摘要：为缓解热电之间的矛盾,进一步提升机组灵活性,国内发电公司实行供热改造对低压缸零做功技术进行了探讨;分析了低压缸零做功运行后低压缸末级叶片安全性,并制定出完善低压缸运行监视测点、末级叶片金属喷涂、设置低压通流冷却蒸汽系统以及维持低压缸高真空等技术措施;对改造后的供热与调峰能力进行了分析并核算改造后的经济收益。结果表明,在保证机组安全运行的前提下,低压缸零做功技术不但实现了热电解耦,还进一步减少了汽轮机冷源损失,提高了机组运行经济性，保证了机组安全运行。
关键词：低压缸 零做功 供热能力 降低煤耗 热经济性 冷源损失
一、技术背景及必要性：
1.1本技术积极响应国家火电灵活性改造政策要求，从负荷侧、电源侧、供热侧多措并举，充分挖掘现有机组系统调峰能力，增强机组适应性，破解采暖供热与发电调峰难题的具体举措，也是加快能源技术创新，挖掘燃煤机组深度供热能力进行的大胆创新。自2016年6月我国正式启动火电灵活性改造示范试点工作以来，全国各大发电集团积极投身于灵活性改造的研究和实践。
1.2机组灵活性改造主要包括两个方面：一是增加机组运行灵活性，即要求机组具有更快的变负荷速率、更高的负荷调节精度及更好的一次调频性能；二是增加锅炉燃料的灵活性，即机组在掺烧不同品质的燃料时，确保锅炉的稳定燃烧以及机组在掺烧工况下仍有良好的负荷调节性能。
二、技术简要介绍：
该技术为低压缸零做功技术，又称“切除低压缸进汽供热技术”“切缸供热技术”，其核心是仅保留少量冷却蒸汽进入低压缸，实现低压转子“零”做功3000转运行，让更多的蒸汽进入供热系统。
改造的关键，是在原有的中低压缸连通管上加装LCV液控蝶阀，电动执行机构。同时机组的双低压缸结构、大功率大容量、低压次末级和末级叶片偏长等特点，给设计、逻辑保护和排汽温度、控制及叶片安全带来了全新的挑战。
2.1.汽轮机低压缸小容积流量工况：汽轮机运行时，低压缸末两级叶片容积流量减小，蒸汽在动叶根部出口位置产生沿圆周方向的涡流，动叶根部流线出现向上倾斜，出现脱流现象；容积流量继续减小，动叶根部出口位置的涡流区域与脱流高度增加；容积流量进一步减小，则涡流区域与脱流高度加大，且会在喷嘴和动叶间隙出现涡流。动叶根部开始出现脱流及其后容积流量更小的工况称为级的小容积流量工况。这种工况下，出现叶片动应力增加、鼓风、水蚀加剧等，直接影响机组的运行效率，同时诱发叶片颤振，威胁机组安全运行。低压缸小容积流量工况对机组安全性的影响如下：
1）汽轮机级的容积流量减小时，动叶进口速度减小，甚至为负值，造成动叶做功为负，需要消耗机械功。汽轮机某级不对外做功，消耗机械功的工况为鼓风工况。叶片在鼓风工况下运行时消耗的机械功会很快转变为热能，加热转子和叶片。小容积流量工况时，蒸汽流量过小不足以带走汽轮机鼓风热量，会引起低压缸过热、低压缸变形等危及汽轮机安全的问题。
2）因低压缸末两级叶片叶形弯扭，叶片长度大、叶顶薄、抗振性能弱等特点，叶片在小容积流量工况下运行时会出现大幅冲角运行，叶片会颤振，严重会造成叶片损害断裂，威胁机组安全运行。相对容积流量减小的过程中，当减小到一定范围时，叶片振动应力开始迅速增加，之后达到最大值，容积流量进一步减小，振动应力逐渐减小，振动应力与相对容积流量呈非单调变化关系。
2.2 低压缸零做功运行安全技术措施
2.2.1完善低压缸运行监视测点
低压缸零做功供热改造后，机组低压缸零做功运行时，低压缸通流部分运行条件大幅偏离设计工况，处于极低容积流量条件下运行。
为方便监视低压缸通流部分运行状态，确保机组安全运行，我们进行改造以下运行监视测点：①增加低压缸末级、次末级动叶出口温度；②增加中压缸排汽压力和温度；③增加低压缸进汽压力和温度；④更换原段抽汽压力、低压缸排汽压力变送器更换为高精度绝压变送器。以上改造测点全部接入机组DCS，参与系统控制。
2.2.2 喷涂处理低压缸末两级叶片金属耐磨层
汽轮机末级叶片小流量工况运行时，低压缸末两级处于鼓风工况，低压缸末两级后温度和排汽缸温度升高。为了降低排汽缸温度，投入喷水减温，保证低压排汽缸温度在安全指标范围内。末级叶片小容积流量条件下，涡流卷吸减温水至动叶流道，动叶出口吸力面水蚀情况加剧，威胁机组安全运行。因此需对低压缸末两级叶片进行金属耐磨层喷涂处理：①设计涂层厚度为在0.10和 0.20 mm之间；②低压缸末级动叶片出汽边根部水蚀区域防护涂层范围；③备涂层的结合强度可达 70 MPa，硬度 HV300 在 600和900之间，孔隙率≤2%，颗粒平均粒度 3.32m，涂层表面需保证均匀。
2.2.3 设置低压缸冷却蒸汽系统
实施低压缸零做功供热改造后，供热蝶阀完全切断低压缸进汽。低压转子转动产生的鼓风热量要带走，必须通入足够的冷却蒸汽。新增加的低压缸通流部分冷却蒸汽系统汽源取自中压缸排汽，接入点为低压缸进汽口。相应的管道尺寸根据电厂汽水管道设计规范进一步进行核算。冷却蒸汽系统的测点应相应设置蒸汽压力、温度、流量，并应接入机组 DCS，并参与系统控制。附图：
低压缸零做功改造方案热力系统简图
2.2.4 保证低压缸高真空
采用低压缸零做功方式运行具备可行性，由于低压缸在高真空状态下，低压缸进汽量小，使进入的蒸汽密度远远小于传统运行值，鼓风影响不至于危及机组运行安全。保证机组的高真空是实现此改造方案的首要条件。为保证低压缸高真空状态，需保证真空系统机组运行时背压不低于 4.0 kPa，且末两级叶片的动强度经设计规范核算满足相应要求。
三、技术涉及的主要设备：
3.1、在原有的连通管上加装LCV液控蝶阀、电液执行机构。该蝶阀必须满足机组低压缸零做功切缸灵活性、适应周期性等。
3.2、增加低压缸连通管旁路的进汽流量控制系统，即增加“切除低压缸减温减压和汽水分离器”等设备。
3.3、增加旁路和减温减压与自动控制系统。计算各个级的相对容积流量、温度、压力、湿度等，并实时显示。
3.4、循环水系统增加变频功能。以便根据需要调节真空，达到调节蒸汽排汽比容的作用。
四、技术改造后达到的效果：
该技术采用完全密封的液压蝶阀切断低压缸原进汽管道进汽，实现低压缸做功为零、蒸汽去供热从而提升供热能力；完全去除排汽去凝结器的冷源损失，在原进汽管道上新增旁路管道，向低压缸内通入少量的冷却蒸汽，用于带走低压转子转动产生的鼓风热量。
该技术能大幅提高机组的电调峰能力和供热能力，使供热期发电煤耗大幅下降，为新能源消纳释放空间，经济、环保、社会效益显著。同时，能够实现机组在纯凝发电与深度供热两种迥异模式下的不停机、灵活切换，改造费用小，运行维护费用大幅降低。
五、技术局限性：
该技术相对高中低压缸分体的大容量机组而言，对于额定功率50MW机组来说，抽凝和纯凝机组仅能进行技术改造为抽背或背压机组，目前受技术限制，不能实现热、电自由切换，对于实现热、电自由切换的方式目前还待进一步研究。
参考文献：
西安热工研究院有限公司、中国华能集团公司：实用新型专利技术《一种切除低压缸进汽的供热系统》：ZL2017 2 0604399.3
张岩 600MW机组汽轮机低压缸改造效果评价研究 华北电力大学;
美国机械工程师协会 《汽轮机性能试验规程》 （ASME PTC6-1996）
论文作者:刘红霞
论文发表刊物:《基层建设》2019年第21期
论文发表时间:2019/10/14
标签：低压论文; 机组论文; 做功论文; 叶片论文; 工况论文; 容积论文; 流量论文; 《基层建设》2019年第21期论文;