通过调整电动节流阀(倒暖阀)、疏水阀的开度来调整内缸金属温升率，金属表面的温度升高率不应大于金属表面允许的温度。高压缸预暖系统如图3所示。

图3 高压缸预暖系统

3 夹层加热系统优化的必要性

汽轮机高压缸夹层加热系统中，夹层加热汽源来自辅汽联箱，加热蒸汽温度约为350 ℃，加热蒸汽压力为0.98～4.9 MPa，其排汽排到冷段[9-10]。低负荷暖机后高压缸下半外壁温达到350 ℃后才停运高压缸夹层加热系统。另外，根据主机启动曲线，冷态启动时汽轮机冲转主蒸汽温度为380 ℃，压力为8.83 MPa。参照热平衡图估算，在低负荷暖机高压缸下半外壁温达到350 ℃阶段时，主蒸汽温度约为500 ℃，压力为10.79 MPa。

通过分析表明，在高压缸夹层加热系统投运阶段，来自辅汽联箱夹层加热温度偏低，不利于汽轮机胀差控制，达不到最佳的启动效果。夹层加热系统(简称原方案)，原方案未设计减温减压器且原方案为传统设计方案，经调研某些电厂实际运行情况，其应用效果较差，同时考虑该机组为首次设计的170 MW超临界背压汽轮机，设备厂家对高压缸夹层加热系统要求以及机组实际情况，对原方案进行设计优化，确定在原方案基础上增加1路由主蒸汽管道来的汽源，同时每台机组增加1台高压缸夹层加热减温减压器，其型式为直通型，即水平进、水平出，流量调节范围为10%～100%，具有完全关断功能，并做到零泄漏，出口蒸汽温度偏差小于2 ℃，出口蒸汽压力波动小于0.01 MPa。高压缸夹层加热减温减压器参数见表1所示，减温减压装置结构型式如图4所示。

表1 高压缸夹层加热减温减压器参数

图4 减温减压装置结构型式

减温水则取自给水系统，减温水调节阀采用直行程调节阀。高压缸夹层加热系统优化后的系统图如图5所示。

图5 夹层加热系统优化

为防止某种原因引起减温水压力突然降低，高温蒸汽经喷嘴倒流入减温水管道，在减温水通向喷嘴的管道上配备止回阀。为缩短在机组冷态启动时间，设计有汽缸预暖系统，即在冷态启动时由辅汽联箱引1路汽源由高排逆止阀前进入高压缸，经疏水口排出，原夹层加热汽源可作为配合汽源对内、外缸夹层进行预暖，更有利于机组胀差的控制。

4 结语

高压缸设置夹层加热装置不仅可以缩小高压内缸内、外壁温值又可提高外缸的温度，有利于汽缸热膨胀，由于汽源来自辅汽联箱夹层加热温度偏低，达不到最佳的启动效果。为实现这一效果，对高压缸夹层加热系统进行了设计优化调整。通过增加1路由主蒸汽管道来的汽源进入夹层加热装置，同时每台机组配置1台直通型减温减压器，可有利于汽轮机胀差的控制并达到最佳的启动效果。其次保留辅汽汽源，考虑在机组滑参数停机时原夹层加热汽源可作为冷却汽源协同控制机组胀差，使机组滑停温度进一步降低，缩短机组冷却时间。