直接空冷机组高背压供热系统及安全运行

黄治坤,张 攀,张艳辉,徐则林,杨世斌

(1.国电科学技术研究院北京电力技术研究分院,北京100081；2.国电榆次热电有限公司,山西晋中030600)

直接空冷机组高背压供热系统及安全运行

黄治坤1,张 攀1,张艳辉1,徐则林1,杨世斌2

(1.国电科学技术研究院北京电力技术研究分院,北京100081；2.国电榆次热电有限公司,山西晋中030600)

对直接空冷机组高背压供热系统进行了介绍,对高背供热方式下的几个关键问题进行了论述。通过控制低压缸的进流量或进汽温度来防止高背压运行工况下低压缸末级叶片产生鼓风；在单列小进汽流量下,通过打开此列的凝结水门和关闭真空门可有效防冻；通过优化全厂机组间的负荷分配可以提高高背压供热方式下运行经济性；通过增加水环真空泵工作水冷却装置,提高真空泵的抽吸效率。工程实践证明空冷机组高背压供热是一种安全可靠的供热方式。

直接空冷机组；凝汽器；大口径蝶阀；鼓风

供热的热效率主要体现在其对蒸汽汽化潜热的利用上；热电联产的经济性主要体现在供热蒸汽做功能力的利用上,包括用来发电和驱动设备。排汽热损失是火电厂热损失中最大的一项,汽轮机排汽潜热没有释放,且蒸汽的做功能力也没有充分发挥出来,若能加以利用,机组的热效率必将大幅提升。而排汽余热最为有效的利用方式就是用来加热热网循环水,进行冬季采暖供热［1-2］。目前较常见的余热利用方式有热泵技术和循环水高背压供热技术。湿冷机组的循环水高背压供热在国内已有工程案例［3-4］。

空冷机组高背压供热技术的应用,是通过改变供热方式,实现热能转化梯级利用,相对传统供热方式获得更多的经济效益。笔者结合示范工程对直接空冷机组高背压供热系统进行了介绍,同时对系统改造和运行中的关键问题进行了论述,对末级鼓风现象的防止、空冷岛防冻、电负荷经济分配、水环真空泵低真空运行提效做了分析,对空冷机组高背压供热技术的推广具有借鉴意义。

1 总体改造方案

1.1 机组概况

某厂300 MW机组汽轮机为NZK330-16.7/ 538/538型亚临界、一次中间再热、单轴、双缸、双排汽、直接空冷凝汽式汽轮机。汽轮机设有七段不调整抽汽,高压缸设有二段抽汽,分别供1号、2号高压加热器；中压缸设有二段抽汽,分别供3号高压加热器和除氧器；低压缸共有四级叶片,设有三段抽汽,分别供5号、6号及7号低压加热器。空冷岛工程ACC系统共6列,每列配备6台风机。风机由变频电机经减速机驱动,所有的风机和电动机在30%～110%的额定风机转速范围内运行,风机电动机最小转速为30%。每列2、4单元的风机应可以反转,其他风机不能反转。机组第一、二、五、六列装有蒸汽隔离阀、凝结水阀和抽真空阀。机组配备3台水环真空泵,正常情况下一用二备。

机组在冬季由2台机组共同承担全厂的采暖热负荷,当前全厂最大采暖抽汽量为650 t/h,共布置有4台热网加热器,供汽采用母管制,由机组的五段抽汽(中排)供汽。

1.2 系统布置连接及供热方式

图1为高背压供热系统图。

在空冷汽轮机主排汽管上增设一旁路排汽至低位热源加热器,通过低位热源加热器表面换热来加热热网循环水回水,在低位热源加热器入口蒸汽管道上装有大口径真空电动蝶阀。在空冷岛上方原6列排汽支管中有2列未装设阀门,改造时在此2列处增设大口径真空电动蝶阀,这样便于机组在供热期运行时利用这些阀门,实现对空冷凝汽器的调整和切除；低位热源加热器的排汽凝结水接至原空冷凝结水回水母管至机组回热系统。原机组具有的中排抽汽供热系统保留,作为尖峰热负荷时调整采用。

不对汽轮机本体作任何改造,根据空冷汽轮机的高背压设计特点,机组可以在34 k Pa的高压下长期稳定运行,主要是末级叶片的设计适应较宽范围的背压变化［5-6］。所以在改造后,供热期间机组的最高背压控制在34 k Pa。当热网循环水供水温度要求低于71℃时,仅利用汽轮机排汽通过低位热源加热器加热循环水即可满足供热要求。当供水温度要求高于71℃时,除利用汽轮机排汽通过低位热源加热器加热循环水作为基本加热手段外,还需利用原五段抽汽供热系统,提供部分五段抽汽作为尖峰加热手段,继续加热循环水,从而达到外网要求的供水温度。

在供热初末期供热量较小,单台机组只需要维持在34 k Pa以下的背压下运行就可以满足供热的要求；同时原来的五段抽汽也不需要抽汽供热,邻机采用纯凝的运行方式。在采暖的高峰期供热量增大,仅一台机组采用高背压和中排联合供热的方式不能满足供热要求,这时邻机也要参与供热。

2 高背压运行中的重要问题及应对

2.1 机组末级鼓风现象的产生与防止

在原冬季运行方式下,机组的背压为10 kPa左右,机组的排汽干度为0.96,对应的排汽比体积为14.1 m3/kg；当运行背压提高到34 k Pa,干度增加到0.97左右,对应的排汽比体积为4.50 m3/kg。压力升高后,机组的排汽比体积减小为原运行压力下的32%,所以同样的排汽流量下,到末级前的体积流量减小了68%。末级叶片前的体积流量太小,首先会在叶根处出现流动分离,出现涡回流,这时蒸汽不但不做功,还起反作用,产生鼓风,致末级效率急剧下降,因此在运行过程中要避免鼓风现象的产生［7-8］。一般认为空冷机组在高背压低负荷可能会由于体积流量减小而出现鼓风［9］,而鼓风状态的存在,使得在从叶根到约45%叶高区域的汽温上升,成为过热蒸汽［10］,所以高背压运行直接空冷机组在高背压小体积流量时,如果低压缸排汽温度高于排汽压力对应下的饱和温度时,极有可能已经发生鼓风现象,这时要加以干预。厂家在设计计算时,计算过产生鼓风时的体积流量的大小。由于缸效和进汽温度与设计存在一定的偏差,所以根据实际运行数据最有说服力。

试验条件为背压维持在34 kPa,机组负荷为230 MW。试验过程中热网循环水流量为9 500～10 000 t/h。试验开始时排汽温度对应运行压力下的饱和温度,在湿蒸汽区；然后通过不断提高循环水供水温度,增加机组中排抽汽量,减少低压缸的进汽流量。低当压缸出现约2～5 K的过热度时,通过计算低压缸的排汽量为447 t/h,排汽的体积流量为558 m3/s。当进汽温度波动±10 K,基本上排汽出现过热时的排汽流量在440～450 t/h。

通过现场实际的调整经验来看,为了消除鼓风,当出现鼓风时,在不影响供热和发电负荷情况下,最直接最快速的调整方法是降低再热汽温(可通过减温水调节)。降低再热汽温防止出现鼓风的原理见图2。

图2 降低再热汽温后膨胀曲线示意图

从图2可以看出：如不降低再热汽温出现鼓风时,低压缸中的膨胀曲线如1-3；低压缸进汽温度从1降低到2(通过降再热汽温),如不考虑体积流量的变化,膨胀曲线会变为2-5,这时排汽温度会从3点下降到5点。但温度降低以后,同样负荷下蒸汽的比体积也会降低,也会使鼓风现象加剧。所以,当降低再热汽温后,低缸的膨胀曲线会变成2-4,相比3点,4点的温度有所降低。稍慢一点的调整方法是通过热电负荷的调整,减少高背压运行机组五抽采暖供汽量,增加其低压缸的进汽量。虽然通过提高循环水流量、降回水温度增加排汽供热量也可以增加排汽量,但供热的外部条件很难改变。

在运行中,要防止鼓风的发生,就要保证低压缸的最小进汽流量。流量的大小可以根据六段抽汽压力来判断。图3中给出了不同试验工况下低压缸排汽流量同六段抽汽压力之间的关系曲线,线性相关系数R2=0.999 4≈1,说明线性关系很好,所以可以用六段的抽汽压力来表征排汽流量的大小。

图3 不同工况下排汽流量同六抽压力的关系

2.2 空冷岛最小进汽流量与防冻

在冬季运行,低位热源加热器的排汽流量在300 t/h以上,同时中压排汽还利用一部分蒸汽,所以进空冷岛的蒸汽流量一般情况下都不超过300 t/h,由两列风机运行可维持机组背压。所以在冬季高背压供热情况下,空冷岛长时间只运行一到两列风机,有一列处于备用投入状态。通过实际运行,环境温度在-10～20℃,当只留最后一列风机,且顺流区的风机全停,逆流区风机低速运行,门全开进汽量为50～60 t/h,这种状态下运行,空冷岛运行情况良好,且背压可以维持。在关闭某一列风机时,当风机几乎全停,进汽门也接近全关,有个别门不严的情况,这时空冷岛的进汽量在10 t/h以下,在这种情况下维持长时间运行,开启凝结水门,关闭抽真空门,空冷岛没有出现冻结的状况。当真空门不关时,由于真空的抽吸作用,蒸汽流到较远处充分冷却后会出现冻结的情况,主要是背压高,进汽温度高,开启凝结水门,蒸汽在散热片中还没有完全冷却就由于压差作用被抽到热井中去了。在最后一列解列时,可以改变此列的逻辑,当进汽门关到50%以下时,就可以关闭此列的抽真空门,防止这一列在小汽量进汽下的冻结。不是最后一列解列时,就要迅速关闭进汽门,快速解列,防止解列过程中出现冻结,关后门不严时,可以开启此列凝结水门,关闭抽真空门。所以可以认为高背压的运行方式下,对空冷岛的冬季防冻是有利的,基本上不存在冬季防冻的问题(环境温度-25℃以上没有问题,但当环境温度低于-30℃,要根据实际情况进行验证)。同时对于邻机,由于五抽采暖抽汽量减少,排汽量增加,也利于邻机的空冷岛防冻。

所以对于直接空冷机组进行高背压供热系统改造时,最理想的状态是供热所需热负荷刚好完全利用完低压缸排汽余热,在此状态下,空冷岛完全解列。

2.3 电负荷的经济分配

在高背压的运行方式下,为了提高供热的经济性,在保证低压缸最小进汽流量的情况下,要尽量减少空冷岛的进汽流量,减少高背压工况下做功的蒸汽。在实际运行中,机组负荷采用单机调度的方式,当高背压运行的机组负荷较高、五段抽汽量又较少时,这时进入空冷岛的排汽量本身就较大,同时邻机的带负荷能力还有很大裕量,这时要求高背压运行机组加负荷,会进一步增加空冷岛的汽量,蒸汽做功能力损失很大。所以这是一种很不经济的负荷分配方式。

以数据分析,在34 k Pa高背压运行方式下,进入热网凝汽器蒸汽的平均焓值为2 570 kJ/kg,邻机平均运行背压为10 k Pa,平均排汽焓为2 435 kJ/kg,在供热量不变的前提下,对于邻机每增加10 MW负荷,排汽量增加约20 t/h,相对高背压运行机组,这部分排汽多做功0.75 MW。所以最经济的方式就是先把负荷加到邻机上。高背压运行的机组,负荷维持在230～260 MW,通过调整五采暖抽汽量来保证空冷岛进最少汽量。当要加负荷时,由邻机来进行加负荷,当邻机达到最大出力以后,再由高背压运行的机组进行加负荷。这就要电厂同当地的电力主管部门进行协商,改变全厂电负荷的调度方式,由单机调度的方式转变为全厂调度。

2.4水环真空泵低真空下的运行提效

机组原水环真空泵正常运行情况下一用二备,单台水环真空泵可以满足机组长期运行的需要。在高背压投运一段时间后,出现了热网凝汽器上端差大的问题；当运行2台真空泵后,端差可恢复正常。怀疑是漏空气所致,但真空严密性合格。最后发现,高背压投运很短的时间后,真空泵运行电流明显下降,工作水温度升高,水环真空泵出现抽吸效率低的问题［11］。针对这种问题可以通过增加水环真空泵工作水冷却装置,加强换热,以提高真空泵的抽吸效率［12］。

3 结语

笔者对直接空冷机组高背压供热系统及供热运行方式进行了介绍；对运行中出现的问题进行了分析,并提出了应对的方案措施。通过改造并实际运行,说明了直接空冷机组高背压供热方式是安全可靠的,首次工程示范的成功为以后此类改造提供了丰富的参考价值。

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Introduction to High Back-pressure Heating System of Direct Air-cooling Units and the Safety Operation

Huang Zhikun1,Zhang Pan1,Zhang Yanhui1,Xu Zelin1,Yang Shibin2
(1.GUODIAN Science and Technology Research Institute Beijing Branch,Beijing 100081,China；2.GUODIAN Yuci Thermal Power Co.,Ltd.,Jinzhong 030600,Shanxi Province,China)

An introduction is being presented to the high back-pressure heating system of a direct aircooling unit,together with a description to several key problems that may occur during high back-pressure operation conditions.The air-blast failure in last-stage blade of low-pressure cylinder under high backpressure operation mode could be prevented by controlling the flow rate and inlet temperature of the steam. When the inlet flow rate of one row is low,freezing of the row could be forbidden through opening the condensate valve and closing the vacuum valve of the row.The economy of the heating mode could be improved by optimizing the load allocation.The efficiency of the water ring vacuum pump could be raised by adding cooling equipment for the working medium.Practical applications prove the high back-pressure heating mode of direct air-cooling unit to be safe and reliable.

direct air-cooling unit；steam condenser；large caliber butterfly；air blast

TK262

A

1671-086X(2015)03-0196-04

2014-06-26

黄治坤(1987-),男,工程师,主要从事火电机组节能研究。

E-mail：huangzhikunp@163.com