編者按：2016年6月14日國(guó)家能源局正式啟動(dòng)靈活性改造示范試點(diǎn)項(xiàng)目，并于6月28日、8月5日下達(dá)第一、二批火電靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目清單。火電靈活性成為了熱點(diǎn)話題。根據(jù)《電力發(fā)展十三五規(guī)劃》，十三五期間火電靈活性改造的規(guī)模為3.2億千瓦。國(guó)內(nèi)發(fā)電公司、電廠、設(shè)備廠、科研院所進(jìn)行了一些新的嘗試。其中，低壓缸零出力改造則很直接。其思路是，既然供熱機(jī)組在供熱期要保證供熱，又要降低電出力，何不把低壓缸出力減少以致為零?那么，這項(xiàng)技術(shù)的要點(diǎn)如何，效果如何，怎樣避免潛在風(fēng)險(xiǎn)?特此編發(fā)西安熱工研究院節(jié)能設(shè)計(jì)研發(fā)所所長(zhǎng)黃嘉駟以及國(guó)家電投(SPIC)東方電廠做的介紹。

(黃嘉駟，火電靈活性改造及深度調(diào)峰技術(shù)交流研討會(huì)，2018年3月28日，沈陽(yáng))

一、低壓缸零出力技術(shù)概況

提高供熱機(jī)組靈活性的低壓缸零出力技術(shù)，又稱(chēng)“切除低壓缸進(jìn)汽供熱技術(shù)”、“切缸供熱技術(shù)”等，是西安熱工研究院專(zhuān)利技術(shù)。

2016年8月在華能臨河電廠1號(hào)300MW機(jī)組上對(duì)方案進(jìn)行了實(shí)施，在2017年供熱末期進(jìn)行了試運(yùn)，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)安全穩(wěn)定。

2017年國(guó)電延吉(200MW)、國(guó)電投東方(350MW亞臨界)、楊柳青(300MW亞臨界)、黃臺(tái)(350MW超臨界)項(xiàng)目陸續(xù)安全投運(yùn)，標(biāo)志著西安熱工院低壓缸零出力供熱技術(shù)日趨成熟。

低壓缸零出力技術(shù)的核心是僅保留少量冷卻蒸汽進(jìn)入低壓缸，實(shí)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子“零”出力3000轉(zhuǎn)運(yùn)行，更多的蒸汽進(jìn)入供熱系統(tǒng)，提高供熱能力!降低電負(fù)荷，同時(shí)降低發(fā)電煤耗!

該技術(shù)運(yùn)行方式能夠?qū)崿F(xiàn)供熱機(jī)組在抽汽凝汽與高背壓的不停機(jī)靈活切換，不僅改造費(fèi)用小，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也大幅降低。

西安熱工院目前圍繞該技術(shù)申請(qǐng)專(zhuān)利已達(dá)20余項(xiàng)。

下面為中國(guó)華能集團(tuán)公司、西安熱工研究院有限公司、西安西熱節(jié)能技術(shù)有限公司、北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司、北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司臨河熱電廠共同獲得的實(shí)用新型專(zhuān)利。

二、低壓缸零出力(切缸)改造技術(shù)

2.1技術(shù)原理

2.2技術(shù)特點(diǎn)：

2.2.1對(duì)汽輪機(jī)本體改造范圍很小，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)余熱回收;

2.2.2通過(guò)低壓蝶閥的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)低壓缸“零出力”與“滿出力”在線切換，在電網(wǎng)波谷階段低壓缸“零出力”實(shí)現(xiàn)機(jī)組深度調(diào)峰，在電網(wǎng)波峰階段低壓缸“滿出力”運(yùn)行，滿足電網(wǎng)用電需求，既實(shí)現(xiàn)了余熱回收，又滿足了電網(wǎng)峰谷需求，實(shí)現(xiàn)了熱電解耦。

對(duì)于300MW等級(jí)機(jī)組，改造后相同主蒸汽量條件下，采暖抽汽流量每增加100t/h，供熱負(fù)荷增大約71MW，電調(diào)峰能力增大約50MW，發(fā)電煤耗降低約36g/kWh。

2.3改造措施

根據(jù)低壓缸零出力供熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理和需求，改造總體工作范圍如下：

進(jìn)口技術(shù)供熱蝶閥改造;

增設(shè)低壓缸冷卻蒸汽系統(tǒng);

配套汽輪機(jī)本體運(yùn)行監(jiān)視測(cè)點(diǎn)改造;

低壓缸末級(jí)葉片抗水蝕金屬耐磨層噴涂處理;

低壓次末級(jí)、末級(jí)葉片運(yùn)行安全性校核;

配套供熱系統(tǒng)改造;

配套抽空氣系統(tǒng)改造;

配套自動(dòng)控制系統(tǒng)改造;

低壓缸零出力運(yùn)行調(diào)試。

國(guó)家電投東方電廠：

工期優(yōu)化，以低壓缸冷卻、解體、測(cè)點(diǎn)安裝、低壓缸回裝、油循環(huán)為主線工期，其他改造圍繞主線工期同步進(jìn)行。

停機(jī)后低壓缸冷卻，為縮短冷卻時(shí)間在調(diào)節(jié)級(jí)低于300℃時(shí)投入快冷裝置。

具備揭缸條件時(shí)，拆除低壓缸進(jìn)行末級(jí)葉片溫度測(cè)點(diǎn)安裝，低壓汽封更換。

冷卻蒸汽旁路先預(yù)制，安裝時(shí)，將低壓缸導(dǎo)管進(jìn)汽法蘭加墊片，防止焊接時(shí)碎渣進(jìn)入低壓缸。

2.4技術(shù)難點(diǎn)

2.4.1葉片動(dòng)應(yīng)力是否滿足汽輪機(jī)安全需要是改造可行的先決條件

汽輪機(jī)級(jí)內(nèi)容積流量的減小，低壓缸末兩級(jí)葉片產(chǎn)生進(jìn)汽負(fù)攻角，蒸汽在葉片壓力面上形成流動(dòng)分離，在葉根處脫流，葉片動(dòng)應(yīng)力增加、鼓風(fēng)、水蝕加劇等現(xiàn)象。這些變化不僅直接影響機(jī)組的運(yùn)行效率，還可能誘發(fā)葉片顫振，威脅機(jī)組安全運(yùn)行。

某葉片動(dòng)應(yīng)力與容積流量的關(guān)系曲線：

某汽輪機(jī)末級(jí)葉片小容積流量工況流線示意圖：

容積流量減小時(shí)，低壓缸末級(jí)葉片內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)變化示意圖：

2.4.2低壓缸末級(jí)葉片動(dòng)應(yīng)力核算過(guò)程

在一定區(qū)域內(nèi)，鼓風(fēng)和動(dòng)應(yīng)力確實(shí)隨著低于最小冷卻流量減少而增加，但是經(jīng)過(guò)一定區(qū)域后動(dòng)應(yīng)力會(huì)逐漸降低，到一定流量后又回到葉片的安全區(qū)域。

為保證低壓缸零出力工況下，低壓缸長(zhǎng)葉片的運(yùn)行安全性，需采用數(shù)值分析方法對(duì)小容積流量條件下，末兩級(jí)葉片安全性進(jìn)行校核。

數(shù)值分析首先建立低壓缸通流區(qū)域5級(jí)聯(lián)合計(jì)算的CFD計(jì)算模型。之后，計(jì)算獲得小容積流量條件下通流部分穩(wěn)定流場(chǎng)分析，隨后將流動(dòng)計(jì)算獲得結(jié)果作為邊界條件疊加至低壓缸長(zhǎng)葉片動(dòng)力力分析模型，從而獲得不同容積流量條件下，低壓缸長(zhǎng)葉片的動(dòng)應(yīng)力變化特性。

低壓缸 5 級(jí)葉片計(jì)算模型：

三維整圈 5 級(jí)葉片顯示：

某機(jī)組低壓缸長(zhǎng)葉片安全性校核結(jié)果：

1)隨著低壓缸進(jìn)汽流量的減小，在低壓缸末兩級(jí)會(huì)逐漸出現(xiàn)鼓風(fēng)現(xiàn)象，導(dǎo)致低壓缸末兩級(jí)級(jí)后溫度升高，因此在切缸過(guò)程中應(yīng)密切關(guān)注監(jiān)視、高溫區(qū)的溫度，必要時(shí)增加后缸噴水流量。以此避免由于高溫引起的汽缸變形，進(jìn)而引發(fā)轉(zhuǎn)靜部件中心線不一致而產(chǎn)生的振動(dòng)問(wèn)題。

2)在小容積流量工況下末級(jí)葉片的最大動(dòng)應(yīng)力小于設(shè)計(jì)工況下的最大動(dòng)應(yīng)力，因此，在小容積流量工況下末級(jí)葉片的動(dòng)強(qiáng)度滿足制造廠設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

低壓缸單邊進(jìn)汽流量9.3t/h：

低壓缸單邊進(jìn)汽流量29.8t/h：

低壓缸單邊進(jìn)汽流量238.6t/h：

2.4.3切缸過(guò)程

以國(guó)家電投東方電廠350MW亞臨界機(jī)組為例。

中低壓導(dǎo)管蝶閥全關(guān)，供熱速關(guān)閥全開(kāi)，首站兩臺(tái)加熱器進(jìn)氣門(mén)全開(kāi)，主蒸汽流量保持在480 t/h左右運(yùn)行，電負(fù)荷80MW,供熱流量為320t/h左右，首站加熱器出口水溫100℃左右。中壓缸排氣壓力0.45Mpa。

切缸運(yùn)行后，低壓缸差賬上漲2mm左右，串軸正方向串動(dòng)0.1mm.3瓦軸振略有下降，其他參數(shù)無(wú)明顯變化。

2.5其它改造

2.5.1輔助系統(tǒng)適配性分析

根據(jù)低壓缸零出力改造后運(yùn)行需求，進(jìn)行汽輪機(jī)輔機(jī)和供熱系統(tǒng)適配性分析，根據(jù)適配性分析結(jié)果制定優(yōu)化、改造方案。

2.5.1.1汽輪機(jī)輔機(jī)適配性分析

凝汽器(包括空冷島和機(jī)力塔)及抽空氣系統(tǒng);

循環(huán)水泵及循環(huán)水系統(tǒng);

凝結(jié)水泵及凝結(jié)水系統(tǒng);

2.5.1.2供熱系統(tǒng)適配性分析

供熱抽汽管道

熱網(wǎng)首站(包括熱網(wǎng)加熱器、熱網(wǎng)疏水泵、熱網(wǎng)循環(huán)水泵)

熱網(wǎng)循環(huán)水管道

2.5.2熱控部分改造

實(shí)施供熱節(jié)能改造后，控制系統(tǒng)配套主要改造內(nèi)容如下：

1)梳理原控制系統(tǒng)中與供熱抽汽相關(guān)的控制邏輯，取消或修改與低壓缸零出力供熱有沖突的相關(guān)控制邏輯。

2)梳理原控制系統(tǒng)中與低壓缸運(yùn)行相關(guān)的保護(hù)定值設(shè)置，確認(rèn)各控制邏輯與低壓缸零出力運(yùn)行要求一致。

3)增加低壓缸零出力供熱投入/切除控制邏輯。

4)改造方案新增加監(jiān)視測(cè)點(diǎn)等接入DCS控制系統(tǒng)。

三、實(shí)施案例

3.1 案例一國(guó)電吉林龍華延吉

國(guó)電吉林龍華延吉熱電廠鍋爐是由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)制造的670t/h超高汽包鍋爐。國(guó)電吉林龍華延吉熱電廠1、2號(hào)汽輪機(jī)是哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的C160/N200-12.75/535/535/0.245型汽輪機(jī)。末級(jí)葉片高度855mm。

2017年供熱期前進(jìn)行了低壓缸零出力改造。改造前設(shè)計(jì)額定采暖抽汽流量230t/h，最大采暖抽汽流量350t/h;改造后額定抽汽量達(dá)到457t/h，最大抽汽量達(dá)到489.5t/h。

單臺(tái)機(jī)組改造總投資(含熱網(wǎng)系統(tǒng)改造)約2000萬(wàn)元，稅后靜態(tài)投資回收期約2.5年。

國(guó)電延吉電廠#2機(jī)切缸現(xiàn)場(chǎng)施工圖：

3.2案例二國(guó)家電投遼寧東方

遼寧東方電廠鍋爐是由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)制造的1165t/h亞臨界汽包鍋爐。汽輪機(jī)是哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的N350-16.7/538/538型亞臨界凝汽式汽輪機(jī)。全四維通流改造后末級(jí)葉片高度1018mm。

2017年供熱期前進(jìn)行了低壓缸零出力改造。改造前機(jī)組最大抽汽量為462t/h;改造后機(jī)組最大抽汽流量為648t/h，改造后機(jī)組供熱抽汽流量增加約186t/h 。

東方1號(hào)機(jī)組低壓缸零出力改造項(xiàng)目(一期工程)靜態(tài)總投資998萬(wàn)元，投資回收期在2年左右。

遼寧東方電廠#1機(jī)切缸現(xiàn)場(chǎng)施工圖：

四、投資估算

4.1改造項(xiàng)目投資

改造投資約1000萬(wàn)元，汽輪機(jī)輔機(jī)及供熱系統(tǒng)根據(jù)適配性分析結(jié)果確定改造方案后確定投資額。

4.2改造項(xiàng)目收益

增加供熱收益

降低發(fā)電煤耗收益

調(diào)峰政策獎(jiǎng)勵(lì)收益

以國(guó)家電投遼寧東方1號(hào)機(jī)組為例：

根據(jù)《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則(試行)》(東北監(jiān)能市場(chǎng)[2016]252號(hào))對(duì)調(diào)峰輔助服務(wù)對(duì)深度調(diào)峰按階梯式報(bào)價(jià)，按照調(diào)峰電量進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償。

由上表可知在供熱負(fù)荷≤388MW時(shí)，在電網(wǎng)火電機(jī)組深度調(diào)峰時(shí)1號(hào)機(jī)組切缸運(yùn)行可獲得較高調(diào)峰補(bǔ)償收益。

春節(jié)前后1號(hào)機(jī)組零出力運(yùn)行共計(jì)370小時(shí)，參與深度調(diào)峰獲得補(bǔ)償1230萬(wàn)元，其中第一檔獲得補(bǔ)償497萬(wàn)元，第二檔獲得補(bǔ)償733萬(wàn)元。

以240MW供熱負(fù)荷對(duì)比切缸前后機(jī)組經(jīng)濟(jì)性如下表：

注：Qmin、Qnom和Qqg分別表示一定供熱負(fù)荷下鍋爐最小出力工況、鍋爐額定出力工況以及切缸工況

切缸后Qmin和Qnom工況熱耗率分別下降約1871.0kJ/(kW˙h)和2276.5kJ/(kW˙h)，折合發(fā)電煤耗分別下降約69.7g/(kW˙h)和84.8g/(kW˙h)。切缸后發(fā)電煤耗平均降低60g/kWh。

2018年2月份機(jī)組發(fā)電煤耗同比降低16.11g/kWh。

4.3 改造項(xiàng)目工期

可研：1個(gè)月;

訂貨：3個(gè)月;

施工、調(diào)試：1個(gè)月。

五、邊界條件要求和存在問(wèn)題

5.1安全性校核需要汽輪機(jī)制造廠提供的資料

低壓缸整缸葉型幾何型線;

排汽缸擴(kuò)壓段幾何型線;

低壓缸各級(jí)熱力設(shè)計(jì)數(shù)據(jù);

凝汽器擴(kuò)壓段出口設(shè)計(jì)背壓;

低壓缸各級(jí)葉片裝配圖及工藝要求;

低壓末兩級(jí)葉片幾何造型數(shù)據(jù);

低壓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)造型數(shù)據(jù);

低壓末兩級(jí)葉片材料牌號(hào)及其物理性能參數(shù)、力學(xué)性能參數(shù)。

在缺少安全性校核資料數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行汽輪機(jī)動(dòng)葉片動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用無(wú)線電遙測(cè)技術(shù)，在葉片上粘貼電阻絲應(yīng)變片作為傳感元件，通過(guò)引線與微型發(fā)射機(jī)相連接。葉片在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下受到激振時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)變形引起應(yīng)變片阻值的變化，其信號(hào)經(jīng)發(fā)射機(jī)調(diào)制發(fā)射，由接收天線環(huán)接收，并經(jīng)高頻電纜送至接收機(jī)后，由記錄儀對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并分析。

試驗(yàn)前在西安熱工研究院有限公司實(shí)驗(yàn)室采用標(biāo)準(zhǔn)音叉對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了校驗(yàn)和標(biāo)定，減少系統(tǒng)測(cè)量誤差。

不均勻的流場(chǎng)中, 葉片如有微弱的初始振動(dòng)時(shí),就會(huì)不斷地從汽流中吸取能量, 當(dāng)能量足夠大時(shí), 便導(dǎo)致葉片振動(dòng)增大, 即顫振發(fā)作。每臺(tái)機(jī)組的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)是不同的，切不可只知其一，不知其二，盲目套用!

5.2國(guó)家電投遼寧東方電廠

5.2.1目前東方發(fā)電公司1號(hào)鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷在40%MS左右，對(duì)應(yīng)的改造后對(duì)外供熱量為207.58MW，當(dāng)外界供熱需求在208MW以上時(shí)，在電網(wǎng)需要深度調(diào)峰時(shí)可對(duì)1號(hào)機(jī)組實(shí)施低壓缸切除運(yùn)行方式。

5.2.2切缸運(yùn)行存在一定的滯后性，大約滯后0.5小時(shí)，需與電網(wǎng)電網(wǎng)調(diào)度做好提前溝通。

5.2.3機(jī)組帶大負(fù)荷能力應(yīng)能滿足，否則電網(wǎng)有相應(yīng)的考核。

六、結(jié)論

1 低壓缸零出力改造技術(shù)是具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專(zhuān)利技術(shù);

2 低壓缸零出力改造技術(shù)已經(jīng)獲得若干成功應(yīng)用;

3 低壓缸零出力改造費(fèi)用低，有效提高供熱能力、靈活性，大幅降低發(fā)電煤耗。