技術
摘要：面對汽輪機背壓設計參數與實際運行需求不一致的矛盾，華能仙人島熱電公司在生產過程中持續開展背壓式汽輪機降背壓運行實踐與理論研究，明確了汽輪機降背壓運行方式下所具有的優勢以及面對的風險，并有針對性的制定了量化的運行控制措施，實現了50MW背壓式汽輪機超低負荷運行，提高了汽輪機運行經濟性與靈活性。
關鍵詞：背壓式汽輪機；降背壓；超低負荷；運行實踐
The Ultra-low Load Operation Of 50MW Back Pressure Steam Turbine
FEI Zhuo1ZOU Shengang2HUANG Yufeng3 CONGLifeng4
(1.Huaneng Yingkou Xianrendao Thermal Power Co., Ltd.115009;2.Huaneng Yingkou Xianrendao Thermal Power Co., Ltd. 115009;3.Huaneng Yingkou Xianrendao Thermal Power Co., Ltd. 115009;4.Huaneng Yingkou Xianrendao Thermal Power Co., Ltd. 115009)
Abstract:Facing the contradiction between the design parameters of steam turbine back pressure and the actual operation requirements, Huaneng Yingkou xianrendao Thermal Power Co., Ltd continued to carry out the practical and theoretical research on the back pressure reduction of back pressure steam turbine in the production process, the advantages and the risks of steam turbine back pressure reduction operation mode was cleared, meanwhile quantitative operation control measures were formulated. Finally the ultra-low load operation of 50MW back pressure steam turbine was realized, and the economy and flexibility of steam turbine operation was improved .
Key words: Back pressure steam turbine;Back pressure reduction;Ultra-low load;Operation practice
1.背景
華能仙人島熱電公司地處遼寧省營口市，非供暖季為每年4月至10月，共7個月。仙人島熱電公司配備2臺東方汽輪機股份有限公司制造的CB50-10.5/3.8/1.3型汽輪機組，額定主蒸汽流量470t/h，設計最小投入供熱線主蒸汽流量260t/h，額定背壓1.3MPa.a，額定排汽溫度288℃，純背工況額定外供汽量345t/h。在非供暖季工業蒸汽負荷僅約65~80t/h的供汽負荷條件下，汽輪機末級葉片出現明顯的鼓風效應，排汽溫度超限，無法滿足汽輪機安全運行條件，汽輪機被迫停運。
非供暖季汽輪機無法運行，造成仙人島在2017年投產后即出現虧損，企業經營形勢困難。面對這種局面，降低汽輪機最小連續運行所需熱負荷，實現汽輪機全年運行，成為企業扭虧的關鍵因素。為此，仙人島熱電開展了背壓式汽輪機超低負荷運行方案探索，最終于2021年4月成功實現50MW背壓式汽輪機超低負荷（1MW）連續安全穩定運行。
2.主要做法
1.1.開展50MW背壓式汽輪機降背壓運行理論分析與實踐，量化汽輪機低背壓下葉片過負荷風險，制定《汽輪機降背壓運行主汽流量限制范圍》曲線，為運行人員提供可量化的低背壓運行工況調節依據[1]。
汽輪機背壓下降后，排汽口處蒸汽容積流量上升，對鼓風效應產生明顯的抑制作用，降低汽輪機背壓，是降低背壓式汽輪機最小連續運行負荷的重要手段之一。但是，汽輪機背壓下降后，葉片前后壓差上升，存在葉片過負荷隱患以及其它安全隱患。所以，仙人島熱電公司在汽輪機降背壓運行實施前，開展了完備、詳盡的安全性分析，為運行人員提供了可量化的低背壓運行工況調節依據。
根據葉片輪周功率計算公式：
Pu=Gu（c2cosα2+ c1cosα1）
u=πdmn/60
Pu——汽輪機葉片輪周功率 （kW）
G——單位時間內通過動葉的蒸汽質量 （kg/s ）
dm——動葉進出口平均直徑 （m）
u——動葉進出口平均直徑dm處的圓周速度 （m/s）
c2——動葉出口汽流絕對速度 （m/s）
c1——噴嘴出口汽流絕對速度 （m/s）
n——動葉轉速 （r/min）
α1——噴嘴出口汽流與葉輪旋轉平面的夾角 （°）
α2——動葉出口汽流與葉輪旋轉平面的夾角 （°）
汽輪機轉速n為3000 r/min，為固定值，對于結構和尺寸已經確定的葉片，dm、u為固定值。葉片輪周功率Pu的大小僅與G、c2cosα2+ c1cosα1等變量相關。為方便分析c1、c2、α1、α2對輪周功率的影響，引入動葉進出口速度三角形：
圖1：動葉進出口速度三角形
汽輪機降背壓運行時，動葉后壓力下降，流速上升，即c2上升，c2cosα2+ c1cosα1上升?？梢?，汽輪機背壓下降，會造成輪周功率Pu上升，若任由背壓持續降低而不采取其它措施，最終會造成汽輪機葉片過負荷。根據輪周功率計算公式，要實現汽輪機在低背壓下穩定運行，需同步減小汽輪機的進汽量G，才能保證輪周功率始終在設計允許的范圍內，動葉不會發生過負荷風險。
此外，受汽輪機背壓降低的影響，機組的排汽比容將相應增大，為避免高排汽流速引起排汽阻塞影響機組運行安全，也需采取減小蒸汽流量的方案來將排汽流速降低至設計允許的上限值以下。
以汽輪機背壓下降至0.3MPa.a為例，經熱力計算，汽輪機排汽比容為0.8281m3/kg，按照汽輪機原設計允許的排汽流速上限60m/s計算，排汽口量約為101.5t/h，反算進汽流量為108t/h，此時的進汽流量約為原設計流量的20%。
背壓繼續降低情況下，如果此時汽輪機按照順序閥模式進行調節，4個用于調節進汽流量的調節閥僅有2個閥開啟，并且開度很小，以節流方式控制進入通流的蒸汽流量，其余2個閥門處于長期關閉的狀態，不僅汽缸受熱不均勻，容易沿軸向彎曲變形造成動靜偏磨，引起機組振動增大，而且調節級長期受到單組噴嘴部分進汽度的激振影響，使用壽命大大降低。如果采用單閥調節模式運行，能夠保證汽缸均勻受熱膨脹，但由于閥門開度很小，在閥碟和閥座的縫隙處會出現嚴重節流，受節流效應影響，閥座處產生高溫通過閥殼傳熱直接加熱汽缸，使汽缸的熱膨脹量超過設計值。而此時調節級后溫度相對較低，造成轉子熱膨脹量低于設計值。如此將導致汽輪機出現嚴重的負脹差，同樣會影響汽輪機正常運行。
考慮到汽輪機降背壓運行方式下的安全性風險，并在確保滿足工業蒸汽用戶實際需求的前提下，在實際生產中，控制汽輪機排汽壓力最低的下降程度為0.3MPa.a，同時在機組運行過程中密切監視脹差和軸振動值，避免出現計劃外的停機，或損壞設備事故的發生。經過熱力計算，確定了不同背壓下，汽輪機主蒸汽流量的上限值。
同時，按照汽輪機運行時避開鼓風效應區間所需最小蒸汽容積流量為14000m3/h，在汽輪機低背壓運行研究中同時確定了不同背壓下汽輪機主汽流量的下限值。根據以上計算結果，編制了《汽輪機降背壓運行主汽流量限制范圍曲線》。
圖2：降背壓運行主汽流量限制范圍曲線
圖2反應了汽輪機在降背壓情況下，主汽量—功率—背壓的對應關系。汽輪機運行時，背壓和主汽量參數必須嚴格控制在圖示區域內，才能保證機組安全。在每一個背壓下，主汽量均有上限及下限，如在背壓在0.3MPa.a時，主汽量只能在45t/h~108t/h范圍內，對應功率約為3.5MW~14MW，如流量過大，則排汽流速超標，末級葉片過負荷。如流量過小，則末級葉片存在鼓風的情況，排汽溫度持續升高，均無法保證汽輪機安全穩定運行。為保證安全運行，汽輪機降背壓運行期間相關各項參數嚴格按照《汽輪機降背壓運行主汽流量限制范圍曲線》控制。
1.2.針對汽輪機低負荷運行要求和特點，結合廠內設備及廠外蒸汽管網設計參數，進行熱力系統優化改造。
為將汽輪機最小運行負荷控制在最低，仙人島熱電公司按照汽輪機降背壓運行思路，對廠內熱力系統進行優化調整，具體包括：
1.1.1.汽輪機排汽減溫器改造
在汽輪機排汽管道上設置減溫裝置，控制汽輪機超低負荷運行工況下外供蒸汽溫度在300℃以內，保證蒸汽溫度不超過廠外供汽管道設計溫度，保障供汽管道安全運行。
1.1.2.#2高加進汽管路改造
仙人島熱電公司汽輪機低負荷降背壓運行后排汽溫度升高，因#2高加蒸汽引自汽輪機排汽，汽輪機降背壓運行后會導致#2高加入口蒸汽超溫，故將#2高加供汽汽源由汽輪機排汽口調整到新增排汽減溫器后，保證汽輪機超低負荷運行工況高加供汽溫度在設計范圍內。
1.1.3.輔助蒸汽系統優化改造
仙人島熱電公司低負荷運行工況下，汽輪機排汽溫度升高，無法為輔助蒸汽系統提供蒸汽，否則會造成除氧器及小汽輪機入口蒸汽超溫。此工況下，低壓供汽管道是中壓輔汽母管唯一供汽汽源。因低壓供汽管道至中輔母管供汽管道最細處管徑僅為DN150，無法滿足機組超低負荷運行中除氧器及小汽輪機正常運行所需蒸汽量，造成中輔壓力低，小汽輪機運行可靠性下降。故而開展了適應汽輪機超低負荷運行工況的輔助蒸汽系統優化改造，將低壓供汽管道至中壓輔汽母管DN150管段管道擴徑為DN200。改造完成后，輔助蒸汽系統能夠完全適應汽輪機超低負荷運行要求。
1.3.制定汽輪機低負荷運行工況控制策略，持續開展汽輪機低負荷運行試驗，探索汽輪機超低負荷運行的極限工況。
仙人島熱電汽輪機降背壓運行實踐和廠內系統優化完成后，利用2021年供暖季結束,廠外蒸汽負荷下降至80t/h的實際工況，首次進行了一號機超低負荷運行實踐驗證。試驗過程中，控制汽輪機主蒸汽溫度≤450℃，汽輪機排汽口溫度≤350℃，汽輪機排汽減溫器后溫度≤300℃，汽輪機背壓≥0.90MPa.g，并滿足工業蒸汽用戶要求及《汽輪機背壓滑壓運行主蒸汽流量限制值》曲線要求。在汽輪機主蒸汽進汽量180t/h開始，逐步降低汽輪機主蒸汽進汽量，觀察汽輪機排汽溫度上升幅度，探索汽輪機最小運行負荷。試驗取得了預期效果，仙人島熱電實現非供暖季汽輪機超低負荷運行的突破。圖三為仙人島熱電一號汽輪機2021年4月3日3.4MW發電功率下的運行工況截圖，發電功率為額定功率的6.8%。
圖3：仙人島熱電一號機3.4MW運行畫面
基于首次超低負荷運行試驗成功的經驗及非供暖季熱負荷持續下降的實際情況，仙人島熱電公司在2021年非供暖季中持續優化調整汽輪機超低負荷運行控制思路，探索汽輪機超低負荷運行的極限工況，在保證汽輪機持續安全穩定運行的前提下，形成可行的汽輪機超低負荷運行控制方案。
1.1.4.主蒸汽溫度調整原則
背壓式汽輪機超低負荷運行需要解決的主要問題是因鼓風原因造成的排汽溫度超限，降低主蒸汽溫度是保證汽輪機超低負荷運行的重要手段之一。但主汽溫度持續下將也會造成汽輪機缸體溫度不均，影響運行可靠性。仙人島熱電公司通過超低負荷運行試驗，最終將主蒸汽溫度控制范圍確定在420~450℃之間，并根據汽輪機排汽溫度情況隨時調整。調整原則為：控制汽輪機排汽溫度≤360℃的前提下，適當提高汽輪機進汽溫度，以利于提高汽輪機效率。
1.1.5.主蒸汽壓力調整原則
根據朗肯循環原理，主蒸汽壓力提高，排汽溫度隨之下降，即高主蒸汽壓力對降低超低負荷運行汽輪機排汽溫度有利，但是，高主蒸汽壓力也會造成節流損失顯著上升。綜合以上原因，并通過低負荷調整試驗比對，仙人島熱電公司將汽輪機超低負荷運行期間主蒸汽壓力控制在4~5.5 MPa之間。
1.1.6.汽輪機背壓調整原則
汽輪機背壓下降后，排汽口處蒸汽容積流量上升，對鼓風效應產生明顯的抑制作用，降低汽輪機背壓，是控制汽輪機排汽溫度的重要手段之一。同時，降低機組運行背壓，能夠有效提高汽輪機循環熱效率，增加汽輪機超低負荷運行期間的發電量。根據汽輪機發電功率與背壓對照曲線，汽輪機背壓每下降0.1MPa，發電功率上升0.5%。
實際運行中，需保證工業蒸汽用戶對蒸汽參數的要求，仙人島熱電公司在非供暖季超低負荷運行期間，將汽輪機背壓由額定背壓下調至0.89~0.99MPa（g）之間，并在能夠滿足蒸汽用戶供汽壓力要求的前提下盡量保持下限運行，以利于汽輪機排汽溫度的降低及發電效率的提升。
1.1.7.汽輪機排汽溫度調整原則
背壓式汽輪機超低負荷運行，排汽溫度不超限是最重要的控制目標，主蒸汽壓力、溫度、背壓等參數的調整，均以降低排汽溫度為前提，再兼顧汽輪發電機組效率。綜合考慮汽輪機動靜部分金屬材質及超低負荷運行實際工況，仙人島熱電公司確定汽輪機排汽溫度控制極限為360℃。
通過綜合調整汽輪機主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、背壓等參數后，汽輪機排汽溫度達到360℃時的穩定運行工況確定為50MW背壓式汽輪機超低負荷運行的極限工況。
1.1.8.汽輪機排汽減溫器后蒸汽溫度調整原則
仙人島熱電公司外供蒸汽管道設計溫度為300℃，為保證汽輪機超低負荷運行期間蒸汽溫度不超限，需通過汽輪機排汽減溫器減溫水量的調整，控制減溫器后蒸汽溫度在300℃以內，并注意排汽管道上下溫差，防止排汽管道內出現因減溫水霧化不良產生積水、管道振動等異?，F象。
1.1.9.超低負荷運行汽輪機順序閥控制
仙人島熱電公司汽輪機超低負荷運行實踐證明，高壓調節門控制方式由單閥控制切換至順序閥控制后，能夠顯著降低蒸汽節流損失，提高發電效率。順序閥控制方式，熱負荷及主蒸汽參數、背壓同等條件下，汽耗率下降約2kg/KWh，汽輪機調節級后溫度及排汽溫度均下降5~7℃，汽缸左右側、上下側溫差，汽輪機各軸承振動均未出現上升。順序閥控制方式，對于超低負荷運行汽輪機降低排汽溫度、提高發電效率均有積極影響。
3.汽輪機超低負荷運行的極限工況
根據前文所述，綜合調整汽輪機主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、背壓等參數后，汽輪機排汽溫度達到360℃時的穩定運行工況確定為50MW背壓式汽輪機超低負荷運行的極限工況。表1所列數據為仙人島熱電公司超低負荷運行各節點工況主要參數（背壓0.93Mpa.g）。
表1：仙人島熱電公司汽輪機超低負荷工況表
2021年非供暖季，仙人島熱電公司持續進行汽輪機超低負荷運行的極限工況探索試驗。成功實現超低負荷長周期連續運行。一號機超低負荷運行期間，汽輪機最低進汽量75t/h，最小外供蒸汽量64t/h，最小發電功率1MW，為額定功率的2%。
圖4：仙人島熱電公司一號機1MW運行畫面
仙人島熱電公司一號汽輪機自2021年4月1日首次實現超低負荷運行，至營口地區供暖季開始，連續安全穩定運行215天。超低負荷運行適應了非供暖季供汽負荷要求，實現了汽輪機全年運行的既定目標。
50MW背壓式汽輪機超低負荷運行，提高了背壓式汽輪機運行靈活性和企業的盈利能力。得益于汽輪機超低負荷運行，2021年4月，仙人島熱電發電量同比增加308.72萬KWh，上網電量同比增加82萬KWh，外購電量同比降低206.68萬KWh，工業蒸汽量同比增加24787t，仙人島熱電月度同比減虧495萬元。
4.結束語
仙人島熱電公司通過開展背壓式汽輪機降背壓運行理論分析與實踐，評估汽輪機葉片過負荷風險，制定汽輪機降背壓運行主汽流量限制范圍曲線，實現背壓式汽輪機降背壓運行的量化調整，應用于運行實踐。同時按照汽輪機降背壓運行的特點和熱力系統布置，針對性的進行熱力系統優化，并采取降低主蒸汽溫度等措施，最終實現50MW純背壓式汽輪機超低負荷背壓供汽工況持續安全穩定運行，也為探索背壓式汽輪機寬負荷靈活性調整提供了新的思路。
參考文獻：
[1]費卓, 范圣波，朱文凱. 50MW背壓式汽輪機降背壓運行實踐研究：東北電力技術，2020（03）
