东方1 000 MW级火电机组供热改造方案探讨

2018-11-02唐涛张良平周永东刘金芳

东方汽轮机 2018年3期

唐涛，张良平，周永东，刘金芳

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

0 前言

随着国内电力市场的逐渐饱和，国内火电机组可利用小时数进一步下降，以前纯发电的大容量机组包括1 000 MW机组也需要调峰运行，这样就无法充分发挥大容量机组的真正能力，另外随着中国城市化发展，北方城市冬季供暖需求量在加大，考虑到环保问题，供暖点也在向多个点逐渐向单一点或远距离供热发展。基于以上情况，以前只作为主力发电的1 000 MW机组，目前也开始策划准备供热改造，以适应企业本身和社会的发展。

对于机组的供热改造设计研发，东汽具有起步早、研发能力强、功能强、品种多、控制方式成熟的优势。东方供热改造起步于1984年山西太原一电厂300 MW（D19）供热机组。随后自主研发并首次成功运用了旋转隔板调整抽汽、中压调节阀调整抽汽。此外针对各种等级机组东方可设计0.4 MPa、 1.0 MPa、 1.3 MPa、 1.5 MPa、 2.5 MPa、4.0 MPa各档抽汽[1]。因此供热改造东汽具有较强的优势。

1 东方供热改造方案

供热改造根据抽汽方法主要分为可调整抽汽和非调整抽汽[2]。此外供热改造可根据通流是否参与改造，分为通流改造及非通流改造两种，非通流改造下的供热改造原则上不对锅炉和发电机进行任何改动，对通流内部不进行任何改造，对汽缸、阀门等大部件改动尽量小，此改造周期短，投资小，投资回报率较高，因此本文仅介绍非通流改造。

东方1 000 MW机组为超超临界、单轴、一次中间再热、四缸四排汽汽轮机，中压缸为双分流形式，中压排汽通过连通管汇合后流向两个低压缸。针对该机型的供热改造，考虑到运行后汽缸老化、改造成本等原因，不再对汽缸、阀门进行任何改造。因此对具有工业用途的供热改造主要通过对再热管道打孔抽出，对采暖供热改造主要通过对连通管进行改造，增加供热蝶阀调节抽出。对于工业抽汽，由于抽汽在再热管道上，因此对本体的影响较小，仅需核算因抽汽后，进入中压、低压流量压力的变化，引起推力的变化，因此本文不再详细论述。

对采暖抽汽，因为参数的波动性，以及考虑到对本体影响，在抽汽管路上还需配置安全阀、快关调节阀、抽汽止回阀、电动闸阀等，以对本体各设备进行保护，相关系统图如图1所示。

图1 抽汽供热系统图

采暖抽汽因需在连通管上增设一套供热蝶阀，供热蝶阀和执行机构重量较大，因此在结构布置上，根据供热蝶阀布置的位置及支撑形式不同，形成了三种方案：

（1）方案1：蝶阀置于中压排汽处，见图2。

图2 蝶阀置于中排布置图

（2）方案2：蝶阀置于连通管水平段，见图3。

图3 蝶阀置于连通管水平段布置图

（3）方案3：蝶阀置于低压进汽口，见图4。

图4 蝶阀置于低压进汽口布置图

方案1中蝶阀置于中压排汽口处，抽汽口在蝶阀下，连通管标高需抬高一个蝶阀和孔口高度，连通管标高抬高较高，对厂房起吊空间要求较高。另外，根据类似工程经验，此类布置容易在阀门小开度工况下产生连通管汽流激振问题。

方案2中由于蝶阀和执行机构较重（按照对应的连通管管径，估算蝶阀及执行机构重量约5 t），蝶阀和执行机构布置于连通管水平段，由于连通管为薄壁圆筒型结构，连通管无法直接承受蝶阀和执行机构的重量，需增加辅助支撑，见图5。

图5 蝶阀置于连通管水平段方案示意图

针对该方案，缺点如下：

（1）由于母型机结构紧凑，中排中心线距离低压进汽中心线间距很小，同时考虑到波纹管的布置，门型梁及蝶阀实际位置在A低压缸上部。因此对A低压缸的检修较为麻烦，不动B低压缸情况下，吊走连通管后需吊走门型梁，若不动门型梁，吊走连通管后，需吊走B低压缸上部，才能检修A低压缸。

（2）门型梁落足生根的地方对基础要求较高，该改造对基础的依赖性较强。

（3）连通管在冷热态下天地方向标高会发生变化约为22 mm，而门型梁支撑点在冷热态下标高不变，难以实现冷热态下支撑力相同。

因此不推荐采用方案1和方案2。本文将详细论述方案3的可行性及优缺点。

2 蝶阀置于低压进汽口方案论证

本节将从该方案的可行性、安全性、优缺点等详细论述该方案。

2.1 供热蝶阀置于低压进汽口结构方案

将供热蝶阀置于低压进汽口，打孔抽汽位于中压排汽口。供热蝶阀直接与低压汽缸进汽相连，由于供热蝶阀重量较大，考虑到蝶阀作用下汽缸变形导致通流间隙的变化，因此蝶阀置于低压进汽口，需额外增加辅助支撑，辅助支撑位于低压外缸上，如图6所示。

图6 蝶阀置于低压进汽口方案示意图

2.2 蝶阀置于低压进汽口对汽缸影响

蝶阀置于低压进汽口，需论证蝶阀对低压缸变形以及强度的影响，特别是蝶阀全关压差作用下，低压缸的刚性以及强度是否满足安全性要求。由于汽缸的结构较为复杂，对强度和刚性的校核只能通过有限元计算实现。对汽缸离散化后，汽缸满足的力学平衡方程如下：

其中K为离散化后的刚度矩阵，U为离散后的节点位移，方程的右侧为载荷。载荷分为三类，体积载荷（PV）、面载荷（PS）、集中载荷（F）。本结构中，将蝶阀的重量以及蝶阀全关压差作用下的集中力F转化为进汽口的面载荷PS进行加载计算。

按照两种极端工况对该方案进行计算，蝶阀对低压缸的影响计算云图如图7所示。

（1）支撑失效，蝶阀重量及蝶阀全关作用下所有力由低压内缸支撑。

（2）支撑过强，蝶阀重量及蝶阀全关作用下所有力由低压外缸支撑。

图7 蝶阀对低压缸的影响计算云图

由计算结果可知：当支撑失效，仅由低压内缸支撑时，且在蝶阀全关压差作用下，低压缸通流内轴向间隙变化较小，刚性满足要求，但低压内缸强度不满足要求。低压内缸可以承受部分蝶阀重量及蝶阀全关压差作用下载荷，但支撑失效仅由低压内缸支撑无法满足要求。当支撑过强，载荷全部由低压外缸承担，低压外缸最大变形位于支撑位置，由于低压外缸不影响通流内部间隙，该变形量不会引起低压内缸与外缸任何干涉，因此刚性满足要求。低压外缸工作温度较低，许用应力较大，强度满足要求。

通过计算可知，增加辅助支撑，蝶阀由外缸支撑，能够满足低压缸的强度刚性要求。允许低压内缸承担部分蝶阀重量或蝶阀全关蒸汽压力，但支撑不能失效，不能由低压内缸承担所有载荷，若支撑失效需及时对机组进行检修。

2.3 蝶阀置于低压进汽口对轴承座标高的影响

东方1 000 MW机组的低压轴承座落在低压外缸端部。外缸作为供热蝶阀的支撑，在工作状态下，外缸将变形，此变形会引起轴承座标高的变化。通过有限元计算，轴承座附近变化量云图如图8所示。

图8 蝶阀对轴承标高影响计算云图

不考虑冷热态变化，仅考虑蝶阀重力作用以及蝶阀全关压差作用，低压外缸支撑供热蝶阀和原低压模块相比较，轴承座处天地方向的变形较小，可以忽略对轴承座标高的影响，不影响轴系的安全稳定运行。

2.4 内外缸进汽口膨胀的匹配

蝶阀支撑在低压外缸上，低压外缸工作温度约为30℃，低压内缸进汽口工作温度约为380℃，低压内缸进汽口在冷热态下天地方向变化量约为22 mm，因此需在低压内缸与供热蝶阀之间增加一波纹管，以抵消相应的热膨胀。局部结构详图如图9所示。

图9 内外缸匹配波纹管位置示意图

2.5 供热压力过低对通流的影响

供热机组的供热压力有一定的波动范围。当供热压力过低时，需对中压通流安全性进行校核。对东方典型的湿冷和空冷1 000 MW机组进行计算可知，中压动叶强度及刚性均满足要求。对中压末两级隔板的强度及刚性影响较大，通过计算中压末两级导叶的强度裕度较小，考虑到机组运行后的老化等问题，建议更换末两级隔板导叶。

2.6 供热压力过高对连通管、波纹管的影响

当供热压力过高，会触发供热管路上安全阀报警或停机。需考核报警或停机压力下，连通管及波纹管的强度能否满足要求。连通管为薄壁圆筒结构，按照薄壁圆筒结构对连通管进行计算可知，满足强度要求。咨询相关波纹管厂家，在提供了相应的直径及工作压力后，能设计出相应稳定可靠的波纹管。

2.7 蝶阀置于低压进汽口的优缺点

该方案从结构布置上较为简洁美观。通过前文的论证可知，该方案对本体影响较小，仅需更改中压末两级隔板。将蝶阀置于低压进汽口，连通管在中排位置打孔抽汽，起吊高度仅需增加一供热蝶阀高度，对厂房影响较小。此外电厂对连通管或低压缸检修和原机组类似，均较为方便。

由于东方1 000 MW机组为两个低压缸，必须设置两套供热蝶阀，此两套供热蝶阀在控制上需同步，逻辑控制上较易实现，在东方其他供热机组上有成熟的应用经验。

3 供热改造对辅机、控制的影响

供热抽汽后，由于各段抽汽参数变化，因此需重新核算抽汽口是否满足要求，同时考虑对加热器的影响，考虑回热系统是否能安全稳定运行。通过分析可知，连通管抽汽量按1 200 t/h核算，抽汽量变化不大，抽汽口的流速影响不大，各加热器温升变化小，因此对抽汽回热系统影响较小。

供热抽汽后，需补水至排汽装置，以保证主蒸汽流量。电厂需增设一套补水系统。

供热抽汽后，为保证汽轮机安全可靠运行，汽轮机DEH逻辑需进行相应改造，同时供热抽汽系统所增加的供热蝶阀及供热快关阀需增加液压控制系统（DEH油源），相应的DCS中需增加这部分控制硬件及软件。另外，为保证高、中、低压通流叶片在安全范围内运行，汽轮机需增设部分安全监视测点，如1抽至高排压差、中压缸排汽压力、中压排汽温度、低压缸进汽压力等。