汽輪機(jī)低壓缸零做功技術(shù)探討

汽輪機(jī)低壓缸零做功技術(shù)探討摘要：為緩解熱電之間的矛盾，進(jìn)一步提升機(jī)組靈活性，國(guó)內(nèi)發(fā)電公司實(shí)行供熱改造對(duì)低壓缸零做功技術(shù)進(jìn)行了探討;分析了低壓缸零做功運(yùn)行后低壓缸末級(jí)葉片安全性,并制定出完善低壓缸運(yùn)行監(jiān)視測(cè)點(diǎn)、末級(jí)葉片金屬噴涂、設(shè)置低壓通流冷卻蒸汽系統(tǒng)以及維持低壓缸高真空等技術(shù)措施;對(duì)改造后的供熱與調(diào)峰能力進(jìn)行了分析并核算改造后的經(jīng)濟(jì)收益。結(jié)果表明，在保證機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，低壓缸零做功技術(shù)不但實(shí)現(xiàn)了熱電解耦，還進(jìn)一步減少了汽輪機(jī)冷源損失，提高了機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，保證了機(jī)組安全運(yùn)行。關(guān)鍵詞：低壓缸零做功供熱能力降低煤耗熱經(jīng)濟(jì)性冷源損失一、 技術(shù)背景及必要性：1.1本技術(shù)積極響應(yīng)國(guó)家火電靈活性改造政策要求，從負(fù)荷側(cè)、電源側(cè)、供熱側(cè)多措并舉，充分挖掘現(xiàn)有機(jī)組系統(tǒng)調(diào)峰能力，增強(qiáng)機(jī)組適應(yīng)性，破解采暖供熱與發(fā)電調(diào)峰難題的具體舉措，也是加快能源技術(shù)創(chuàng)新，挖掘燃煤機(jī)組深度供熱能力進(jìn)行的大膽創(chuàng)新。自2016年6月我國(guó)正式啟動(dòng)火電靈活性改造示范試點(diǎn)工作以來，全國(guó)各大發(fā)電集團(tuán)積極投身于靈活性改造的研究和實(shí)踐。1.2機(jī)組靈活性改造主要包括兩個(gè)方面：一是增加機(jī)組運(yùn)行靈活性，即要求機(jī)組具有更快的變負(fù)荷速率、更高的負(fù)荷調(diào)節(jié)精度及更好的一次調(diào)頻性能；二是增加鍋爐燃料的靈活性，即機(jī)組在摻燒不同品質(zhì)的燃料時(shí)，確保鍋爐的穩(wěn)定燃燒以及機(jī)組在摻燒工況下仍有良好的負(fù)荷調(diào)節(jié)性能。二、 技術(shù)簡(jiǎn)要介紹：該技術(shù)為低壓缸零做功技術(shù)，又稱"切除低壓缸進(jìn)汽供熱技術(shù)”“切缸供熱技術(shù)”，其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〃做功3000轉(zhuǎn)運(yùn)行，讓更多的蒸汽進(jìn)入供熱系統(tǒng)。改造的關(guān)鍵，是在原有的中低壓缸連通管上加裝LCV液控蝶閥，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同時(shí)機(jī)組的雙低壓缸結(jié)構(gòu)、大功率大容量、低壓次末級(jí)和末級(jí)葉片偏長(zhǎng)等特點(diǎn)，給設(shè)計(jì)、邏輯保護(hù)和排汽溫度、控制及葉片安全帶來了全新的挑戰(zhàn)。汽輪機(jī)低壓缸小容積流量工況：汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，低壓缸末兩級(jí)葉片容積流量減小，蒸汽在動(dòng)葉根部出口位置產(chǎn)生沿圓周方向的渦流，動(dòng)葉根部流線出現(xiàn)向上傾斜，出現(xiàn)脫流現(xiàn)象；容積流量繼續(xù)減小，動(dòng)葉根部出口位置的渦流區(qū)域與脫流高度增加；容積流量進(jìn)一步減小，則渦流區(qū)域與脫流高度加大，且會(huì)在噴嘴和動(dòng)葉間隙出現(xiàn)渦流。動(dòng)葉根部開始出現(xiàn)脫流及其后容積流量更小的工況稱為級(jí)的小容積流量工況。這種工況下，出現(xiàn)葉片動(dòng)應(yīng)力增加、鼓風(fēng)、水蝕加劇等，直接影響機(jī)組的運(yùn)行效率，同時(shí)誘發(fā)葉片顫振，威脅機(jī)組安全運(yùn)行。低壓缸小容積流量工況對(duì)機(jī)組安全性的影響如下：1） 汽輪機(jī)級(jí)的容積流量減小時(shí)，動(dòng)葉進(jìn)口速度減小，甚至為負(fù)值，造成動(dòng)葉做功為負(fù)，需要消耗機(jī)械功。汽輪機(jī)某級(jí)不對(duì)外做功，消耗機(jī)械功的工況為鼓風(fēng)工況。葉片在鼓風(fēng)工況下運(yùn)行時(shí)消耗的機(jī)械功會(huì)很快轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽訜徂D(zhuǎn)子和葉片。小容積流量工況時(shí)，蒸汽流量過小不足以帶走汽輪機(jī)鼓風(fēng)熱量，會(huì)引起低壓缸過熱、低壓缸變形等危及汽輪機(jī)安全的問題。2） 因低壓缸末兩級(jí)葉片葉形彎扭，葉片長(zhǎng)度大、葉頂薄、抗振性能弱等特點(diǎn)，葉片在小容積流量工況下運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)大幅沖角運(yùn)行，葉片會(huì)顫振，嚴(yán)重會(huì)造成葉片損害斷裂，威脅機(jī)組安全運(yùn)行。相對(duì)容積流量減小的過程中，當(dāng)減小到一定范圍時(shí)，葉片振動(dòng)應(yīng)力開始迅速增加，之后達(dá)到最大值，容積流量進(jìn)一步減小，振動(dòng)應(yīng)力逐漸減小，振動(dòng)應(yīng)力與相對(duì)容積流量呈非單調(diào)變化關(guān)系。2.2低壓缸零做功運(yùn)行安全技術(shù)措施2.2.1完善低壓缸運(yùn)行監(jiān)視測(cè)點(diǎn)低壓缸零做功供熱改造后，機(jī)組低壓缸零做功運(yùn)行時(shí)，低壓缸通流部分運(yùn)行條件大幅偏離設(shè)計(jì)工況，處于極低容積流量條件下運(yùn)行。為方便監(jiān)視低壓缸通流部分運(yùn)行狀態(tài)，確保機(jī)組安全運(yùn)行，我們進(jìn)行改造以下運(yùn)行監(jiān)視測(cè)點(diǎn)：①增加低壓缸末級(jí)、次末級(jí)動(dòng)葉出口溫度；②增加中壓缸排汽壓力和溫度；③增加低壓缸進(jìn)汽壓力和溫度；④更換原段抽汽壓力、低壓缸排汽壓力變送器更換為高精度絕壓變送器。以上改造測(cè)點(diǎn)全部接入機(jī)組DCS，參與系統(tǒng)控制。2.2.2噴涂處理低壓缸末兩級(jí)葉片金屬耐磨層汽輪機(jī)末級(jí)葉片小流量工況運(yùn)行時(shí)，低壓缸末兩級(jí)處于鼓風(fēng)工況，低壓缸末兩級(jí)后溫度和排汽缸溫度升高。為了降低排汽缸溫度，投入噴水減溫，保證低壓排汽缸溫度在安全指標(biāo)范圍內(nèi)。末級(jí)葉片小容積流量條件下，渦流卷吸減溫水至動(dòng)葉流道，動(dòng)葉出口吸力面水蝕情況加劇，威脅機(jī)組安全運(yùn)行。因此需對(duì)低壓缸末兩級(jí)葉片進(jìn)行金屬耐磨層噴涂處理：①設(shè)計(jì)涂層厚度為在0.10和0.20mm之間；②低壓缸末級(jí)動(dòng)葉片出汽邊根部水蝕區(qū)域防護(hù)涂層范圍；③備涂層的結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)70MPa，硬度HV300在600和900之間，孔隙率＜2%，顆粒平均粒度3.32m，涂層表面需保證均勻。2.2.3設(shè)置低壓缸冷卻蒸汽系統(tǒng)實(shí)施低壓缸零做功供熱改造后，供熱蝶閥完全切斷低壓缸進(jìn)汽。低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的鼓風(fēng)熱量要帶走，必須通入足夠的冷卻蒸汽。新增加的低壓缸通流部分冷卻蒸汽系統(tǒng)汽源取自中壓缸排汽，接入點(diǎn)為低壓缸進(jìn)汽口。相應(yīng)的管道尺寸根據(jù)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)一步進(jìn)行核算。冷卻蒸汽系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)應(yīng)相應(yīng)設(shè)置蒸汽壓力、溫度、流量，并應(yīng)接入機(jī)組DCS，并參與系統(tǒng)控制。附圖：低壓缸零做功改造方案熱力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖2.2.4保證低壓缸高真空采用低壓缸零做功方式運(yùn)行具備可行性，由于低壓缸在高真空狀態(tài)下，低壓缸進(jìn)汽量小，使進(jìn)入的蒸汽密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)運(yùn)行值，鼓風(fēng)影響不至于危及機(jī)組運(yùn)行安全。保證機(jī)組的高真空是實(shí)現(xiàn)此改造方案的首要條件。為保證低壓缸高真空狀態(tài)，需保證真空系統(tǒng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)背壓不低于4.0kPa，且末兩級(jí)葉片的動(dòng)強(qiáng)度經(jīng)設(shè)計(jì)規(guī)范核算滿足相應(yīng)要求。三、 技術(shù)涉及的主要設(shè)備：3.1、 在原有的連通管上加裝LCV液控蝶閥、電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該蝶閥必須滿足機(jī)組低壓缸零做功切缸靈活性、適應(yīng)周期性等。3.2、 增加低壓缸連通管旁路的進(jìn)汽流量控制系統(tǒng)，即增加"切除低壓缸減溫減壓和汽水分離器〃等設(shè)備。3.3、 增加旁路和減溫減壓與自動(dòng)控制系統(tǒng)。計(jì)算各個(gè)級(jí)的相對(duì)容積流量、溫度、壓力、濕度等，并實(shí)時(shí)顯示。3.4、 循環(huán)水系統(tǒng)增加變頻功能。以便根據(jù)需要調(diào)節(jié)真空，達(dá)到調(diào)節(jié)蒸汽排汽比容的作用。四、 技術(shù)改造后達(dá)到的效果：該技術(shù)采用完全密封的液壓蝶閥切斷低壓缸原進(jìn)汽管道進(jìn)汽，實(shí)現(xiàn)低壓缸做功為零、蒸汽去供熱從而提升供熱能力；完全去除排汽去凝結(jié)器的冷源損失，在原進(jìn)汽管道上新增旁路管道，向低壓缸內(nèi)通入少量的冷卻蒸汽，用于帶走低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的鼓風(fēng)熱量。該技術(shù)能大幅提高機(jī)組的電調(diào)峰能力和供熱能力，使供熱期發(fā)電煤耗大幅下降，為新能源消納釋放空間，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、社會(huì)效益顯著。同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組在純凝發(fā)電與深度供熱兩種迥異模式下的不停機(jī)、靈活切換，改造費(fèi)用小，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用大幅降低。五、技術(shù)局限性：該技術(shù)相對(duì)高中低壓缸分體的大容量機(jī)組而言，對(duì)于額定功率50MW機(jī)組來說，抽凝和純凝機(jī)組僅能進(jìn)行技術(shù)改造為抽背或背壓機(jī)組，目前受技術(shù)限制，不能實(shí)現(xiàn)熱、電自由切換，對(duì)于實(shí)現(xiàn)熱、電自由