哈三600 MW 机组汽轮机低压缸切缸改造

哈三600 MW 机组汽轮机低压缸切缸改造

李梓敬

华电能源股份有限公司哈尔滨第三发电厂

摘 要：

2021年哈三电厂对#3机组（600MW）实施低压缸切缸改造的应用进行了介绍，对低压缸切除后安全运行180天（冬季供暖期）后总结经验，本文详细介绍了汽轮机组连通管改造、旁路冷却蒸汽改造、汽轮机本体改造、热工控制改造等方案，并对改造后机组性能进行了分析。通过一系列数据证明：机组实现了热电解購，同时供电煤耗大幅降低，供热经济性提升。

关键词：火电机组；供热方案；机组调峰；经济运行。

0 引言

随着新能源发电的大量并网，按照最新国家政策，《热电联产管理办法》（发改能源[2016]617号）中明确指出，鼓励热电机组采取措施进行深度调峰，并给予补偿，随着我国电力体制改革的进一步深化，热电厂提高调峰能力，获得经济补偿，将是一种新的盈利方法。但进入冬季往往采用热电联产的方式运行，如何实现热电解耦，即在保证供热的同时又实现深度调峰，成为摆在我厂面前的一道难题。

近几年出现的低压缸切缸改造技术，具有投资低、改造范围小、运行灵活等特点，成为近几年实施供热机组热电解耦改造的主要技术之一，比较适合哈三电厂实际情况，因此哈三600MW机组改造优先采用低压缸切除供热技术方案。

1. 总体技术方案

1.1机组概况

哈三电厂2台600 MW机组分别于1996年（全国首台国产600MW机组）、1999年投产，并于2009年对2台机组进行中低压连通管打孔抽汽改造，单机采暖供汽最大能力为420t／h，并成为城市重点供热热源点。根据城市集中供热规划，哈三电厂至“十四五”末的供热面积要达到2755.1万㎡，机组的抽汽量应进一步增加以满足供热需求。

为了满足城市的供热需求，并在提高机组供热能力的前提下提升机组的供热调峰能力，哈三电厂于2021年对厂3号600MW机组进行切缸供热改造，提升机组的供热能力和调峰能力。低压缸切除供热技术原理详见下图：

图1-1 低压缸切除供热技术原理图

1.2 技术方案

切除低压缸进汽供热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中低压连通管进汽，通过新增旁路管道通入少量的冷却蒸汽，用于带走切除低压缸进汽后的鼓风发热量。

与改造前相比，切除低压缸进汽供热改造技术突破了低压缸最小蒸汽流量的制约，在供热量不变的情况下，可显著降低机组发电功率，实现深度调峰。同样在电负荷不变的情况下，可以大福增加供热量。

我厂3号600 MW机组有A、B两个低压缸，在2个低压缸的连通管进汽支路上分别设置蝶阀，可以实现A、B低压红分别切除或同时切除的功能。

图1-2 切除低压缸系统原理图

1.3低压缸切缸安全性校核

低压缸切除工况在极低的容积流量运行，汽轮机的叶片强度、流场、叶片动频特性、动应力等均会发生变化，必须对切除工况的叶片特性进行安全性校核，明确切缸改造后叶片能否安全运行，同时为切缸改造方案的参数选择提供理论依据，低压缸切除安全性校核内容为：

低压缸在小流量工况下通流部分流场校核，数值计算采用低压缸整缸建模的方式（结果见图1-3），对包含7级叶片的低压缸完整通流部分进行计算。对小流量工况下脱流情况、末几级长叶片鼓风发热进行理论计算，对冷却蒸汽流量、参数对低压缸叶片的影响进行计算分析。

图1-3 流场校核计算

（1）对低压缸末两级长叶片的强度、叶根槽强度在叶片温度升高、鼓风发热等特殊工况下进行计算分析，满足强度要求。

（2）低压缸末两级叶片在叶片温度升高，鼓风发热等特殊工况下的动频，动应力的计算分析见图1-4、图1-5，其中动频计算针对整圈自锁叶片及轮系进行分析。

图1-4 末级叶片校核计算

图1-5 不同温度下屈服极限、许用应力与平均拉应力曲线

低压缸切除安全性校核的计算结果表明：

（1）低压缸在小流量工况下，末两级叶片会进人鼓风状态，随着低压缸流量的减小，末缓叶片的温度逐渐升高，末三级叶片温度最高值出现在村最静叶片叶顶出汽边附近。

（2）通入冷却蒸汽的流量必须在合理的范围内才能抑制鼓风发热量，保证末几级长叶片温度控制在一定范围内。

（3）汽轮机末级叶片温度控制在80℃以内、次末级叶片温度控制在150℃以内，长叶片的强度、动频、动应力等均能控制在设计规范许可范围内，可长期安全运行。

2. 工程实施方案

对机组低压缸叶片及中低压缸连通管（包含阀门）及进行改造，更换末级、次末级叶片、排汽导流环、末级隔板，低压转子、低压内Ⅱ缸返厂，将原末级、次末级叶片进行拆除，对低压转子进行检测，安装新的叶片。冬季供暖时，通过关闭蝶阀切断通往低压缸蒸汽，直接从连通管抽出去供热，对每个低压缸仅通入约20t/h的冷却蒸汽；夏季，蝶阀开启，恢复至纯凝机组状态，灵活性较高，同时可在冬季更好的调节机组灵活性以适应电网/热网的调峰需求。

2.1 连通管改造

2.1.1本期改造方案

哈三电厂3号机组打孔抽汽后采暖蒸汽管道布置如图2-1所示。

图2-1 3号机组打孔抽汽后采暖蒸汽管道布置图

现连通管接出采暖抽汽管道为DN1300，由汽轮机中低压缸连通管蝶阀前引出，经厂区管架送至热网首站换热。切缸工况下在现DN1300蒸汽管道流速不超过60m/s的前提下可流通750t/h采暖加热蒸汽，提高流速及采暖蒸汽压力的情况下可流通更多采暖加热蒸汽，能够满足2021采暖期新增供热负荷需求，故本次改造暂不考虑更改采暖抽汽管道接口位置和规格尺寸。仅考虑增加低压缸冷却蒸汽进出口接管三通，连通管水平段标高相应提高。

待热负荷进一步增大后相应进行连通管的进一步改造。

2.1.2进一步改造方案

机组现有连通管为挠性辐板结构，水平管端与垂直管端为直角连接，加大了蒸汽在管道内的流动阻力，建议整体更换为波纹膨胀节式连通管(曲管压力平衡室)，详见图2-2。

连通管与汽缸之间的胀差完全通过波纹膨胀节的柔性来吸收。连通管与汽缸相联管段所受弯矩的大小，除连通管自重引起的固定量外，完全取决于膨胀节柔性的大小。膨胀节柔性大，管段所受弯矩小；膨胀节柔性小，弯管所受弯矩大。为了不让波纹膨胀节承受由内压而引起的巨大轴向力，通常在连通管上增加一组相同波数的膨胀节。这样，由内压引起的轴向力，就可由管道及拉杆来承受，波形就只需承受由内压及差胀引起的负荷。同时，相较原连通管，新连通管有如下优点：

（1）90度直管采用热压弯头结构代替，去除导流叶栅，解决原来导流叶栅脱落的问题。

（2）新型连通管解决了由于抽汽引起的振动问题，使机组能够长期安全稳定运行。

图2-2 改造后连通管外形图（上：主视图；下：俯视图）

根据现场实际情况，采暖抽汽管道开孔为从机组调端往电端看位于右侧。原连通管布置为：从机组调端往电端看，进入1号低压缸的连通管（1号连通管）位于机组左侧，进入2号低压缸的连通管（2号连通管）位于机组右侧。综合新增采暖管道布置要求，如将1号连通管上的采暖抽汽管道布置到机组右侧位置，受现场的空间限制，施工难度将大幅增加，建议将1号连通管布置在机组右侧，2号连通管布置在机组左侧。

为了满足电厂的供热及运行的要求，保证机组灵活的运行，分别在1号连通管、2号连通管上增加抽汽短管、冷却蒸汽短管及附件，改造后机组可灵活的进行纯凝运行、抽凝运行、切缸运行。由于低压缸进口增加了冷却蒸汽入口，故需要将连通管标高抬高（不超过1.5m）。

2.2冷却蒸汽系统

供热系统非抽汽工况时处于非截流状态，蒸汽正常进入两个低压缸做功；切缸改造后，如果切两个低压缸，两侧连通管蝶阀均关闭，蒸汽从两侧连通管抽汽管道全部引出进入热网供热，仅引部分蒸汽进入低压缸冷却低压转子，带走由于鼓风产生的热量。如果只切1个低压缸，则另一侧连通管和低压缸处于非截流状态，除了打孔抽汽外，其余蒸汽正常进入低压缸做功。采暖抽汽口和蝶阀位置如图2-3所示。

低压冷却蒸汽管道及附件的布置，充分考虑其自重对连通管的影响，将冷却蒸汽管道的出口布置在中排侧的连通管垂直管道上（详见图2-3），而冷却蒸汽的入口布置在低压进汽侧的连通管垂直管道上（蝶阀后），以免在抽汽工况下发生振动，影响机组的安全运行。

图2-3 低压缸冷却P&ID图

2.3供热系统

抽汽管自连通管引出后依次加装安全阀、逆止阀、快关调节阀、截止阀（或闸阀），安全阀安装在快关阀之前的管道上，详见图2-4。

安全阀安装于电厂汽轮机抽汽管道上。系统处于正常压力下运行时，安全阀处于关闭状态；当抽汽蝶阀与逆止阀之间的区域出现超压时，安全阀自动打开向外排汽，保护抽汽管道及汽轮机本体设备，以防止其损坏。

甩热负荷工况时，连通管蝶阀应快速打开。在蝶阀卡涩的情况下，系统中的安全阀起到安全保护的作用，防止中排压力过高。

为了防止机组在突然甩负荷时汽轮机内的压力突然降低，抽汽管和各加热器内蒸汽倒流入汽轮机内并阻止加热器管系泄漏使水从抽汽管路进入汽轮机内发生水击事故，机组各段抽汽管道上均装有能够快速强制关闭的逆止阀。

快关调节阀安装于供热抽汽管路中，用于抽汽管路异常情况下能够快速关闭，起到保护汽轮机的作用；截止阀（或闸阀）安装于供热抽汽管路中，用于抽汽管路关断。

图2-4 切两个低压缸供热系统图（母管供热）

本工程改造后机组能够在低压缸单切和双切两种模式下运行，本期改造是采暖抽汽管道暂不进行改造，待外网热负荷进一步增大时对采暖抽汽管道进行改造。考虑到现场实际安装空间，进一步改造时仍采用母管供热形式。

2.4低压缸喷水系统优化

对低压缸喷水系统进行优化，全部采用不锈钢产品，保证系统稳定运行；采用优秀的雾化喷头，保证喷水减温效果；采用双路喷水系统，分阶段投入，既保证减温效果，又避免喷水过量；优化喷水角度，减少减温水回流导致叶片水蚀。

图2-5 优化后的低压缸喷水P&ID图

图2-6 优化后的喷头及雾化效果

2.5增加温度测点

根据改造的实际情况，需要增加测量低压正、反向次末级和末级级后的蒸汽温度测点。根据现场实际情况，对低压外缸进行补充加工，即现场钻孔，焊接热电偶用引线接头，安装保护锥套、锥套垫片、热电偶，并将信号引出；同时对自控部分进行优化。

2.6叶片改造

2.6.1安全性风险评估

哈三电厂3号机组低压次次末级为288mm叶片、次末级为515A型叶片、末级为1000mm叶片，是哈汽公司30万、60万等级成熟的低压叶片，纯凝工况下有着较好的运行业绩，但是机组低压缸零出力改造后，末三级叶片将在低负荷工况下长时间运行，超出原设计考虑范围，将出现动应力、鼓风、水蚀等低负荷运行下的安全风险。

2.6.2末三级叶片采取的措施

（1）低压次次末级叶片

哈三电厂600MW机组供热改造已运行10余年，由哈三电厂4号机组揭缸检查的情况来看，次次末级288mm动叶出现了一定程度的损伤情况（低压反向5级出现裂纹），由于3号机组与4号机组运行工况相近，推测3号机组低压次次末级288mm叶片也将存在裂纹损伤问题。由于裂纹损伤对叶片寿命影响的机理很复杂，尚缺少成熟的预测算法，无法对寿命给出准确的预测数据。但出于对切缸工况的谨慎考虑，裂纹附近一定会造成叶片应力集中，且刚度降低，从而导致耐振强度降低，振动响应增大，为此，带有裂纹的288mm叶片不能满足机组运行的安全性要求，无论是否切缸运行，都需要更换新叶片。

综上，次次末级288mm叶片需要将裂纹损伤叶片更换为全新288mm叶片，消除裂纹隐患，以提高机组运行的安全性。其余无损伤叶片能够继续使用。

（2）低压次末级叶片

低压次末级515A型叶片为圆弧枞树叶根，自带冠围带，经主机厂核算，其在超低负荷工况下运行存在较大风险，叶片动应力计算峰值为许用值的94%（尚无试验值，计算结果仅供参考），安全余量较低，长期切缸运行或频繁切缸操作都会导致叶片疲劳损伤，影响叶片寿命，原515A型叶片不能用于切缸工况。为此，需更换原515A型叶片，提高叶片在低负荷工况下的耐振强度，从而提高机组在低负荷工况运行时的叶片安全性。

图2-7 哈三电厂#4机组低压反向次次末级检修

（3）低压末级叶片

低压末级1000mm叶片，圆弧枞树叶根，自带冠围带，穿孔松拉筋，在纯凝工况下运行合格，经主机厂核算，该叶片在切缸工况下运行存在较大风险，计算动应力用值的比值如下图2-8所示，低负荷动应力峰值为许用值92%（尚无试验值，计算结果仅供参考），安全余量较低，长期切缸运行或频繁切缸操作都会导致叶片疲劳损伤，影响叶片寿命。此外，由哈三电厂4号机组揭缸检查的情况来看，末级1000mm叶片动叶顶部水蚀情况也较为严重。为此，原设计1000mm叶片不适用于切缸工况运行，需要更换为新型叶片。新型叶片应保证低负荷耐振强度足够，能够适应切缸工况动应力风险。

图2-8 哈三电厂4号机组低压末级检修

图2-9 原设计1000mm叶片动应力随相对流量变化曲线

（4）低压末级隔板和排汽导流环

低压末级叶片改为切缸型后，将不可避免的更换末级隔板和排汽导流环，如图2-10所示，末级导叶可采用空心结构，在型线的内弧和背弧开有径向除湿槽，末级隔板也采用中空的结构，形成环形腔室并直接通向凝汽器，利用适当的压差对静叶片表面的水膜进行抽吸，以减少静叶出气边，由于水膜被气流撕裂而形成的大水滴数量，进而减少大水滴对叶片的冲蚀。这种导叶设计将更有利于低压末级叶片低负荷工况的安全运行。

图2-10  “空心导叶”结构设计示意图

排汽导流环依照哈三电厂原内缸结构进行优化设计，一方面弥补叶顶因叶高降低而引起的漏气损失，另一方面通过排汽导流环型线优化，提高排汽静压恢复能力，降低排汽缸损失。图2-11为排汽导流环优化前后对比。

图2-11 排汽导流环优化设计（左：原设计；右：优化设计）

3. 改造后经济效果

进行低压缸零出力改造后，机组可在抽凝供热工况和低压缸零出力工况间灵活切换。

本次低压缸零出力改造后，机组最大抽汽流量达1239.28t/h。具体参数如表3-1所示。由于现有采暖抽汽管道暂不修改，故实际可向首站供出采暖蒸汽流量为750 t/h。

表3-1 主要热经济指标表

4. 结语

采用低压缸切缸技术实施改造，通入少量的冷却蒸汽系统，汽轮机本体、控制系统等应改造，汽轮机可以在低压缸切除状态下长期安全运行。该改造能大幅提升机组的调峰能力和供热能力，是实现机组热电解属的合适方案，改造的成功实施将会给行业内同类型机组在深度供热和灵活性调峰改造工程上提供技术参考，并起到积极的示范作用。