編者按：2016年6月14日國家能源局正式啟動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?；痣婌`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?特此編發(fā)西安熱工研究院節(jié)能設(shè)計研發(fā)所所長黃嘉駟以及國家電投(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，2018年3月28日，沈陽)

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“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利技術(shù)。

2016年8月在華能臨河電廠1號300MW機(jī)組上對方案進(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年國電延吉(200MW)、國電投東方(350MW亞臨界)、楊柳青(300MW亞臨界)、黃臺(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)申請專利已達(dá)20余項(xiàng)。

下面為中國華能集團(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通過低壓蝶閥的開關(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。

對于300MW等級機(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)視測點(diǎn)改造;

低壓缸末級葉片抗水蝕金屬耐磨層噴涂處理;

低壓次末級、末級葉片運(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;

配套自動控制系統(tǒng)改造;

低壓缸零出力運(yùn)行調(diào)試。

國家電投東方電廠：

工期優(yōu)化，以低壓缸冷卻、解體、測點(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，為縮短冷卻時間在調(diào)節(jié)級低于300℃時投入快冷裝置。

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

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

2.4技術(shù)難點(diǎn)

2.4.1葉片動應(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)級內(nèi)容積流量的減小，低壓缸末兩級葉片產(chǎn)生進(jìn)汽負(fù)攻角，蒸汽在葉片壓力面上形成流動分離，在葉根處脫流，葉片動應(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。

某葉片動應(yīng)力與容積流量的關(guān)系曲線：

某汽輪機(jī)末級葉片小容積流量工況流線示意圖：

容積流量減小時，低壓缸末級葉片內(nèi)流動狀態(tài)變化示意圖：

2.4.2低壓缸末級葉片動應(yīng)力核算過程

在一定區(qū)域內(nèi)，鼓風(fēng)和動應(yīng)力確實(shí)隨著低于最小冷卻流量減少而增加，但是經(jīng)過一定區(qū)域后動應(yīng)力會逐漸降低，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，低壓缸長葉片的運(yùn)行安全性，需采用數(shù)值分析方法對小容積流量條件下，末兩級葉片安全性進(jìn)行校核。

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

低壓缸 5 級葉片計算模型：

三維整圈 5 級葉片顯示：

某機(jī)組低壓缸長葉片安全性校核結(jié)果：

1)隨著低壓缸進(jìn)汽流量的減小，在低壓缸末兩級會逐漸出現(xiàn)鼓風(fēng)現(xiàn)象，導(dǎo)致低壓缸末兩級級后溫度升高，因此在切缸過程中應(yīng)密切關(guān)注監(jiān)視、高溫區(qū)的溫度，必要時增加后缸噴水流量。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)生的振動問題。

2)在小容積流量工況下末級葉片的最大動應(yīng)力小于設(shè)計工況下的最大動應(yīng)力，因此，在小容積流量工況下末級葉片的動強(qiáng)度滿足制造廠設(shè)計規(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切缸過程

以國家電投東方電廠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，首站兩臺加熱器進(jìn)氣門全開，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0.1mm.3瓦軸振略有下降，其他參數(shù)無明顯變化。

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)視測點(diǎn)等接入DCS控制系統(tǒng)。

三、實(shí)施案例

3.1 案例一國電吉林龍華延吉

國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)計制造的670t/h超高汽包鍋爐。國電吉林龍華延吉熱電廠1、2號汽輪機(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。

單臺機(jī)組改造總投資(含熱網(wǎng)系統(tǒng)改造)約2000萬元，稅后靜態(tài)投資回收期約2.5年。

國電延吉電廠#2機(jī)切缸現(xiàn)場施工圖：

3.2案例二國家電投遼寧東方

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)場施工圖：

四、投資估算

4.1改造項(xiàng)目投資

改造投資約1000萬元，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)峰政策獎勵收益

以國家電投遼寧東方1號機(jī)組為例：

根據(jù)《東北電力輔助服務(wù)市場運(yùn)營規(guī)則(試行)》(東北監(jiān)能市場[2016]252號)對調(diào)峰輔助服務(wù)對深度調(diào)峰按階梯式報價，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，在電網(wǎng)火電機(jī)組深度調(diào)峰時1號機(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號機(jī)組零出力運(yùn)行共計370小時，參與深度調(diào)峰獲得補(bǔ)償1230萬元，其中第一檔獲得補(bǔ)償497萬元，第二檔獲得補(bǔ)償733萬元。

以240MW供熱負(fù)荷對比切缸前后機(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個月;

訂貨：3個月;

施工、調(diào)試：1個月。

五、邊界條件要求和存在問題

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;

低壓缸各級熱力設(shè)計數(shù)據(jù);

凝汽器擴(kuò)壓段出口設(shè)計背壓;

低壓缸各級葉片裝配圖及工藝要求;

低壓末兩級葉片幾何造型數(shù)據(jù);

低壓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)造型數(shù)據(jù);

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

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

試驗(yàn)采用無線電遙測技術(shù)，在葉片上粘貼電阻絲應(yīng)變片作為傳感元件，通過引線與微型發(fā)射機(jī)相連接。葉片在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下受到激振時產(chǎn)生振動變形引起應(yīng)變片阻值的變化，其信號經(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)音叉對測試系統(tǒng)進(jìn)行了校驗(yàn)和標(biāo)定，減少系統(tǒng)測量誤差。

不均勻的流場中, 葉片如有微弱的初始振動時,就會不斷地從汽流中吸取能量, 當(dāng)能量足夠大時, 便導(dǎo)致葉片振動增大, 即顫振發(fā)作。每臺機(jī)組的風(fēng)險點(diǎn)是不同的，切不可只知其一，不知其二，盲目套用!

5.2國家電投遼寧東方電廠

5.2.1目前東方發(fā)電公司1號鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷在40%MS左右，對應(yīng)的改造后對外供熱量為207.58MW，當(dāng)外界供熱需求在208MW以上時，在電網(wǎng)需要深度調(diào)峰時可對1號機(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，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)是具有知識產(chǎn)權(quán)的專利技術(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。