火电灵活性技术之低压缸零出力改造

编者按：2016年6月14日国家能源局正式启动灵活性改造示范试点项目，并于6月28日、8月5日下达第一、二批火电灵活性改造试点项目清单。火电灵活性成为了热点话题。根据《电力发展十三五规划》，十三五期间火电灵活性改造的规模为3.2亿千瓦。国内发电公司、电厂、设备厂、科研院所进行了一些新的尝试。其中，低压缸零出力改造则很直接。其思路是，既然供热机组在供热期要保证供热，又要降低电出力，何不把低压缸出力减少以致为零?那么，这项技术的要点如何，效果如何，怎样避免潜在风险?特此编发西安热工研究院节能设计研发所所长黄嘉驷以及国家电投(SPIC)东方电厂做的介绍。

(黄嘉驷，火电灵活性改造及深度调峰技术交流研讨会，2018年3月28日，沈阳)

一、低压缸零出力技术概况

提高供热机组灵活性的低压缸零出力技术，又称“切除低压缸进汽供热技术”、“切缸供热技术”等，是西安热工研究院专利技术。

2016年8月在华能临河电厂1号300MW机组上对方案进行了实施，在2017年供热末期进行了试运，各项运行参数安全稳定。

2017年国电延吉(200MW)、国电投东方(350MW亚临界)、杨柳青(300MW亚临界)、黄台(350MW超临界)项目陆续安全投运，标志着西安热工院低压缸零出力供热技术日趋成熟。

低压缸零出力技术的核心是仅保留少量冷却蒸汽进入低压缸，实现低压转子“零”出力3000转运行，更多的蒸汽进入供热系统，提高供热能力!降低电负荷，同时降低发电煤耗!

该技术运行方式能够实现供热机组在抽汽凝汽与高背压的不停机灵活切换，不仅改造费用小，运行维护费用也大幅降低。

西安热工院目前围绕该技术申请专利已达20余项。

下面为中国华能集团公司、西安热工研究院有限公司、西安西热节能技术有限公司、北方联合电力有限责任公司、北方联合电力有限责任公司临河热电厂共同获得的实用新型专利。

二、低压缸零出力(切缸)改造技术

2.1技术原理

2.2技术特点：

2.2.1对汽轮机本体改造范围很小，实现汽轮机余热回收;

2.2.2通过低压蝶阀的开关实现低压缸“零出力”与“满出力”在线切换，在电网波谷阶段低压缸“零出力”实现机组深度调峰，在电网波峰阶段低压缸“满出力”运行，满足电网用电需求，既实现了余热回收，又满足了电网峰谷需求，实现了热电解耦。

对于300MW等级机组，改造后相同主蒸汽量条件下，采暖抽汽流量每增加100t/h，供热负荷增大约71MW，电调峰能力增大约50MW，发电煤耗降低约36g/kWh。

2.3改造措施

根据低压缸零出力供热技术实现原理和需求，改造总体工作范围如下：

进口技术供热蝶阀改造;

增设低压缸冷却蒸汽系统;

配套汽轮机本体运行监视测点改造;

低压缸末级叶片抗水蚀金属耐磨层喷涂处理;

低压次末级、末级叶片运行安全性校核;

配套供热系统改造;

配套抽空气系统改造;

配套自动控制系统改造;

低压缸零出力运行调试。

国家电投东方电厂：

工期优化，以低压缸冷却、解体、测点安装、低压缸回装、油循环为主线工期，其他改造围绕主线工期同步进行。

停机后低压缸冷却，为缩短冷却时间在调节级低于300℃时投入快冷装置。

具备揭缸条件时，拆除低压缸进行末级叶片温度测点安装，低压汽封更换。

冷却蒸汽旁路先预制，安装时，将低压缸导管进汽法兰加垫片，防止焊接时碎渣进入低压缸。

2.4技术难点

2.4.1叶片动应力是否满足汽轮机安全需要是改造可行的先决条件

汽轮机级内容积流量的减小，低压缸末两级叶片产生进汽负攻角，蒸汽在叶片压力面上形成流动分离，在叶根处脱流，叶片动应力增加、鼓风、水蚀加剧等现象。这些变化不仅直接影响机组的运行效率，还可能诱发叶片颤振，威胁机组安全运行。

某叶片动应力与容积流量的关系曲线：

某汽轮机末级叶片小容积流量工况流线示意图：

容积流量减小时，低压缸末级叶片内流动状态变化示意图：

2.4.2低压缸末级叶片动应力核算过程

在一定区域内，鼓风和动应力确实随着低于最小冷却流量减少而增加，但是经过一定区域后动应力会逐渐降低，到一定流量后又回到叶片的安全区域。

为保证低压缸零出力工况下，低压缸长叶片的运行安全性，需采用数值分析方法对小容积流量条件下，末两级叶片安全性进行校核。

数值分析首先建立低压缸通流区域5级联合计算的CFD计算模型。之后，计算获得小容积流量条件下通流部分稳定流场分析，随后将流动计算获得结果作为边界条件叠加至低压缸长叶片动力力分析模型，从而获得不同容积流量条件下，低压缸长叶片的动应力变化特性。

低压缸 5 级叶片计算模型：

三维整圈 5 级叶片显示：

某机组低压缸长叶片安全性校核结果：

1)随着低压缸进汽流量的减小，在低压缸末两级会逐渐出现鼓风现象，导致低压缸末两级级后温度升高，因此在切缸过程中应密切关注监视、高温区的温度，必要时增加后缸喷水流量。以此避免由于高温引起的汽缸变形，进而引发转静部件中心线不一致而产生的振动问题。

2)在小容积流量工况下末级叶片的最大动应力小于设计工况下的最大动应力，因此，在小容积流量工况下末级叶片的动强度满足制造厂设计规范要求。

低压缸单边进汽流量9.3t/h：

低压缸单边进汽流量29.8t/h：

低压缸单边进汽流量238.6t/h：

2.4.3切缸过程

以国家电投东方电厂350MW亚临界机组为例。

中低压导管蝶阀全关，供热速关阀全开，首站两台加热器进气门全开，主蒸汽流量保持在480 t/h左右运行，电负荷80MW,供热流量为320t/h左右，首站加热器出口水温100℃左右。中压缸排气压力0.45Mpa。

切缸运行后，低压缸差账上涨2mm左右，串轴正方向串动0.1mm.3瓦轴振略有下降，其他参数无明显变化。

2.5其它改造

2.5.1辅助系统适配性分析

根据低压缸零出力改造后运行需求，进行汽轮机辅机和供热系统适配性分析，根据适配性分析结果制定优化、改造方案。

2.5.1.1汽轮机辅机适配性分析

凝汽器(包括空冷岛和机力塔)及抽空气系统;

循环水泵及循环水系统;

凝结水泵及凝结水系统;

2.5.1.2供热系统适配性分析

供热抽汽管道

热网首站(包括热网加热器、热网疏水泵、热网循环水泵)

热网循环水管道

2.5.2热控部分改造

实施供热节能改造后，控制系统配套主要改造内容如下：

1)梳理原控制系统中与供热抽汽相关的控制逻辑，取消或修改与低压缸零出力供热有冲突的相关控制逻辑。

2)梳理原控制系统中与低压缸运行相关的保护定值设置，确认各控制逻辑与低压缸零出力运行要求一致。

3)增加低压缸零出力供热投入/切除控制逻辑。

4)改造方案新增加监视测点等接入DCS控制系统。

三、实施案例

3.1 案例一国电吉林龙华延吉

国电吉林龙华延吉热电厂锅炉是由哈尔滨锅炉厂有限责任公司设计制造的670t/h超高汽包锅炉。国电吉林龙华延吉热电厂1、2号汽轮机是哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的C160/N200-12.75/535/535/0.245型汽轮机。末级叶片高度855mm。

2017年供热期前进行了低压缸零出力改造。改造前设计额定采暖抽汽流量230t/h，最大采暖抽汽流量350t/h;改造后额定抽汽量达到457t/h，最大抽汽量达到489.5t/h。

单台机组改造总投资(含热网系统改造)约2000万元，税后静态投资回收期约2.5年。

国电延吉电厂#2机切缸现场施工图：

3.2案例二国家电投辽宁东方

辽宁东方电厂锅炉是由哈尔滨锅炉厂有限责任公司设计制造的1165t/h亚临界汽包锅炉。汽轮机是哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的N350-16.7/538/538型亚临界凝汽式汽轮机。全四维通流改造后末级叶片高度1018mm。

2017年供热期前进行了低压缸零出力改造。改造前机组最大抽汽量为462t/h;改造后机组最大抽汽流量为648t/h，改造后机组供热抽汽流量增加约186t/h 。

东方1号机组低压缸零出力改造项目(一期工程)静态总投资998万元，投资回收期在2年左右。

辽宁东方电厂#1机切缸现场施工图：

四、投资估算

4.1改造项目投资

改造投资约1000万元，汽轮机辅机及供热系统根据适配性分析结果确定改造方案后确定投资额。

4.2改造项目收益

增加供热收益

降低发电煤耗收益

调峰政策奖励收益

以国家电投辽宁东方1号机组为例：

根据《东北电力辅助服务市场运营规则(试行)》(东北监能市场[2016]252号)对调峰辅助服务对深度调峰按阶梯式报价，按照调峰电量进行相应补偿。

由上表可知在供热负荷≤388MW时，在电网火电机组深度调峰时1号机组切缸运行可获得较高调峰补偿收益。

春节前后1号机组零出力运行共计370小时，参与深度调峰获得补偿1230万元，其中第一档获得补偿497万元，第二档获得补偿733万元。

以240MW供热负荷对比切缸前后机组经济性如下表：

注：Qmin、Qnom和Qqg分别表示一定供热负荷下锅炉最小出力工况、锅炉额定出力工况以及切缸工况

切缸后Qmin和Qnom工况热耗率分别下降约1871.0kJ/(kW˙h)和2276.5kJ/(kW˙h)，折合发电煤耗分别下降约69.7g/(kW˙h)和84.8g/(kW˙h)。切缸后发电煤耗平均降低60g/kWh。

2018年2月份机组发电煤耗同比降低16.11g/kWh。

4.3 改造项目工期

可研：1个月;

订货：3个月;

施工、调试：1个月。

五、边界条件要求和存在问题

5.1安全性校核需要汽轮机制造厂提供的资料

低压缸整缸叶型几何型线;

排汽缸扩压段几何型线;

低压缸各级热力设计数据;

凝汽器扩压段出口设计背压;

低压缸各级叶片装配图及工艺要求;

低压末两级叶片几何造型数据;

低压转子结构造型数据;

低压末两级叶片材料牌号及其物理性能参数、力学性能参数。

在缺少安全性校核资料数据时，应进行汽轮机动叶片动应力试验。

试验采用无线电遥测技术，在叶片上粘贴电阻丝应变片作为传感元件，通过引线与微型发射机相连接。叶片在旋转状态下受到激振时产生振动变形引起应变片阻值的变化，其信号经发射机调制发射，由接收天线环接收，并经高频电缆送至接收机后，由记录仪对试验数据进行记录并分析。

试验前在西安热工研究院有限公司实验室采用标准音叉对测试系统进行了校验和标定，减少系统测量误差。

不均匀的流场中, 叶片如有微弱的初始振动时,就会不断地从汽流中吸取能量, 当能量足够大时, 便导致叶片振动增大, 即颤振发作。每台机组的风险点是不同的，切不可只知其一，不知其二，盲目套用!

5.2国家电投辽宁东方电厂

5.2.1目前东方发电公司1号锅炉最低稳燃负荷在40%MS左右，对应的改造后对外供热量为207.58MW，当外界供热需求在208MW以上时，在电网需要深度调峰时可对1号机组实施低压缸切除运行方式。

5.2.2切缸运行存在一定的滞后性，大约滞后0.5小时，需与电网电网调度做好提前沟通。

5.2.3机组带大负荷能力应能满足，否则电网有相应的考核。

六、结论

1 低压缸零出力改造技术是具有知识产权的专利技术;

2 低压缸零出力改造技术已经获得若干成功应用;

3 低压缸零出力改造费用低，有效提高供热能力、灵活性，大幅降低发电煤耗。