NZK汽轮机组低压缸零出力供热技术的研究与应用

NZK汽轮机组低压缸零出力供热技术的研究与应用

逯宝宏 ,许可相 

中电建甘肃能源华亭发电有限责任公司，甘肃华亭  744106

【摘要】 随着国家循环经济和节能环保产业的发展推进，发电厂集中供热是解决城区环境污染和保障人民群众身体健康的重要举措。本文针对NZK145MW汽轮机组低压缸零出力技术的技术研究，系统改造，技术应用，能耗分析，运行优化，效果评价等方面进行分析论述。通过热电联产改造技术的研究应用，提升了发电厂经济效益和市场竞争力，助推了地方环保治理发展。

【关键词】 NZK汽轮机组    低压缸零出力    技术研究应用

1 背景与意义

为了响应国家及地方政府“蓝天保卫”的总体要求，改善城市大气质量，实现集中供热是改善城市环境，提高城市现代化水平的重要措施，具有良好的社会效益、环境效益和经济效益，是国家产业政策重点支持发展的行业。当地城区已供热面积380万平米，现有 73 万平米新建建筑处于无供热热源的状态。地方供热能源结构不合理，浪费严重。城区存在燃煤分散供热小锅炉房 11 座，该方式低效率、高污染。城区另有联片供热锅炉房 8 座，共有 4.2-14MW低温链条锅炉 41台，能耗高于国家节能指标，污染排放指标大幅超出国家环保排放标准。电厂集中供热改造工程实施，可较好的调整城区的能源消费结构，极大的提高能源综合利用率，为本市的可持续发展创造积极的条件。同时，增加电厂对外供热量，节约燃煤量和提高机组热效率，减少二氧化碳排放，提高电厂能源综合利用水平，提高发电厂市场竞争力，也可缓解城市供热不足状况，带来巨大的节能效益、环保效益与社会效益。

由于冬季供热期间，为了满足供热抽汽需求，机组运行“以热定电”受限运行，为了保障市区供热发展需要的同时，提高集中供热普及率和供热可靠性，提高资源综合利用效率，改善城市环境，符合国家的能源产业政策；同时响应了国家关于新能源消纳、提高火电机组运行灵活性的政策要求。公司开展供热机组灵活性改造，以提高机组的供热能力、供电调峰能力。既满足未来当地城市热负荷增长后供热的需求，又满足当前供热负荷下电网深度调峰的运行要求。

2 机组概述

某公司1、2 号汽轮机为 NZK145-13.2/535/535 型汽轮机是东方汽轮机厂设计制造的超高压、一次中间再热、单轴、冲动式、双缸双排汽、直接空冷凝汽式汽轮机，额定功率为 145MW。机组总长约 14.39m。高压通流部分设计为反向流动，高压和中压进汽口都布置在高中压缸中部。蒸汽经 1 个单列调节级和 8 个压力级做功后，由高压缸前端下部的 2 个高压排汽口排出，经 2 根冷段再热汽管去锅炉再热器。再热蒸汽通过 2 根热段再热蒸汽管进入中压联合汽阀，再经 4 根Φ325×18 中压主汽管从高中压外缸中部上下方向进入中压通流部分。中压缸做完功的蒸汽从上半左右两个Φ900mm 中压排汽口进入连通管(直径Φ1112×10)通向低压缸。低压缸部分为对称分流双层缸结构。蒸汽由低压缸中部进入通流部分，分别向前后两个方向流动，经 2×4 个压力级做功后向下排入直接空冷排汽装置系统，由环境空气直接将其冷却为凝结水，空冷排汽装置由顺流（指蒸汽和凝结水的相对流动方向）管束和逆流管束两部分组成。

3 项目技术研究

3.1极小流量风险控制：提出了基于全面安全分析的低压缸零出力改造的技术路线，构建了基于多物理场耦合计算的低压缸极小流量计算模型，获得了低压缸零出力状态下流动特性，掌握了叶片动应力的分布规律，确定了极小流量的安全 范围，并给出了规避风险的技术要求。

3.2蒸汽特性系统研究：提出了低压缸冷却系统设计方法，掌握了包括叶片气动特性、冷却蒸汽参数、排汽压力等影响冷却蒸汽流量的主要关联因素，确定了冷却管径、壁厚以及支撑跨距等几何结构参数和流速、温度等热力参数，提出了低压缸冷却系统系列成套方案。

3.3末级叶片水蚀研究：提出了末级叶片出汽边防水蚀措施，降低了排汽大涡流卷吸湿蒸汽对末级叶片的危害，制定了低压缸鼓风区温度等重要参数的监测控制方案 ，提升了低压缸末级叶片安全运行的可靠性。

3.4切换状态安全控制：提出了低压缸零出力状态下控制系统无扰切换策略，开发了低压缸零出力控制模块，保证了机组在常规抽汽供热和低压缸零出力运行两种状态下的平稳切换。

3.5特性试验安全分析：开发了低压缸零出力特性试验技术，为低压缸零出力运行工况的投入、调整、切除及优化运行提供了技术支撑。

3.6末级叶片水蚀治理：提出了末级叶片水蚀的预防问题。小容积流量工况运行时，低压缸末级处于鼓风工况运行，导致低压缸末级后温度和低压排汽缸温度升高，为降低低压排汽缸温度，视情况投入一定量的喷水减温，维持低压排汽缸长叶片温度在安全范围内。而小容积流量条件下，末级叶片出现的涡流会卷吸减温水至动叶流道，加剧动叶出汽边根部区域水蚀情况，威胁机组安全运行，对低压缸末级叶片出汽边实施金属耐磨层喷涂处理。

4 项目改造实施

低压缸零出力改造技术在低压缸高真空运行条件下，采用可完全密封的液压蝶阀切除低压缸原进汽管道进汽，通过新增旁路管道通入少量的冷却蒸汽，用于带走低压缸零出力改造后低压转子转动产生的鼓风热量。与改造前相比，低压缸零出力供热技术将原低压缸做功蒸汽用于供热，减少机组冷源损失，降低机组供电煤耗率；在相同锅炉热负荷条件下，可提高机组供热能力；在供热量不变的条件下，可一定程度降低机组发电功率，实现深度调峰。主要设备部件技术改造介绍如下：

4.1中低压连通管改造：根据低压缸零出力运行需要，从中压缸排汽引出冷却蒸汽至低压缸进汽口，用于冷却低压缸末级叶片，在供热蝶阀前、后增加冷却蒸汽管道接口。对原中低压连通管进行改造，连通管上更换供热蝶阀，并在供热蝶阀前、后预留冷却蒸汽旁路接口及相关监视测点（图像1）。

图像1：低压缸零出力改造方案热力系统

4.2供热蝶阀改造：根据低压缸零出力改造技术运行需求，将原不能完全密封的供热蝶阀更换为可完全密封的液压蝶阀，液压蝶阀接口尺寸与改造后中低压连通管规格保持一致。

4.3低压缸运行监视测点完善：实施改造后，当机组在低压缸零出力运行时，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，为充分监视低压缸通流部分运行状态，确保机组安全运行，在低压缸内、外缸对应位置处打孔增加温度测点；增加中压缸排汽压力测点和温度测点；增加低压缸进汽压力测点和温度测点。

4.4低压缸转子动叶处理：小容积流量工况运行时，低压缸末级处于鼓风工况运行，

导致低压缸末级后温度和低压排汽缸温度升高，为降低低压排汽缸温度，投入一定量的喷水减温，维持低压排汽缸长叶片温度在安全范围内。而小容积流量条件下，末级叶片出现的涡流会卷吸减温水至动叶流道，加剧动叶出汽边根部区域水蚀情况，威胁机组安全运行。因此对低压缸末级叶片出汽边实施金属耐磨层喷涂处理（图像2）。

图像2：低压缸末级叶片金属喷涂

4.5低压缸喷水减温系统改造：原低压缸喷水减温系统没有流量测点，喷水减温控制阀门调节特性较差，不能有效的对喷水减温流量进行控制、调节。为便于调节和监视切除低压缸运行时低压缸喷水减温流量，对原低压缸喷水减温系统增加流量测点和调节阀。将原低压缸排汽缸内喷水装置整体更换为雾化喷头式喷水装置，沿低压缸排汽口周向布置8~10个雾化喷嘴（图像3）。

图像3：低压缸喷水减温系统改造系统

4.6低压通流部分冷却蒸汽系统改造：根据低压缸零出力改造技术要求，首先新增加低压缸通流部分的主冷却蒸汽系统，该冷却蒸汽汽源取自中压缸排汽，接入点为低压缸进汽口（中低压连通管上供热蝶阀后适当位置）冷却蒸汽管路上设置调节阀和流量孔板。冷却蒸汽系统应相应的设置蒸汽压力、温度、流量测点，且相关测点均需接入机组DCS系统。

5 关键技术和创新点

5.1鼓风摩擦控制：解决了供热抽汽造成低压缸鼓风摩擦的危害。低压缸零出力技术对低压缸内通流最小冷却蒸汽流量，同时加装温度测点，监视低压缸温度变化，投运冷却减温水，有效控制了低压缸鼓风摩擦的危害。

5.2末级叶片颤振治理：解决了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容易出现大负冲角运行，导致叶片颤振，甚至叶片损害断裂的安全危害。

5.3冷源损失回收：降低了机组运行造成的冷源损失。机组抽汽换热后疏水回收至除氧器进入机组汽水循环，有效的降低了机组乏汽冷凝造成的冷源损失，实现了热量回收，降低了机组发电煤耗，节约了机组耗能。

5.4空冷防冻措施：解决了冬季供热运行空冷岛防冻的安全风险。冬季供热期间机组切换至低压缸零出力运行工况，关闭空冷岛A、C排进汽蝶阀，保证了空冷岛单排进汽流量，防范了因空冷岛进汽不足，造成解冻的安全风险。

5.5出力灵活调整：实现了深度调峰运行工况下机组调整的灵活性。在机组低压缸零出力运行工况下，机组负荷可在30%-85%灵活调整，并能保证供热抽汽量在140t/h-320t/h调整，可以同时满足供热和电网深调运行需求，解决了热电机组“以热定电”的运行矛盾，为新能源电力消纳提供了服务。

6 成果应用效益

6.1通过NZK145MW汽轮机组热电联产灵活性改造技术研究与应用，成功解决当地热源缺口，并取代了41台分散供热小型锅炉，城区供热能耗大幅降低，每年节约标煤 31.5 万吨，节约用水38.5万吨，节约电量660万KWH，能耗节约效益显著。同时，烟尘减排90%以上,氮氧化物和二氧化碳可减排40%以上，对环境效益明显。

6.2通过NZK145MW汽轮机组热电联产灵活性改造技术研究与应用，实现了某市冬季供暖热源供应，年输送供热量260万GJ。同时满足了机组供热期内深度调峰的运行要求，机组负荷可实现85%-30%运行工况调整，机组供热能力的提升，冷源损失的大幅回收，机组发电煤耗由重凝工况的382g降至供热工况的302g，设计最大供热工况发电煤耗可降至196g，发电煤耗大幅下降，取得了良好的经济效益，为公司可持续发展创造了良好条件。

参考文献

[1]《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》GB/T 12145-2008；

[2]《火力发电厂汽水管道设计技术规定》DL/T 5054—1996；

[3]《火力发电厂化学设计技术规程》DL/T 5068—2014；

[4]《华亭发电有限责任公司汽轮机设计说明书》QB/ZDJGT-HD 10602 006-2005；

作者简介

逯宝宏（1980-），男，高级工程师，从事火力发电厂运行技术管理。许可相（1981-），男，工程师，从事火力发电厂运行技术工作。