（大唐阳城发电有限责任公司 山西晋城 048100）
摘 要：某发电公司在供热改造实施过程中，结合供热市场、机组配置、机组经济性等做了完善的可行性研究，选定对西门子350MW汽轮机实施连通管打孔抽汽供热改造方案。本文重点对该公司西门子350MW汽轮机最大抽汽量核算、机组安全性评定、机组重要参数变量等进行深入探讨；结合施工过程中的现场设计、工程经验，提出改造设计要点和施工中的注意事项。通过此文，向同类型机组供热改造项目提供工程案例借鉴，并能够充分认识西门子350MW汽轮机的抽汽潜力、安全性评定要素、机组参数变量等，为国内同行提供参考素材。
关键词：汽轮机；抽汽量；供热；排汽温度；改造
0引言
按照国家可持续发展战略、十三五节能减排规划和节能降耗相关政策要求，某发电公司积极调研机组改造路线，在与周边市、县政府接洽后，掌握到周边地区供热需求大，该公司供热改造市场前景光明。邀请专业机构对该公司供热市场、机组配置、机组经济性等做了完善的可行性研究，选定对西门子350MW汽轮机实施连通管打孔抽汽供热改造方案。由于国内西门子350MW汽轮机抽汽供热改造工程案例少，可借鉴经验不够先进，该公司对西门子350MW汽轮机抽汽供热改造可行性进行了深入研究，在机组极限抽汽量、安全性要素、重要参数变量等方面取得了突破，为工程顺利实施提供了强有力的理论支撑。在工程设计中，充分挖掘机组抽汽潜力，最大抽汽量设计500t/h，成为国内同类型机组中抽汽能力最大、热效率最高、性价比最高的机组。
1简介
某发电公司位于山西省阳城县内，总装机容量3300MW，一期安装6台350MW机组，汽轮机为西门子公司生产的亚临界、一次中间再热、单轴、双缸、双排汽、凝汽式汽轮机；二期安装2台600MW机组，汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产的亚临界、一次中间再热、单轴、三缸、四排汽、间接空冷、凝汽式汽轮机。
该公司供热改造可行性研究报告中指出，周边市、县区域近几年供热需求近3800万m2，供热负荷约2200MW。报告中对供热市场、机组配置、机组经济性等做了全面的分析，提出了一套完善的整体供热改造方案。其中对汽轮机供热改造的路线进行了详细分析，指出了连通管抽汽、高背压、光轴、低压缸零出力等各种改造方式的优、缺点，结合西门子进口机组利用小时高、缸效高、热耗低等特点，选定对西门子350MW汽轮机进行连通管抽汽供热改造，与其它型号汽轮机供热改造配合，完成供热改造整体布局。
国内西门子350MW汽轮机抽汽供热改造工程案例少，可借鉴经验不够先进，特邀请西门子公司对350MW汽轮机抽汽改造进行了可行性研究，报告中详细分析了汽轮机抽汽供热改造的安全性，详细核算了各工况下机组最大抽汽量，使我们充分了解到机组的抽汽潜力，为工程实施提供了理论支撑。
2西门子350MW汽轮机抽汽供热改造可行性研究
2.1汽轮机设计参数
额定负荷：350MW
机组热耗(THA)：7755KJ/kWh
主蒸汽流量：294.1kg/s
主蒸汽压力：167bara
主蒸汽温度：538℃
热再热蒸汽流量：240.6kg/s
热再热蒸汽压力：37.8bara
热再热蒸汽温度：538℃
凝汽器压力：0.049bara
能力工况最大凝汽器压力：0.130bara
中压缸排汽压力：4.6bara
中压缸排汽温度：242.7℃
2.2原汽轮机热力学极限
说明：1）在低于长期最大值条件下运行不受运行时间限制。
2）在短期最大值条件下运行每次最多15分钟，每年累计不超过80小时。
3）不允许在高于短期最大值条件下运行。
4）汽轮机不可在启用低压缸排汽喷水的情况下长期运行，这种情况是在排汽温度达到90℃时才会出现。
2.3可行性分析要素
2.3.1叶片装置机械极限
增加中压缸抽汽可能会导致中压排汽压力降低或整个中压缸叶片装置的压力比增加，这可能导致中压缸叶片应力超限，因此需要增加中压缸压比高保护回路。由于在中压缸排汽系统抽汽的工况下高压缸叶片装置和低压缸叶片装置在原机组运行参数范围内，无过应力现象，叶片的机械极限完整性不变。
2.3.2中压缸排汽压力
中压缸排汽压力不得超过当前极限，即长期运行6bara或短期运行6bara，当排汽调节阀关闭，中压缸进汽阀突然完全打开，中压缸进汽阀和排汽通管调节之间被困的蒸汽会导致中压缸排汽区域内的压力在短期内急速上升。另外，在满负荷运行期间，排汽调节阀完全关闭时可能会导致汽轮机中压缸排汽压力峰值超过最大短期压力上限时汽轮机跳闸。
2.3.3中压缸排汽温度
中压缸排汽温度不得超过当前极限，即长期运行259℃或短期运行297℃，在低负荷下进行抽汽供热，排汽调节阀处于节流状态，以达到供热要求的中压缸排汽条件。这可能会导致中压缸排汽温度升高，但是该温度不得超出当前极限。
2.3.4中压缸通流温差
中压缸通流的允许温差为：538℃-242℃=296K(+10K设计裕量)=306K极限，运行中必须在该极限范围内，以保证汽轮机轴向、径向密封间隙在要求范围内。
在抽汽供热条件下，如汽轮机负荷高，而供热需求量较小，需要较低的汽轮机排汽压力，这可能导致整个中压缸通流温差超过允许极限。在这种情况下，需关小排汽蝶阀，增加抽汽压力，可防止中压缸通流温差超过允许极限。
2.3.5低压缸排汽温度
从中压缸排汽抽汽过多会导致低压缸进汽量减少，中压缸排汽抽取的最大流量的限度必须确保低压缸鼓风发热温度不超过低压缸排汽温度允许值，也就是说低压缸进汽量必须大于低压缸鼓风发热所需的最小蒸汽流量。
如果低压缸排气温度升至90℃以上，将会激活低压缸排汽喷水系统，不允许在该工况不允许长期运行。在抽汽供热改造中按低压缸排汽温度不超过长期运行上限温度80℃的限制进行计算(低于90℃的排汽喷水启用温度10K)。
2.3.6轴向推力
由于高中缸为反向布置，只要汽轮机主再热蒸汽流量在汽轮机允许范围内，则高中压缸轴向力就在设计范围内。另外，抽汽供热时，由于排汽调节阀的节流作用，有可能减小汽轮机低压缸的进汽压力。虽然低压缸拥有总体平衡的轴向推力，但由于不对称的低压缸抽汽系统而稍微不对称)，但该影响不会将轴向推力增加至现有极限以上，因此无需对汽轮机本体及轴瓦进行改进。
2.3.7抽汽流速
在抽汽供热情况下运行可能会引起从中压缸抽汽的流速高于原始设计值。在所有供热工况下，A6和A5的抽汽流速保持在较低水平，但A4抽汽流速有时会升至设计值以上。
在抽汽供热情况下运行，不会影响保持在较低水平的A6和A5的抽汽流速超限。但是由于抽汽供热要求，中压缸抽汽条件变化相对较大，因此现有A4抽汽流速变化更为显著。额定的A4抽汽流速约为45m/s，但是在某些抽汽供热情况中，抽汽流速可增加至70m/s，从汽轮机角度来讲，这种变化仍在可接受范围内。
对于A4抽汽流速升高问题，需要对现有的配套设施进行检验，如A4低压加热器等。
为了将抽汽流速维持在大约50m/s以下，建议中低压连通管抽汽供热管路内径为1200mm。
2.3.8低压叶片装置的水蚀
低压缸在过度潮湿的条件下运行可能导致叶片的水蚀，抽汽供热情况会使低压缸最后几级进汽边水蚀的风险增加，但是该机组对低压末级叶片采用了动叶硬化、静叶开槽、外边界疏水等保护措施足以起到保护作用，因此无需对低压缸或其叶片装置进行改造。
抽汽供热改造后，最后一级动叶有可能会在极低低压缸流量下发生出汽边水蚀，但这并不是问题。
汽轮机在低压喷水启用的情况下连续运行是不允许的，因为这也会导致低压缸最后几级过度水蚀。
2.3.9磨损腐蚀
如果汽轮机低压缸在湿度过大的湿蒸汽区运行时，相关部件有可能遭受磨损腐蚀。由于排汽调节阀的节流，在抽汽供热情况下运行会使低压缸进一步远离湿蒸汽区向熵增加的区域移动。所以，实施抽汽供热与现有设计相比不会增加低压缸的磨损腐蚀。因此，无需对汽轮机进行改进。
2.3.10增加抽汽压力控制器
抽汽压力控制器可确保对排汽调节阀进行正确的控制和通过电厂给定的压力设定值来调节阀门的开度。抽汽压力控制器首先检测实际压力和设定点压力之间的差异，然后调节阀门使之相一致。根据西门建议和日照电厂同类型机组供热改造经验，实际压力与设定值之差在20kPa范围内。
2.3.11中压缸排汽压力高保护回路
为防止抽汽供热改造后中压缸排汽压力过高导致汽轮机跳机，需增设压力高保护回路。
2.3.12中压缸压比高保护回路
原中压缸仅有一个压比保护回路位于A5和A6之间的叶片区域，用于保护该区域间叶片应力不超过允许范围。
由于对中压缸排汽管道额外抽汽，有必要增加A4和A5抽汽之间的中压缸末几级叶片压比。为了避免中压缸叶片由于整个中压缸叶片流道的压比过高而应力超限，需要增设中压缸压比高保护回路。
2.3.13中压缸排汽温度高保护回路
原中压缸未安装用于防止中压缸温度过高的保护回路。如果中压缸排汽温度升至高于最大长期温度，将会触发温度高报警；当温度升至高于最大短期温度时，汽轮机将会跳机，因此需增加中压缸排汽温度高保护回路
2.3.14中压缸压比低保护回路
该保护回路与中压缸排汽温度高保护回路相结合能防止由于通过中压缸的流量过小产生鼓风发热，导致中压缸排汽温度过高。如实施抽汽供热，需增加该保护回路。
2.3.15低压缸排汽温度高保护回路
原汽轮机安装的低压缸排汽温度高保护回路可以防止抽汽供热改造后引起的低压缸排汽温度过高。
2.3.16不同工况下最大抽汽量
根据以上条件限制，对汽轮机最大抽汽量进行了核算，由于凝汽器压力不同，各种工况下的最大抽汽量有所变化，具体数据如下：
3工程经验介绍
3.1总体设计说明
根据汽轮机最大抽汽量并留有一定的安全余量，抽汽管道的最大抽汽量按500t/h设计，选用DN1200的抽汽管道，在抽汽管道上设置抽汽气动逆止门、抽汽快关调节阀和抽汽电动蝶阀，为防止抽汽管道超压在抽汽逆止门前设有安全阀，安全阀的排汽排入汽机房外。
对原连通管进行相应改造，在中排排汽管加装三通和排汽调节阀，保证汽轮机在允许极限内运行，同时可对抽汽量进行相应调整。
为保证汽轮机抽汽管道预暖和疏水，在抽汽管道上设有相应的疏水系统。
3.2设计注意事项
3.2.1连通管高度设计
中低压连通管改造设计中，在中压侧垂直段加装三通，三通后加装排汽调节阀，对压力平衡式膨胀节重新设计，连通管整体高度增加约1.5米。设计时连通管高度要在设计范围内尽可能选小，一方面使中、低压侧法兰螺栓承受的力矩较小，防止运行中法兰螺栓断裂，另一方面满足汽机房行车起吊高度要求，不影响连通管正常吊装。
3.2.2压力平衡式膨胀节无应力设计
连通管膨胀节的冷拉值设计应参照原制造商设计参数，一般要求连通管膨胀节的冷拉值应满足连通管与中压缸排汽口、低压缸进汽口温差引起的膨胀值，保证运行中膨胀节处于无应力状态。机组负荷和中压排汽温度变化时，连通管的应力可通过平衡式膨胀节平衡或吸收。
3.2.3排汽调节阀设计
排汽调节阀设计时应具有快开功能，并设置最小关限位，保证在调节阀事故关闭的情况下，调节阀的过汽量仍能满足低压缸最小进汽量，防止低压缸排汽温度高而损坏汽轮机叶片。
3.2.4中压排汽口热位移
抽汽管道的设计与其它高温高压管道设计相同，但设计中应注意由于汽轮机本体热膨胀对抽汽管道的影响。
3.2.5复式拉杆型膨胀节设计
抽汽管道直径大，如采用轴向膨胀节补偿，补偿量较小，且轴向力偏大，设计时采用复式拉杆型膨胀节，该膨胀节适用于轴向膨胀较小，而径向膨胀变形补偿相对较大的工况。
3.2.6流量计的安装
为便于监视各台机组的抽汽量，需在抽汽管道上加装流量计，由抽汽管道直管段较短，无法满足流量计的前10D和后5D的要求，因此只有在供热母管上加装，采用差值法进行计算。虽然在蒸汽管道上可以测量抽汽流量，但汽体流量计与液体流量计相比液体流量计较准确，因此尽可能在回水管道上安装为好。
3.2.7抽汽调节阀设计
为防止抽汽调节阀异常开启导致中排压力突降、机组跳闸、汽轮机中压叶片损坏事故，抽汽调节阀不设置快开功能，但为防止汽轮机超速，抽汽调节阀应设有快关功能。
3.3其他注意事项
3.3.1抽汽管、连通管管径大，要求各配合法兰加工精度高，最好为止口法兰，在试装后及时配装定位销，避免由于焊接应力使螺栓孔错位，正式回装时螺栓孔错位影响回装。
3.3.2抽汽调节阀在选型时考虑机组事故情况下阀门背压的作用力，选择双作用液压缸或者加大油缸弹簧力，避免在机组甩负荷后抽汽调节阀不能快速关闭。
3.3.3供热改造中应充分考虑疏水回收方式，结合热网整体运行方式，满足热网疏水事故情况下，机组能够及时补水，不能因补水不及时造成机组跳闸。
4结束语
通过对西门子350MW汽轮机抽汽供热改造可行性研究报告中最大抽汽量核算、机组安全性评定、机组重要参数变量等深入探讨，得出该型号汽轮机在100%主蒸汽流量下，汽轮机极限抽汽量为662-500t/h，优于同容量其它机组。中压缸排汽的最大抽汽量受限于：低压缸排汽温度<80℃、中压缸排汽温度>259℃ 这两个重要参数，在控制方式上需增加这两个参数相应的控制保护，同时在运行中需加强对低压缸排汽温度、中压缸排汽温度的监视和调整。结合工程实施中的现场设计、施工经验，提出改造设计要点和施工中的注意事项，给同类型机组供热改造项目提供了工程案例借鉴，为国内同行提供了参考素材。
作者简介：
卢利军（1984-），男，汉族，山西晋城人，工程师，本科，现从事汽机检修工作。
于永波（1976-），男，汉族，山西晋城人，工程师，本科，现从事汽机检修工作。
论文作者:卢利军,于永波
论文发表刊物:《电力设备》2019年第10期
论文发表时间:2019/10/21
标签：汽轮机论文; 中压论文; 低压论文; 机组论文; 连通管论文; 温度论文; 压力论文; 《电力设备》2019年第10期论文;