唐濤，張良平，周永東，劉金芳

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

0 前言

隨著國內(nèi)電力市場的逐漸飽和，國內(nèi)火電機組可利用小時數(shù)進一步下降，以前純發(fā)電的大容量機組包括1 000 MW機組也需要調(diào)峰運行，這樣就無法充分發(fā)揮大容量機組的真正能力，另外隨著中國城市化發(fā)展，北方城市冬季供暖需求量在加大，考慮到環(huán)保問題，供暖點也在向多個點逐漸向單一點或遠(yuǎn)距離供熱發(fā)展?；谝陨锨闆r，以前只作為主力發(fā)電的1 000 MW機組，目前也開始策劃準(zhǔn)備供熱改造，以適應(yīng)企業(yè)本身和社會的發(fā)展。

對于機組的供熱改造設(shè)計研發(fā)，東汽具有起步早、研發(fā)能力強、功能強、品種多、控制方式成熟的優(yōu)勢。東方供熱改造起步于1984年山西太原一電廠300 MW（D19）供熱機組。隨后自主研發(fā)并首次成功運用了旋轉(zhuǎn)隔板調(diào)整抽汽、中壓調(diào)節(jié)閥調(diào)整抽汽。此外針對各種等級機組東方可設(shè)計0.4 MPa、 1.0 MPa、 1.3 MPa、 1.5 MPa、 2.5 MPa、4.0 MPa各檔抽汽[1]。因此供熱改造東汽具有較強的優(yōu)勢。

1 東方供熱改造方案

供熱改造根據(jù)抽汽方法主要分為可調(diào)整抽汽和非調(diào)整抽汽[2]。此外供熱改造可根據(jù)通流是否參與改造，分為通流改造及非通流改造兩種，非通流改造下的供熱改造原則上不對鍋爐和發(fā)電機進行任何改動，對通流內(nèi)部不進行任何改造，對汽缸、閥門等大部件改動盡量小，此改造周期短，投資小，投資回報率較高，因此本文僅介紹非通流改造。

東方1 000 MW機組為超超臨界、單軸、一次中間再熱、四缸四排汽汽輪機，中壓缸為雙分流形式，中壓排汽通過連通管匯合后流向兩個低壓缸。針對該機型的供熱改造，考慮到運行后汽缸老化、改造成本等原因，不再對汽缸、閥門進行任何改造。因此對具有工業(yè)用途的供熱改造主要通過對再熱管道打孔抽出，對采暖供熱改造主要通過對連通管進行改造，增加供熱蝶閥調(diào)節(jié)抽出。對于工業(yè)抽汽，由于抽汽在再熱管道上，因此對本體的影響較小，僅需核算因抽汽后，進入中壓、低壓流量壓力的變化，引起推力的變化，因此本文不再詳細(xì)論述。

對采暖抽汽，因為參數(shù)的波動性，以及考慮到對本體影響，在抽汽管路上還需配置安全閥、快關(guān)調(diào)節(jié)閥、抽汽止回閥、電動閘閥等，以對本體各設(shè)備進行保護，相關(guān)系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 抽汽供熱系統(tǒng)圖

采暖抽汽因需在連通管上增設(shè)一套供熱蝶閥，供熱蝶閥和執(zhí)行機構(gòu)重量較大，因此在結(jié)構(gòu)布置上，根據(jù)供熱蝶閥布置的位置及支撐形式不同，形成了三種方案：

（1）方案1：蝶閥置于中壓排汽處，見圖2。

圖2 蝶閥置于中排布置圖

（2）方案2：蝶閥置于連通管水平段，見圖3。

圖3 蝶閥置于連通管水平段布置圖

（3）方案3：蝶閥置于低壓進汽口，見圖4。

圖4 蝶閥置于低壓進汽口布置圖

方案1中蝶閥置于中壓排汽口處，抽汽口在蝶閥下，連通管標(biāo)高需抬高一個蝶閥和孔口高度，連通管標(biāo)高抬高較高，對廠房起吊空間要求較高。另外，根據(jù)類似工程經(jīng)驗，此類布置容易在閥門小開度工況下產(chǎn)生連通管汽流激振問題。

方案2中由于蝶閥和執(zhí)行機構(gòu)較重（按照對應(yīng)的連通管管徑，估算蝶閥及執(zhí)行機構(gòu)重量約5 t），蝶閥和執(zhí)行機構(gòu)布置于連通管水平段，由于連通管為薄壁圓筒型結(jié)構(gòu)，連通管無法直接承受蝶閥和執(zhí)行機構(gòu)的重量，需增加輔助支撐，見圖5。

圖5 蝶閥置于連通管水平段方案示意圖

針對該方案，缺點如下：

（1）由于母型機結(jié)構(gòu)緊湊，中排中心線距離低壓進汽中心線間距很小，同時考慮到波紋管的布置，門型梁及蝶閥實際位置在A低壓缸上部。因此對A低壓缸的檢修較為麻煩，不動B低壓缸情況下，吊走連通管后需吊走門型梁，若不動門型梁，吊走連通管后，需吊走B低壓缸上部，才能檢修A低壓缸。

（2）門型梁落足生根的地方對基礎(chǔ)要求較高，該改造對基礎(chǔ)的依賴性較強。

（3）連通管在冷熱態(tài)下天地方向標(biāo)高會發(fā)生變化約為22 mm，而門型梁支撐點在冷熱態(tài)下標(biāo)高不變，難以實現(xiàn)冷熱態(tài)下支撐力相同。

因此不推薦采用方案1和方案2。本文將詳細(xì)論述方案3的可行性及優(yōu)缺點。

2 蝶閥置于低壓進汽口方案論證

本節(jié)將從該方案的可行性、安全性、優(yōu)缺點等詳細(xì)論述該方案。

2.1 供熱蝶閥置于低壓進汽口結(jié)構(gòu)方案

將供熱蝶閥置于低壓進汽口，打孔抽汽位于中壓排汽口。供熱蝶閥直接與低壓汽缸進汽相連，由于供熱蝶閥重量較大，考慮到蝶閥作用下汽缸變形導(dǎo)致通流間隙的變化，因此蝶閥置于低壓進汽口，需額外增加輔助支撐，輔助支撐位于低壓外缸上，如圖6所示。

圖6 蝶閥置于低壓進汽口方案示意圖

2.2 蝶閥置于低壓進汽口對汽缸影響

蝶閥置于低壓進汽口，需論證蝶閥對低壓缸變形以及強度的影響，特別是蝶閥全關(guān)壓差作用下，低壓缸的剛性以及強度是否滿足安全性要求。由于汽缸的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對強度和剛性的校核只能通過有限元計算實現(xiàn)。對汽缸離散化后，汽缸滿足的力學(xué)平衡方程如下：

其中K為離散化后的剛度矩陣，U為離散后的節(jié)點位移，方程的右側(cè)為載荷。載荷分為三類，體積載荷（PV）、 面載荷（PS）、 集中載荷（F）。 本結(jié)構(gòu)中，將蝶閥的重量以及蝶閥全關(guān)壓差作用下的集中力F轉(zhuǎn)化為進汽口的面載荷PS進行加載計算。

按照兩種極端工況對該方案進行計算，蝶閥對低壓缸的影響計算云圖如圖7所示。

（1）支撐失效，蝶閥重量及蝶閥全關(guān)作用下所有力由低壓內(nèi)缸支撐。

（2）支撐過強，蝶閥重量及蝶閥全關(guān)作用下所有力由低壓外缸支撐。

圖7 蝶閥對低壓缸的影響計算云圖

由計算結(jié)果可知：當(dāng)支撐失效，僅由低壓內(nèi)缸支撐時，且在蝶閥全關(guān)壓差作用下，低壓缸通流內(nèi)軸向間隙變化較小，剛性滿足要求，但低壓內(nèi)缸強度不滿足要求。低壓內(nèi)缸可以承受部分蝶閥重量及蝶閥全關(guān)壓差作用下載荷，但支撐失效僅由低壓內(nèi)缸支撐無法滿足要求。當(dāng)支撐過強，載荷全部由低壓外缸承擔(dān)，低壓外缸最大變形位于支撐位置，由于低壓外缸不影響通流內(nèi)部間隙，該變形量不會引起低壓內(nèi)缸與外缸任何干涉，因此剛性滿足要求。低壓外缸工作溫度較低，許用應(yīng)力較大，強度滿足要求。

通過計算可知，增加輔助支撐，蝶閥由外缸支撐，能夠滿足低壓缸的強度剛性要求。允許低壓內(nèi)缸承擔(dān)部分蝶閥重量或蝶閥全關(guān)蒸汽壓力，但支撐不能失效，不能由低壓內(nèi)缸承擔(dān)所有載荷，若支撐失效需及時對機組進行檢修。

2.3 蝶閥置于低壓進汽口對軸承座標(biāo)高的影響

東方1 000 MW機組的低壓軸承座落在低壓外缸端部。外缸作為供熱蝶閥的支撐，在工作狀態(tài)下，外缸將變形，此變形會引起軸承座標(biāo)高的變化。通過有限元計算，軸承座附近變化量云圖如圖8所示。

圖8 蝶閥對軸承標(biāo)高影響計算云圖

不考慮冷熱態(tài)變化，僅考慮蝶閥重力作用以及蝶閥全關(guān)壓差作用，低壓外缸支撐供熱蝶閥和原低壓模塊相比較，軸承座處天地方向的變形較小，可以忽略對軸承座標(biāo)高的影響，不影響軸系的安全穩(wěn)定運行。

2.4 內(nèi)外缸進汽口膨脹的匹配

蝶閥支撐在低壓外缸上，低壓外缸工作溫度約為30℃，低壓內(nèi)缸進汽口工作溫度約為380℃，低壓內(nèi)缸進汽口在冷熱態(tài)下天地方向變化量約為22 mm，因此需在低壓內(nèi)缸與供熱蝶閥之間增加一波紋管，以抵消相應(yīng)的熱膨脹。局部結(jié)構(gòu)詳圖如圖9所示。

圖9 內(nèi)外缸匹配波紋管位置示意圖

2.5 供熱壓力過低對通流的影響

供熱機組的供熱壓力有一定的波動范圍。當(dāng)供熱壓力過低時，需對中壓通流安全性進行校核。對東方典型的濕冷和空冷1 000 MW機組進行計算可知，中壓動葉強度及剛性均滿足要求。對中壓末兩級隔板的強度及剛性影響較大，通過計算中壓末兩級導(dǎo)葉的強度裕度較小，考慮到機組運行后的老化等問題，建議更換末兩級隔板導(dǎo)葉。

2.6 供熱壓力過高對連通管、波紋管的影響

當(dāng)供熱壓力過高，會觸發(fā)供熱管路上安全閥報警或停機。需考核報警或停機壓力下，連通管及波紋管的強度能否滿足要求。連通管為薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，按照薄壁圓筒結(jié)構(gòu)對連通管進行計算可知，滿足強度要求。咨詢相關(guān)波紋管廠家，在提供了相應(yīng)的直徑及工作壓力后，能設(shè)計出相應(yīng)穩(wěn)定可靠的波紋管。

2.7 蝶閥置于低壓進汽口的優(yōu)缺點

該方案從結(jié)構(gòu)布置上較為簡潔美觀。通過前文的論證可知，該方案對本體影響較小，僅需更改中壓末兩級隔板。將蝶閥置于低壓進汽口，連通管在中排位置打孔抽汽，起吊高度僅需增加一供熱蝶閥高度，對廠房影響較小。此外電廠對連通管或低壓缸檢修和原機組類似，均較為方便。

由于東方1 000 MW機組為兩個低壓缸，必須設(shè)置兩套供熱蝶閥，此兩套供熱蝶閥在控制上需同步，邏輯控制上較易實現(xiàn)，在東方其他供熱機組上有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗。

3 供熱改造對輔機、控制的影響

供熱抽汽后，由于各段抽汽參數(shù)變化，因此需重新核算抽汽口是否滿足要求，同時考慮對加熱器的影響，考慮回?zé)嵯到y(tǒng)是否能安全穩(wěn)定運行。通過分析可知，連通管抽汽量按1 200 t/h核算，抽汽量變化不大，抽汽口的流速影響不大，各加熱器溫升變化小，因此對抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)影響較小。

供熱抽汽后，需補水至排汽裝置，以保證主蒸汽流量。電廠需增設(shè)一套補水系統(tǒng)。

供熱抽汽后，為保證汽輪機安全可靠運行，汽輪機DEH邏輯需進行相應(yīng)改造，同時供熱抽汽系統(tǒng)所增加的供熱蝶閥及供熱快關(guān)閥需增加液壓控制系統(tǒng) （DEH油源），相應(yīng)的DCS中需增加這部分控制硬件及軟件。另外，為保證高、中、低壓通流葉片在安全范圍內(nèi)運行，汽輪機需增設(shè)部分安全監(jiān)視測點，如1抽至高排壓差、中壓缸排汽壓力、中壓排汽溫度、低壓缸進汽壓力等。

4 供熱改造設(shè)備

通過前文分析可知，供熱改造除對中壓末兩級隔板影響較大外，對本體其余設(shè)備影響較小。供熱改造設(shè)備清單如表1所示。

表1 改造設(shè)備清單

5 結(jié)束語

通過本文的分析，東方1 000 MW機組的供熱改造具有較強的可行性，不論是非調(diào)整抽汽還是可調(diào)整抽汽，均可在通流局部改動的情況下，設(shè)計出滿足機組安全穩(wěn)定運行的方案。改造后，將提高機組的綜合經(jīng)濟性，符合國家減排精神，將為電廠創(chuàng)造較大的經(jīng)濟效益和社會效益。