低壓缸“雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換”循環(huán)水供熱 技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用

華電國(guó)際十里泉電廠140MW汽輪機(jī)

低壓缸“雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換”循環(huán)水供熱技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用內(nèi)容提要：

華電國(guó)際十里泉電廠#5機(jī)組（原125MW后經(jīng)增容改造為140MW）于2011年經(jīng)對(duì)低壓缸及轉(zhuǎn)子進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了低壓缸“雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換”循環(huán)水供熱，經(jīng)一個(gè)冬季采暖期運(yùn)行考驗(yàn)，其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性均達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果。通過熱力試驗(yàn)驗(yàn)證：采暖供熱期內(nèi)發(fā)電煤耗率由純凝工況時(shí)的353g/kWh,降至139g/kWh，降幅達(dá)214g/kWh。由于汽輪機(jī)排汽冷源損失完全被利用，汽輪機(jī)熱效率則由41%上升至97%。一、循環(huán)水供熱改造項(xiàng)目提出的背景在國(guó)家節(jié)能減排政策的鞭策和推動(dòng)下，我國(guó)西、北部廣大采暖供熱區(qū)域城市周邊地區(qū)具備供熱條件的發(fā)電企業(yè)，普遍采用純凝機(jī)組改供熱的方式參與城市集中供熱。改造方法一般是采用中低壓缸連通管打孔抽汽來實(shí)現(xiàn)；在上世紀(jì)80年代后期，也有一些小型（一般容量在25MW以下）汽輪發(fā)電機(jī)組采用純背壓或高背壓循環(huán)水供熱的先例，但規(guī)模一般較小。循環(huán)水供熱改造項(xiàng)目提出的背景2009年9月，山東某發(fā)電廠率先在150MW機(jī)組實(shí)現(xiàn)了高背壓循環(huán)水供熱改造，經(jīng)09至10年采暖供熱期運(yùn)行實(shí)踐證明，該項(xiàng)改造在冬季采暖供熱工況下取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。但唯一不足的是，汽輪機(jī)低壓缸及轉(zhuǎn)子經(jīng)一次性改造后，盡管冬季采暖供熱期能夠?qū)崿F(xiàn)高背壓循環(huán)水供熱，而且具有顯著經(jīng)濟(jì)性和安全性，但非采暖供熱期機(jī)組運(yùn)行工況嚴(yán)重惡化，機(jī)組出力、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、安全性均無法恢復(fù)到原純凝工況，致使全年運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性無明顯改善。循環(huán)水供熱改造項(xiàng)目提出的背景

在認(rèn)真總結(jié)和深刻分析了150MW汽輪機(jī)改造成功的經(jīng)驗(yàn)及存在的問題后，一致認(rèn)為：大中型汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)高背壓循環(huán)水供熱技術(shù)上是可行的，但期望通過對(duì)低壓缸及轉(zhuǎn)子進(jìn)行一次性改造，即可實(shí)現(xiàn)冬季高背壓循環(huán)水供熱，又能保證非供熱期仍具有良好的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，從技術(shù)上是不可能實(shí)現(xiàn)的。、循環(huán)水供熱改造項(xiàng)目提出的背景基于上述分析，提出了汽輪機(jī)低壓缸“雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換”循環(huán)水供熱的改造理念。所謂的低壓缸“雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換”循環(huán)水供熱，即：在供熱運(yùn)行工況時(shí)，使用新設(shè)計(jì)的動(dòng)靜葉片級(jí)數(shù)相對(duì)減少的高背壓低壓轉(zhuǎn)子，凝汽器運(yùn)行高背壓（40～45kPa），對(duì)應(yīng)排汽溫度提高至80℃左右，進(jìn)行循環(huán)水供熱；在非采暖期，再將原純凝轉(zhuǎn)子和末級(jí)、次末級(jí)隔板恢復(fù)，排汽背壓恢復(fù)至原設(shè)計(jì)背壓（4.9kPa），完全恢復(fù)至原純凝機(jī)組運(yùn)行工況。二、高背壓循環(huán)水供熱改造應(yīng)具備的技術(shù)條件高背壓循環(huán)水供熱是在全部停用汽輪機(jī)冷端冷卻設(shè)備（循環(huán)水泵、冷水塔），汽輪機(jī)排汽完全由城市熱網(wǎng)循環(huán)水回水進(jìn)行冷卻而工作的，因此，城市熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度、流量及采暖熱水管網(wǎng)總換熱量是否滿足汽輪機(jī)最大工況排汽冷卻需要，是決定能否采用高背壓循環(huán)水供熱技術(shù)方案的先決條件。高背壓循環(huán)水供熱改造應(yīng)具備的技術(shù)條件

以140MW汽輪機(jī)為例，在高背壓抽凝工況下，汽輪機(jī)排汽量為195.25t/h；排汽總熱量為142.727MW；再加中低壓連通管抽汽通過熱網(wǎng)加熱器放出熱量，熱網(wǎng)循環(huán)水總吸熱量可達(dá)207MW。通過熱平衡計(jì)算，140MW機(jī)組改高背壓循環(huán)水供熱應(yīng)滿足下列三個(gè)條件：1、城市熱網(wǎng)供熱面積不小于460×104㎡；2、熱網(wǎng)循環(huán)水流量應(yīng)大于7200t/h；3、熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度不大于60℃。三、低壓缸雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換循環(huán)水供熱改造的技術(shù)路線在采暖供熱前，汽輪機(jī)低壓缸解體，更換2×4級(jí)高背壓轉(zhuǎn)子及隔板，原末級(jí)及次末級(jí)隔板安裝位置加裝導(dǎo)流環(huán)；將原凝汽器循環(huán)水切換為城市熱網(wǎng)循環(huán)水。低壓缸雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換循環(huán)水供熱改造的技術(shù)路線

為盡可能滿足一級(jí)熱網(wǎng)與二級(jí)熱網(wǎng)的換熱要求，低真空循環(huán)水供熱采用串聯(lián)式兩級(jí)加熱系統(tǒng)，熱網(wǎng)循環(huán)水首先經(jīng)過凝汽器進(jìn)行第一次加熱，吸收低壓缸排汽余熱，然后再經(jīng)過供熱首站蒸汽加熱器完成第二次加熱，生成高溫?zé)崴椭翢崴芫W(wǎng)通過二級(jí)換熱站與二級(jí)熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行換熱，高溫?zé)崴鋮s后再回到機(jī)組凝汽器，構(gòu)成一個(gè)完整的循環(huán)水路。低壓缸雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換循環(huán)水供熱改造的技術(shù)路線在采暖供熱期間低真空循環(huán)水供熱工況運(yùn)行時(shí)，機(jī)組純凝工況下所需要的冷水塔及循環(huán)水泵退出運(yùn)行，將凝汽器的循環(huán)水系統(tǒng)切換至熱網(wǎng)循環(huán)泵建立起來的熱水管網(wǎng)循環(huán)水回路，形成新的“熱-水”交換系統(tǒng)。循環(huán)水回路切換完成后，進(jìn)入凝汽器的水流量降至6000-9000t/h，凝汽器背壓由5～7kPa左右升至40～45kPa，低壓缸排汽溫度由30～40℃升至75～78℃（背壓對(duì)應(yīng)的飽和溫度）。經(jīng)過凝汽器的第一次加熱，熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度由60℃提升至70～75℃（凝汽器端差3℃），然后經(jīng)熱網(wǎng)循環(huán)泵升壓后送入首站熱網(wǎng)加熱器，將熱網(wǎng)供水溫度進(jìn)一步加熱后供向一次熱網(wǎng)。系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如下：低壓缸雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換循環(huán)水供熱改造的技術(shù)路線低壓缸雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換循環(huán)水供熱改造的技術(shù)路線

機(jī)組在結(jié)束采暖供熱后，退出熱網(wǎng)循環(huán)泵及熱網(wǎng)加熱器運(yùn)行，低壓缸再次解體，將原2×6級(jí)純凝轉(zhuǎn)子復(fù)裝，恢復(fù)原循環(huán)水泵及冷卻塔運(yùn)行，汽輪機(jī)運(yùn)行方式完全恢復(fù)至原純凝工況。四、汽輪機(jī)本體部分改造范圍1、低壓缸改造主要更換部件有：（1）低壓整鍛轉(zhuǎn)子；（2）全部2×4級(jí)隔板包括隔板汽封、圍帶汽封；（3）2×4級(jí)動(dòng)葉片；（4）導(dǎo)流環(huán)2套；（5）前、后軸端汽封體及汽封圈；（6）中低、低發(fā)連軸器螺栓。汽輪機(jī)本體部分改造范圍

五、配合高背壓循環(huán)水供熱改造的其它技術(shù)措施確保兩條低壓轉(zhuǎn)子前后對(duì)輪具有良好互換性的技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)低壓缸“雙轉(zhuǎn)子雙背壓互換”的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)就是保證兩條轉(zhuǎn)子具有良好的互換性，避免在轉(zhuǎn)子更換時(shí)對(duì)輪螺孔重復(fù)鉸孔。十里泉電廠改造時(shí)采取的技術(shù)措施：1、將汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子、原純凝低壓轉(zhuǎn)子、低發(fā)對(duì)輪全部運(yùn)至汽輪機(jī)廠，對(duì)低壓轉(zhuǎn)子前后對(duì)輪螺孔進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，確定對(duì)輪螺孔精確坐標(biāo)。2、制定嚴(yán)密的機(jī)加工工藝，利用高精度數(shù)控鏜床加工對(duì)輪螺孔。3、對(duì)輪螺栓采用液壓膨脹螺栓，彌補(bǔ)微小加工誤差。通過采用上述嚴(yán)密的加工技術(shù)措施后，成功實(shí)現(xiàn)了兩條低壓轉(zhuǎn)子互換，避免了現(xiàn)場(chǎng)重復(fù)鉸孔。配合高背壓循環(huán)水供熱改造的其它技術(shù)措施

凝汽器改造汽輪機(jī)經(jīng)高背壓循環(huán)水供熱改造后，凝汽器運(yùn)行工況將發(fā)生較大變化，一是汽輪機(jī)排汽溫度由原來的30～40℃提高到75～80℃，凝汽器膨脹量變化；二是凝汽器銅管內(nèi)工作水壓由0.1～0.15MPa上升至0.55～0.6MPa；十里泉電廠凝汽器改造方案：1、更換凝汽器銅管及管束布置形式。原銅管改用TP304不銹鋼管，管束布置形式由巨蟒型改為雙山峰型。改造后確保供熱工況具有足夠的安全性，純凝工況下有更好的經(jīng)濟(jì)性。2、考慮到TP304不銹鋼管的線脹系數(shù)與凝汽器殼體材料線脹系數(shù)存在差異，避免凝汽器管板脹口承受附加應(yīng)力，在凝汽器后水室管板內(nèi)側(cè)加裝膨脹節(jié)。3、凝汽器下部支撐彈簧高度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。4、凝汽器進(jìn)排水管更換具有更大補(bǔ)償能力的膨脹節(jié)。配合高背壓循環(huán)水供熱改造的其它技術(shù)措施

開式水系統(tǒng)改進(jìn)供熱期汽輪機(jī)冷端設(shè)備停用后，汽輪機(jī)輔機(jī)設(shè)備冷卻水水源由臨機(jī)提供，或加裝小循環(huán)水泵提供。配合高背壓循環(huán)水供熱改造的其它技術(shù)措施

汽輪機(jī)軸封冷卻器進(jìn)水加裝板式換熱器汽輪機(jī)高背壓循環(huán)水供熱改造后，由于排汽溫度較大幅度的提高，進(jìn)入軸封冷卻器的凝結(jié)水溫度也同幅度升高，冷卻能力降低，因此，在軸封冷卻器凝結(jié)水進(jìn)口加裝一臺(tái)板式換熱器，控制軸封冷卻器進(jìn)水溫度，維持原有換熱能力。配合高背壓循環(huán)水供熱改造的其它技術(shù)措施

低壓缸汽封調(diào)整高背壓供熱工況運(yùn)行時(shí)，由于汽輪機(jī)排汽溫度的升高，低壓缸下機(jī)座向上的膨脹量增大（約增大0.04㎜），因此，在調(diào)整低壓缸汽封（包括葉頂、隔板汽封）時(shí)，應(yīng)充分考慮下部預(yù)留間隙，避免汽封摩擦。配合高背壓循環(huán)水供熱改造的其它技術(shù)措施

低壓缸末級(jí)、次末級(jí)隔板處加裝導(dǎo)流環(huán)低壓缸安裝2×4級(jí)高背壓轉(zhuǎn)子后，原末級(jí)和次末級(jí)葉輪、隔板處出現(xiàn)較大空擋，且與排汽導(dǎo)流板不銜接，此處易產(chǎn)生蒸汽渦流，影響低壓缸效率，在改造中設(shè)計(jì)加裝導(dǎo)流環(huán)，使汽流平滑過渡，從而達(dá)到保持低壓缸較高效率的目的。配合高背壓循環(huán)水供熱改造的其它技術(shù)措施

排汽缸低負(fù)荷噴水汽輪機(jī)低壓缸高背壓運(yùn)行工況，低壓末級(jí)處于過熱與飽和交變區(qū)，運(yùn)行工況稍有變化，極有可能進(jìn)入過熱區(qū)，排汽溫度將大幅度上升，所以，低負(fù)荷噴水設(shè)計(jì)尤為重要，如噴水位置設(shè)計(jì)不當(dāng)，排汽溫度將難以控制。低負(fù)荷噴水合理安裝位置應(yīng)設(shè)在導(dǎo)流環(huán)出口處，及早與蒸汽混合，有利于控制排汽溫度。六、汽輪機(jī)低壓缸“雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換”循環(huán)水供熱技術(shù)在十里泉電廠的應(yīng)用情況2010年8月，在完成150MW等級(jí)高背壓循環(huán)水供熱改造調(diào)研，在深入分析和認(rèn)真總結(jié)了汽輪機(jī)低壓缸通過一次性改造，實(shí)現(xiàn)高背壓循環(huán)水供熱改造的優(yōu)缺點(diǎn)后，提出了汽輪機(jī)低壓缸“雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換”循環(huán)水供熱的初步構(gòu)想，經(jīng)與上汽、哈汽、東汽三大汽輪機(jī)廠及北京全四維動(dòng)力公司進(jìn)一步調(diào)研收資，充分肯定了改造思路技術(shù)上的可行性，同年11月完成了《140MW汽輪機(jī)低壓缸“雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換”循環(huán)水供