325MW汽轮机低压缸零出力技术应用实践探析

陈元峰

（甘肃电投张掖发电有限责任公司，甘肃 张掖 734000）

1 成果背景

近年来，以风电、光伏为代表的新能源快速发展。受新能源波动性大、随机性强等特点的影响，电网面临巨大的调峰、调频压力。我国以火电机组为主的电源结构，决定的火电机组必然成为电网调峰、调频的主力电源。而随着我国“碳达峰、碳中和”宏伟战略目标的提出，进一步明确了能源行业向清洁低碳、安全高效方向快速转型的基本路线，火电机组面临巨大的灵活调峰运行挑战。

随着城市现代化建设步伐的加快，张掖市的工农业生产和城市建设迅速发展，城市供热面积迅速扩大，供热负荷快速增长。根据张掖市城市供热与燃气管理办公室发给张掖电厂的《关于提升供热能力与保障城区供热》的函（张掖市燃办[2018]单台文件），2018～2020年张掖市城区集中供热面积缺口分别达300万、200万、240万平方米，城区集中供热能力不足问题凸显。该文件明确指出，建议张掖电厂进行供热扩容改造，满足城区供热需求，保障居民用热。

根据《张掖市城区供热规划》（2007～2020）以及甘肃省建设厅《关于对张掖市城区供热专项规划的批复》（甘建城【2009】16号）。截至2007年底，张掖市城区的总建筑面积约为797万平方米，集中供热面积约为170万平方米，最大用热负荷约为116MW，全部由张掖恒达热力公司提供，现集中供热普及率为21%。张掖市至2010年城区总集中供热面积达1263万平方米。远期新增加集中供热面积1089万平方米，至2020年城区总集中供热面积达2352万平方米。

甘肃电投张掖发电有限责任公司（以下简称“张掖电厂”）装机容量为2×325MW。汽轮机为东方汽轮机厂生产的NC325/280-16.7/0.8/537/537亚临界、单轴、双缸、双排汽、一次中间再热、冲动、抽凝式汽轮机。2013年5月，张掖电厂1、2号汽轮机实行供热改造。设计最大采暖抽汽量为2×400t/h。加热汽源来自1、2号汽轮机中压缸排汽，供热过程通过中低压连通管上的蝶阀调整抽汽压力。

综上所述，从国家政策、行业发展要求和地区供热发展需求来看，张掖电厂面临巨大的热、电供需矛盾。为满足地区供热发展需要、响应国家火电灵活性改造政策要求和提高机组供热期供热能力及深度调峰能力，张掖电厂于2020年10月采用低压缸零出力技术应用，完成提升供热能力改造工程。

2 技术原理及性能指标

2.1 汽轮机低压缸零出力技术原理

“汽轮机低压缸零出力改造技术”是在低压缸高真空运行条件下，通过在低压缸通入少量的冷却蒸汽，用于带走切除低压缸进汽后低压转子转动产生的鼓风热量。在冬季供热需求量较高时，将低压缸蒸汽流量用于供热，实现汽轮机低压缸零出力，机组发电出力显著减小，供热能力显著提升。而供热需求量较低时，机组正常运行不同的热电需求，切换运行模式，有效地提升了机组运行灵活性。与改造前相比，“汽轮机低压缸零出力改造技术”解除了低压缸最小蒸汽流量的制约，在锅炉出力不变的情况下，可显著提高机组供热能力；几乎没有冷源损失，大大降低了机组发电煤耗，有利于提高企业的市场竞争力。

2.2 张掖电厂325MW机组低压缸零出力改造后性能指标

采用低压缸零出力技术对单台汽轮机提升供热能力改造后，单台汽轮机供热能力大幅度提升，与改造前最大供热抽汽量400t/h相比较，单台汽轮机改造后最大供热抽汽量提升至610t/h以上，增加供热能力提高约154MW，同时在供热季供热抽汽量不变的前提下，电调峰能力增加110MW，实现供暖季深度调峰需求。

2.3 张掖电厂325MW机组低压缸零出力改造后效益分析

“低压缸零出力改造技术”在单台机组得到了成功应用，技术指标优良，并取得了良好的经济效益和社会效益。综合收益包含增加供热量收益及减少冷源损失节煤收益两部分。单台机组低压缸零出力改造完毕后，采暖季低压缸零出力一个采暖季运行小时数按照800小时计算，减少低压缸排汽量约150t/h，节约标煤量9826吨/年（150×2400×800/29308=9826吨/年），标 煤 单价536.2元/吨，一个采暖季节煤收益为526万元。增加供热抽汽量180t/h，一个采暖季增加供热量397061GJ（180×1000×800×（3092-334）×10-6=397061GJ），增加供热收益112万元。综上单台汽轮机低压缸零出力改造完毕后年收益为638万元，静态投资回收期为1.65年。极大程度地提高了供热机组电-热能量解耦能力，改造后单台机组供热抽汽量可达610t/h，供热能力极大提升且有效的降低了其最小技术出力，机组调峰深度达到了30%左右，满足国家灵活性产业政策需求。单台机组低压缸零出力改造完成后，全年节约标煤总量达到9826吨；减少CO2排放25559t；减少SO2排放减少383吨；减少NOX排放97t；减少粉尘排放1966吨。提升的供热能力至少可以增加供热面积200万m2，加强了满足日益增长的民生供热需求的安全保障。

针对“低压缸零出力改造技术”在东汽325MW抽凝机组上应用开展了一系列针对性、适应性的研究。诸如，冷却蒸汽系统、本体安全监测系统、真空系统改造和喷水减温系统的设计方法、低压缸零出力状态下主辅设备运行特性等、安装851mm末级叶片的低压转子末两级叶片鼓风特性等。研究成果对于同类机组低压缸零出力改造具有指导意义和实践意义。该技术应用于燃煤火电机组，燃煤消耗和污染物排放有所降低，符合国家的节能减排国策，支撑了国家要求提升电力系统调节能力的产业政策，为破解新能源消纳难题做出了贡献，并加强了满足日益增长的民生供热需求的安全保障，社会效益明显。

3 技术的创造性与先进性

（1）针对东汽325MW抽凝机组，提出了低压缸冷却系统设计方法，掌握了包括叶片气动特性、冷却蒸汽参数、排汽压力等影响冷却蒸汽流量的主要关联因素，确定了冷却管径、壁厚以及支撑跨距等几何结构参数和流速、温度等热力参数，提出了低压缸冷却系统设计要点。

（2）针对汽轮机低压缸零出力运行工况下低压末端高真空运行的技术要求，提出了低压缸真空系统综合治理方案。具体内容包括：汽轮机真空系统及所有可能影响真空的负压系统（如低压缸本体及附件、低压缸抽汽系统、凝汽器系统等）进行氦质谱检漏，对检查的漏点进行治理；深度调研和对比各种低压缸端部汽封优缺点，选用接触式汽封降低低压缸端部汽封泄漏量；增设一台罗茨——水环真空泵组，在显著降低设备耗电率的同时，有效提升抽空气设备极限抽吸能力，提高机组运行真空度。

（3）针对低压缸减温水不完全闪蒸的小液滴在末级叶片的卷吸作用下对末级叶片出汽侧形成水蚀的问题，提出末级叶片出汽边防水蚀措施，降低了排汽大涡流卷吸湿蒸汽对末级叶片的危害。

（4）针对东汽325MW抽凝汽轮机低压缸特点，创造性提出监测系统上、下缸分区布置的低压缸鼓风区温度监测控制方案，从而更真实反映低压缸温度场变化，提升低压缸末级叶片安全运行的可靠性，同时便于后期运行维护。

（5）辅机设备高效节能运行研究。针对低压缸零出力运行模式下，受给水泵密封水压力限制凝结水泵无法深度变频运行问题，提出增加给水泵密封水升压泵（功率20kW，变频运行），在凝结水泵深度变频运行时开启升压泵满足给水泵密封水压力要求，实现在低压缸零出力时凝结水泵更加节能。

（6）提出了低压缸零出力状态下控制系统无扰切换策略，开发了低压缸零出力控制模块，保证了机组在常规抽汽供热和低压缸零出力运行两种状态下的平稳切换。

（7）开展东汽325MW汽轮机低压末两级叶片鼓风特性试验研究，得出了叶片鼓风与凝汽器真空、冷却蒸汽流量、冷却蒸汽温度等边界参数的定量关系，为低压缸零出力运行工况的投入/调整/切除及优化运行提供了技术支撑，同时可为同类机组改造提供参考。

该技术从火电供热机组提升灵活性需求出发，在技改技术路线、成套方案、末级叶片保护、变工况无扰投切控制和特性试验等方面开展了研究，顺利完成东汽325MW抽凝汽轮机低压缸零出力工程应用，该技术居国际先进水平。

4 技术的成熟程度，适用范围和安全性

4.1 技术研究成熟程度

供热机组进行“汽轮机低压缸零出力改造技术”改造后，随着进汽流量的进一步降低，在汽轮机低压通流区域的流动形态将发生改变，气流将不再推动叶片做功，而会以惰性形态被动叶扇动排挤出叶片通道，这便是鼓风现象。鼓风摩擦现象会导致汽轮机叶栅通道局部出现高温区域，严重者将使得内缸受热变形，影响转静部件中心一致性，进而会威胁到机组的安全运行。

采用CFD分析和强度分析的方法，建立小容积流量下汽轮机长叶片鼓风态流场下气动强度特性的流-热-固多物理场耦合模型。首先，采用CFD方法中的共轭传热模块对系统进行流固耦合传热分析，得到长叶片部件温度、压力分布。该方法的优势在于计算流场的同时考虑了蒸汽和固体部件之间的流动换热以及固体内部导热作用，因此能够直观获得更加准确的长叶片部件的温度、压力分布。其次，通过软件之间的数据接口实现不同模型表面之间温度的精确传递，将传热分析得到的固体表面温度传递到有限元模型对应表面作为载荷进行热分析，在求解得到部件整体温度场的基础上进一步耦合结构分析可以得到热应力分布。传递耦合传热分析得到的固体表面压力分布并添加转速以分别考虑汽流力和离心力的作用，最终可以获得综合等效应力分布。经过核算低压缸零出力供热工况下叶片的最大动应力小于设计工况，该机组低压缸零出力供热工况下叶片的动强度满足制造厂设计规范。

4.2 低压缸零出力技术适用范围

我国风电、光伏等新能源电力装机容量持续快速增长，具有明显的资源地域性，主要集中在风、光资源较好的“三北”地区，为了降低新能源电源出现大面积弃风弃光，配套新能源电源升降发电负荷，亟须提高火力发电机组运行灵活性，同时供热机组受限于供热负荷的约束，在采暖季无法实现机组低负荷运行，不能满足新能源电源的运行要求。采用“汽轮机低压缸零出力改造技术”能够提高机组供热能力和电调峰能力，降低机组发电煤耗率，机组供热期运行范围大大增加。因此，采用低压缸零出力技术能够实现供热机组在满足供热负荷需求的情况下，提升供热机组的调峰能力。

4.3 低压缸零出力技术安全性

通过全厂汽水参数热力平衡计算与汽轮机低压通流区域气动强度分析相结合的技术手段，研究小容积流量下低压缸的安全问题，指出了通流区湍流涡动耗散高温危险位置，并进行了高温预警监测，通过优化低压缸喷水减温系统，解决了鼓风高温带来了安全问题，并在供热机组上进行了工程应用，验证了改造后长叶片通流区的安全可靠性。

5 应用情况及存在的问题

本次改造实现了低压缸零出力在东汽325MW抽凝机组上的工程应用，改造达到预期效果。需要指出的是，低压缸零出力技术虽然能够一定程度弱化供热机组热电耦合强度，提高机组的电调峰能力，但仍未完全实现供热机组热电解耦。对于具有进一步调峰需求或完全热电解耦需求的火电机组，则需要借助其他技术方案，达到改造目的。

6 结语

低压缸“零出力”改造是近几年在国内开始应用的新技术，低压缸“零出力”改造后可以提高机组的供热能力，增加机组的运行灵活性，满足机组深度调峰的需求，机组可以以抽凝背三种方式运行，且可以灵活切换。改造可借鉴应用于东方汽轮机、哈尔滨汽轮机和上海汽轮机等主要汽轮机主力机型，张掖电厂低压缸零出力技术目前为省内成功改造应用，具有良好的节能效益、环保效益和社会效益，也将为电网大力发展新能源提供调峰调频保障，进一步为我国“碳达峰、碳中和”宏伟战略目标的实现奠定基础。