670MW汽轮机灵活性供热改造方案研究

陈 刚

（华电国际电力股份有限公司技术服务分公司，山东济南 250014）

0.概述

某电厂3号汽轮机为上海汽轮机厂生产的670MW超临界、一次中间再热、三缸四排汽、单轴、凝汽式，机组型号为192。对汽轮机进行凝抽背供热改造，在汽轮机TMCR进汽量2040t/h下，经过切缸改造，汽轮机中排抽汽能力可达约1100t/h，并且能适应连续变工况的灵活性供热需求。

1.改造方案

方案采用在中低压连通管立管上增设六通并引出一根抽汽母管，作为供热热源，在中压排汽竖直管段上加装连通管压力调节阀调整抽汽参数。抽汽母管接口后的热网管道上加装安全阀、气动抽汽逆止阀、电动抽汽调节阀、液动抽汽快关阀。

为进一步增大机组的供热能力和深度调峰的需要，本次改造后机组具备切除低压缸功能。在汽轮机低压缸正常运行工况下，在两个中低压连通管上分别设置可完全密封的调节蝶阀，能够全工况调节低压缸原进汽管道进汽量，并增加一路旁路管道，通过新增旁路管道对低压缸通入少量的冷却蒸汽，用于带走切除原低压缸进汽后低压转子转动产生的鼓风热量。中低压连通管及抽汽管方案如图1所示。

2.改造范围

为实汽轮机中压排汽处的调整抽汽功能，需对机组现有的部分结构进行改造，总体工作范围如图1所示：

图1 中低压连通管及抽汽管方案

2.1 中低压连通管

对中低压连通管进行改造，改造后的中低压连通管预留压力调节阀的安装空间及切缸改造的旁路接口。中低压连通管采用新型工艺技术，采用双通道进汽模式。改造后的中低压连通管取消了弓形弯头形式，采用压力自平衡式波形膨胀节，以吸收供热管道改造后由于汽缸的差胀产生的位移及推力。更换后的中低压连通管将采用整体圆弧弯头形式，可以有效降低蒸汽汽流的压力损失，大大提高中低压连通管通流效率。

2.2 连通管压力调节阀

在两根中低压连通管水平管道上分别加装电动抽汽调节阀，用于调整中低压连通管抽汽参数。中低压连通管压力调节阀为密封阀门，切缸运行时，阀门全关。

2.3 抽汽母管

新增的中低压连通管处抽汽母管及其支吊架，支吊架包括立柱、桁架、弹簧支座等。支吊架的载荷按照设计要求考虑中低压联通管抽汽调节阀、逆止门和快关阀等阀门的荷载安全。将供热抽汽母管供至距机组中心线约5000mm处（汽轮机罩壳外），抽汽母管分界口附近设置固定死点，死点尽可能靠近双方接口分界线，以保证供热管道上的力和力矩满足机组安全运行需要。

2.4 中低压连通管旁路冷却

在供热最大负荷，全切低压缸运行工况下，连通管压力调节蝶阀处于全关状态，冷却旁路上加装调节阀。这时，低压缸冷却蒸汽旁路打开，保证少量冷却蒸汽进入低压缸，将运行中低压转子转动产生的鼓风热量带走，防止低压转子产生鼓风发热。

2.5 低压缸喷水系统

低压缸排汽室中的湿蒸汽温度相应于出口压力下的饱和温度，然而在切缸工况下，由于低压缸进汽量偏小，低压缸末几级叶片做负功，可能引起低压转子产生鼓风发热，使低压缸的排汽温度迅速升高。机组应尽量避免发生高的排汽温度，以减少转子与静子部件之间由于热变形或过度差胀而产生碰擦的可能性。这样的碰擦在一定转速以上会发生严重危害，甚至导致强迫或长期停机。本次改造重新核算低压缸喷水量及完成配套设计选型工作。

2.6 末级叶片在线监视系统及独立的数据采集装置

低压缸末两级叶片在小容积流量工况运行时，构成的低压末两级内流动状态产生剧烈变化，产生叶片进汽冲角沿叶片高度的剧烈变化，在低压叶面上形成流动分离，在低压叶根处的脱流、鼓风加剧、低压叶片的动应力增加等现象。这些变化可能诱发低压末级叶片颤振，威胁机组安全运行，也会影响汽轮机的热效率。本系统需增加一套独立的数据采集系统，增设在线监视系统，可以时时采集数据，有效监控长叶片运行状态，为安全运行提供保障。

2.7 配套汽轮机本体运行监视测点改造

汽轮机组切除低压缸进汽运行时，低压缸通流部分运行工况与原纯凝工况存在很大的差别，低压缸运行在极低容积流量条件，低压缸可能产生不安全的工况点。配套增加运行监视测点，实时监测低压缸内部通流运行状况，可大大提升低压缸在切缸工况下的运行安全。

2.8 供热系统配套阀门

热网管道上增设抽汽管道，并设置电动调节阀、液动快关阀、气动逆止阀、抽汽安全阀，安装在新设计的热网管道上，阀门应尽量靠近汽轮机，在阀门设计布置完成后需反馈给主机厂家确认。

2.9 自动控制系统

除安全阀外的其他阀门均能实现远方操作。改造范围内所涉及的DEH控制部分供货、组态，有关供热阀门的控制逻辑、阀门与主机的连锁保护逻辑等由主机厂家负责，以保证机组的性能、安全指标符合要求。

2.10 汽封冷却器

汽封减温装置喷水：低压轴封进汽设有喷水减温器降低轴封蒸汽温度，使之不超过低压缸允许的极限温度，喷水减温器整定的温度值为160℃。切缸后，如果凝结水温度较高，建议汽封减温冷却水按照60℃校核，汽封减温装置出力可满足要求。

汽封冷却器水量：切缸工况下，凝结水量较少，此时，冷却水水量要求大于350m3/h，按照60℃进行校核，原有的轴封冷却器可以满足低压缸切缸供热工况运行。

3.安全性分析

3.1 叶片颤振

进行切缸运行操作就容易落在叶片的颤振区域，在低压缸较小容积流量下，叶片容易产生颤振现象，低压缸在切缸工况下，进汽量较少，流场不稳定，在低压缸内形成汽流不稳、激振力波动，更容易发生颤振现象。

3.2 叶片水蚀

低压缸在切缸供热工况下，鼓风发热，低压排汽需要喷水进行减温，在较低排汽容积流量下，汽轮机排汽区域会形成回流，回流夹带喷水产生的水滴，在低压缸末级叶片根部产生严重的水蚀现象，末级叶片区域具有离心应力水平高的特点，叶片水蚀后产生的裂纹扩展速度快，对低压叶片的安全运行产生较大风险[1]。

3.3 动静间隙变化

汽轮机切缸工况变化较大，末级叶片、汽缸隔板温度变化大，运行中温度变化径向不均匀将会引起叶顶、叶根间隙的改变，容易产生汽轮机动静摩擦隐患。

3.4 叶片超温

切缸状态运行低压缸末级、次末级叶片由于进汽流量下，处于做负功状态，叶片鼓风发热严重，叶片局部有可能超过设计允许的温度，造成低压叶片刚度变化，导致低压叶片共振区变化，如果达到工作转速附近，就会造成共振现象发生。另外，低压缸排汽温度超过凝汽器的允许温度存在损坏设备的风险。

4.风险应对策略

4.1 低压缸实时监测系统-监测汽缸颤振、水蚀、动静间隙变化

低压缸实时监测系统能够实现对转子振幅、间隙的实时监测，通过有限元数值分析模拟，得出叶片表面动应力分布与叶片振幅的关系，通过实时监测叶片振幅从而实现对叶片动应力的实时监测。以上任一参数超限，该系统即可发出报警，提醒运行人员调整运行工况规避风险。

该系统具备以下功能：一是对机组运行中低压叶片振动特性进行检测和过程实时分析，避开切缸过程中的不安全工况；二是对切缸过程中可能出现的风险或者突发的设备异常进行报警；三是对低压叶片检测数据进行收集分析，通过计算对切缸后低压叶片的寿命进行实时评估。

4.2 低压缸灵活运行-叶片水蚀、超温解决方案

精确计算和优化低压缸的运行，给出低压缸运行背压指导曲线，如图2所示。在叶片健康监测系统辅助下协助电厂实现极低流量下，叶片不超温，低压缸不喷水运行，尽量将水蚀的影响降至最低。

图2 低压缸切缸运行指导曲线示意图

4.3 测点全面加装、定值精确校核-防止叶片超温

对影响到低压缸切缸的所有关键测点进行全面的加装，并对各测点定值进行全面校核以保证切缸过程可控，汽轮机安全运行。

4.4 连通管、旁路设计优化-实现抽凝到切缸过程平滑切换

连通管和旁路的设计考虑以下5点：（1）实现低压缸灵活运行；（2）实现抽凝到切缸状态的平稳过度；（3）实现大蝶阀密封面的保护；（4）避免大蝶阀严重节流引发的振动问题；（5）实现低压缸最小冷却流量的精确控制。

4.5 喷水系统改造和优化-降低水蚀影响

切低压缸运行时，低压缸末两级会由于鼓风产生大量热量，需要采取降低排汽温度措施，持续增加投入喷水减温，原喷水管路流量不能满足要求，因此需增加喷水管路满足切缸运行要求，同时将原喷水管路的喷头更换为雾化效果更好的喷头作为备用，维持低压排汽缸温度在安全范围内，以实现低压缸喷水量的精确控制[2]。

4.6 控制逻辑改造-切缸的自动控制及保护策略

（1）将增加的中压缸排汽，低压缸进汽，低压缸末级和次末级的压力，温度测点接入DEH系统（增加相应控制卡件，若原DEH容量不满足，新增一面扩展柜），根据工况的不同，增加相应的报警保护逻辑，用来保护低压缸和末级叶片；将冷却低压缸的旁路的压力、温度、流量（根据压力测点计算）接入DEH系统，用于对低压缸的监视和保护[3]。

（2）增加切除低压缸出力大容量抽汽的控制画面，当抽凝工况无法满足抽汽的容量要求时，运行人员可以在画面上选择切除低压缸的按钮，将连通管调节阀关闭，通过小旁路调节低压缸的进汽量。同时对抽汽相关的各个测点的温度和压力进行保护。

（3）梳理原DEH系统中的抽汽相关运行的保护定值设置，优化抽汽保护报警逻辑和优化喷水保护逻辑。