大型燃煤机组低真空改造后的若干问题

　　张继勇 李小洪 仲崇林

　　(国电吉林热电厂，吉林 吉林 132021)

　　摘要 通过对某厂220MW机组低真空循环水供热改造东北地区首次尝试，低真空供热改造技术，在国内中大型汽轮机发电机组的节能改造中，迈出了关键的一步。运用本次改造成功经验，推动了北方电力与供热市场的共同发展，适应当前的城市供热质量及节能环保需求。为当前的220MW以下机组的生存奠定里基础，220MW机组及以上机组的继续改造扫清了道路上的障碍。。

　　关键词 低真空循环水供热 抽汽式热网供热 改造 经济性

　　前言

　　抽凝式供热机组既发电又供热，相比同类型、同参数的纯凝发电机组具有较高的热效率(燃料利用系数)，但是在能量转换过程中，仍然存在着很大的冷源损失。在汽轮机中做完功的乏汽流最终排入凝汽器，乏汽的热量通过表面式换热器传给了循环冷却水，循环水将热量通过冷水塔排向了大气。凝汽流中巨大的汽化潜热不仅白白地浪费掉了，而且对大气环境造成了热污染。2001年，国家经贸委、国家发展计划委、建设部发布的《热电联产项目可行性研究科技规定》1.6.7条：“在有条件的地区，在采暖期间可考虑抽凝机组低真空运行，循环水供热采暖的方案，在非采暖期恢复常规运行”。现阶段采用低真空循环水供热符合国家现行有关规定。

　　国电吉林热电厂在2013年7月，开始对两台220MW机组其中的一台进行低真空循环水供热改造。通过两年来的运行实践证明，机组的各项运行经济指标能够达到设计要求，可以继续向300MW、600MW机组推广。但是在使用中也出现了一些问题，使即将改造或正在改造的大型火力发电机组发电企业引起注意。

　　1 低真空循环水供热改造原理

　　如图1所示，抽凝机组要实现基本的朗肯循环过程，必须设有冷源，作为热力循环的工质循环利用。从凝汽器出来被加热的循环冷却水进入冷却塔进行冷却后，继续当做冷却水循环利用，汽轮机排汽在真空状态的凝汽器中等温凝结放出大量凝结汽化潜热，这些热量被循环水携带到冷却塔中排入大气，如图1b中表示1-2-3-5-6-1为蒸汽在汽轮机中做功的焓，面积2-3-9-7为排出废汽焓。

　　在上述过程中，如果提高汽轮机排汽温度，降低排汽缸真空度，从而提高循环水温度供给热用户，通过热用户的暖气片散热取代冷却塔，这种运行方式称为低真空循环水供热技术，如图1b中表示面积1-2b-3b-5-6-1为蒸汽做功焓，面积2b-3b-8-7-2b为用于供暖的热量。

　　图1 低真空改造后朗肯循环图

　　低真空循环水供热改造后的经济性主要表现：

　　(1)汽轮机冷正常运行中端损失占总损失的50%以上，如果能利用好这些排放掉的冷端损失是最佳节能方式，节能量大且效果显著，基本上不用增加燃料成本。

　　(2)将进入汽轮机的蒸汽能量中高品质的部分做功用尽，再留给下游凝汽器低真空循环水吸收供热，回收了冷端损失所排放的热量。

　　(3)低真空循环水凝汽器供热后，由于充分的利用了汽轮机的冷端损失，全厂燃料能源利用效率由40%提高到改造后的90%

　　(4)低真空循环水供热改造相比热泵供热改造技术更简单，投资少，运行费用低，收效更大。

　　低真空循环水供热改造特点：城市供热量大，利用汽轮机冷端损失热量，热量品质较低，对于城市供热负荷来说能够稳定供热。

　　2 低真空循环水供热改造适用范围

　　在研究凝汽工况或调节抽汽机组改造为低真空循环水供热的问题时，火力发电企业通常应贯彻如下原则：

　　(1) 在保证用户所需供热量和供热参数的前提下，尽可能多发电;

　　(2) 改造应贯彻简单易行、投资少、见效快的原则;

　　(3) 改造后，机组应能长期安全可靠运行，汽轮机和电厂效率应明显提

　　(4) 东北、华北、黄河流域需要冬季供热地区，对低真空循环水供热都有改造需求市场;

　　(5) 大、中型城市，城市人口密集，供暖要求高，供热需求量大，有大而稳定的供热负荷;

　　(6) 供热火力发电厂最好有两台以上机组，保证其中一台是抽汽供热机组，保证供热需求量大，供热温度高的情况下顶尖峰供热使用。一台改造低真空循环水供热改造，在冬季供热期保持热网基本供热需求。

　　在国电吉林热电厂220MW机组低真空改造之前，国内运行的的低真空循环水供热机组多为50MW机组。大型火电机组改造缺乏成型的工作经验，需要在不断摸索中自己进行总结。但是，从外部供热的自燃环境看，吉林热电厂两台220MW机组其中一台具备低真空循环水供热改造条件。

　　3改造中的实际问题

　　3.1低压缸转子的处理方案

　　低真空循环水供热改造工作中，低压缸末级叶片不做功反而还消耗能量，形成鼓风热量。正常运行中，汽轮机低压缸末级叶片受力最大，决定了汽轮机的运行出力。而低真空循环水供热改造后，低压缸排汽温度和压力参数都发生了改变，末级叶片的受力也比原来设计工况增大，改造后对汽轮机安全性构成威胁。所以，大容量汽轮机低真空循环水供热改造必须对低压转子进行改造。低压缸转子处理上普遍采用的三种方案：

　　3.1.1 低压缸转子两根互换方案

　　汽轮机低真空循环水供热改造后，由制造厂家再打造一个低压缸转子。整个冬季使用新打造的末级叶片短，级数少的汽轮机转子。因为改造后汽轮机低压缸的温度上升，排汽压力升高。所以，在改造过程中使用的转子一般都去掉末级叶片，并将次末级叶片加固，形成冬季供热的低压缸转子。夏季则使用原设计机组的低压缸转子。

　　这种方案是向电厂提供一根备用转子供热用，转子比正常转子少1~2级，其它相同。末级是一个新设计的末级，叶高适当缩短，满足冬季低真空供热要求，相应的新末级隔板和导叶也一并备用一套新的冬季时更换上。夏季时恢复使用原机的转子、隔板。

　　适用条件：

　　(1)冬季供热需求量大，夏季在纯凝汽发电运行时，满负荷或接近满负荷运行;

　　(2)华北、西北、黄河流域(有迎峰度夏任务)，夏季机组都在满负荷运行。

　　优缺点：

　　(1)优点：冬夏季都能保证汽轮发电机组满负荷运行，满足供热与发电的不同需求;

　　(2)缺点：每年需要开缸两次更换转子，新转子与原来发电机转子不是同一批次，对轮螺栓存在误差比较大，在每次更换时需要铰孔或使用液压螺栓，对设备损伤比较大，提升了造价。

　　3.1.2 低压缸转子改造方案

　　在改造过程中，一般都将使用的转子去掉末级叶片，并将次末级叶片加固，形成专业的低真空循环水供热低压缸转子。安装完成后，不再改造回来，形成了永久性的固定改造。

　　改造方案：

　　(1)将末叶拆除，重新设计末级叶片和相应导叶。新末叶的地叶根照配，叶高适当减短。该转子比正常设计转子少1级，其他相同，满足冬季供热要求。相应的新末级隔板和导叶重新设计，原来末级隔板换成导叶环。

　　(2)改造后就不再动。冬季满足供热需求，夏季将影响出力。但是，夏季这一地区的发电负荷必须要小(不超过原来的70%~80%)，对电厂经济性不会造成影响。(末级叶片决定汽轮机额定出力)

　　适用条件：

　　(1) 冬季有稳定的供热负荷，夏季发电负荷比较小;

　　(2) 东北地区(特别是吉林省、黑龙江省)

　　优缺点：

　　(1) 优点：这种转子改造方式简单，花费资金少，转子不需要经常更换。

　　(2) 缺点：夏季不能投入大发电负荷，纯凝汽式运行电网需要调大发电负荷时困难，机组的额定出力受到了影响。

　　这种改造方案，只适用于机组小缺乏再投资价值，供热质量要求不高，夏季基本上没有发电任务的机组。末级叶片设计强度要好，比次末级叶片要强，拆除末级叶片后，要加强次末级叶片的强度。

　　3.1.3 低压缸转子不做改变

　　低压缸转子原封不动，冬季供热时强行提高凝汽器低真空、排汽温度，循环水直接导入热网进行供暖或进入二次加热器升温。

　　适用条件：

　　(1)优点：投资小见效快，不需要设备改造资金。

　　(2)缺点：缺少安全论证，末级叶片安全性没有保证，对轴系的振动损伤比较大。

　　通过对三种低真空循环水供热后低压转子变更。通过认真对于末级叶片消耗的损失核算，末级叶片将随着机组的容量增大而加长。在提高机组凝汽器的背压和温度的同时，机组的安全性、经济性将受到严重威胁。吉林热电厂11号机组从机组的大容量考虑，供热期间末级叶片所消耗的能量造价要要远远高于更换转子的造价。所以，吉林热电厂采用低压缸转子互换方案。

　　3.2凝汽器支座弹簧核算

　　由于低真空循环水供热改造后，凝汽器内的循环水量、膨胀量发生了改变，需要对凝汽器的弹簧支撑重新核算。原凝汽器弹簧支座由8组共计80个弹簧组成，在凝汽器改造作为热网凝汽器使用后，整个凝汽器壳体热膨胀较原来增大，由此引起弹簧顶起力增大，从而对低压缸有一个较大的向上顶起力，故需对原来弹簧支座进行改造，经过分析，采用改变支座弹簧来解决膨胀引起的弹簧顶起力。

　　经过计算，改造后凝汽器重量约为294t，较原来的304t轻了约10t。正常运行凝汽器水侧重约132t。凝汽器安装温度按15℃考虑，凝汽器支座底板到低压缸死点的高度距离约为10090mm。现将弹簧数量由80个改为64个，选用D09.700.182的弹簧，弹簧刚度206kgf/mm，弹簧自由长度397.5mm。

　　3.3凝汽器内铜管更换为白钢管

　　低真空循环水供热改造后，热网的回水压力比原来循环水压力高，而且温度提高较多，需要考虑凝汽器铜管所承受的压力和腐蚀问题，将原有的铜管全部更换为白钢管。主要是考虑实现低真空循环水供热后，回水压力增加，同时供热循环水水中的Cl-在温度升高下加速腐蚀，将凝汽器内原铜管全部更换为不锈钢管后，增强了凝汽器的承压能力、抗腐蚀能力和换热效果。更换后弥补了原有设计上的不足。

　　4 改造后运行中出现的问题

　　由于大型火力发电机组改低真空供热机组成型经验比较少，虽然经过了缜密理论核算和论证，但是一些小问题还是难免的。

　　4.1用抽汽式供热顶尖峰

　　由于地处环境的一些不可抗拒因素，低真空循环水供热量比抽汽式供热量要小，机组尖峰及供热量需求大时期，存在供热量不足的现象。出现这种现象后，就要弃电保热，保证居民的冬季供暖。放弃低真空供热，用最大抽汽量来完成城市供热任务。而改造后的低真空供热要比抽汽式供热的量小近20%。这样就出现了，低压缸不但不做功反而耗功的不合理现象，低压缸由于产生的鼓风热量，需要投入低压缸喷水进行减温处理。

　　在以后的低真空供热改造中，需要认真考虑这类问题。发电企业改造后的供热总量要超过原有最大热量的30%以上。保证在机组供热尖峰时，不出现放弃低真空供热而使用抽汽式供热。

　　4.2低压转子的改造方案

　　吉林热电厂220MW机组低压转子使用的是转子互换改造方案。而吉林地区夏季的发电负荷只能在额定负荷的60%，最大不超过80%。而另一台没有改造的220MW机组还能保证100%发电。在负荷下低于额定80%下，压缸的末级叶片基本上不做功，反而要耗功。这样，在理论上改造机组就完全可以使用转子改造方案，不使用转子互换方案。以节省低真空循环水供热技改的改造资金，减少了春秋两季的停机揭缸互换转子的费用。

　　4.3 新转子铰孔问题

　　汽轮机对轮螺栓孔在生产过程中，采用的是同步加工。就是将两个对轮固定在一起，同时加工生产保证安装过程中配合间隙，安装时保持原加工孔位置固定安装。而为低真空改造加工的低压缸转子对轮螺栓孔，就无法使用这种方法加工，使用测量定位存在着一定的误差。解决出现误差的办法，就是每次更换转子后对低压缸对轮螺栓孔进行研磨铰孔。而更换回原理的转子，又需要重新研磨铰孔。这样在更换低压缸转子过程中就会人为的造成设备损伤，精度降低。

　　4.4 机组的振动

　　在机组低真空循环水供热改造后，汽轮机的低压缸与发动机之间的7号轴振动就开始上涨，这种上涨虽然符合规程规定数值。但是，却给低真空循环水供热改造工作埋下了阴影，也是在低真空改造后需要解决的问题。

　　5结束语

　　机组低真空循环水供热是能源梯级利用技术的科学应用，是企业推进清洁生产的又一技术进步，是实现企业可持续发展的重大举措。该技术使供热机组热效率进一步提高。循环水供热，回收废热用于居民采暖，节约能源，保护环境，有益于企业，造福于社会。通过一个供热期的运行，计算可以得出经低真空循环水供热造后的机组，比抽汽供热工况运行热经济性明显提高。按每标准煤676元/t算，每个供热期可以节约折合成资金为25222.238t 元/t=1705万元。在北方寒冷地区供热需求幅度大的市场压力下，有着较高的适用性和经济性。