一种汽轮机低压缸高真空脱缸运行热电解耦系统的改造方法

摘要

本发明提供一种汽轮机低压缸近真空脱缸运行热电解耦技术，并提供本发明系统配置及改造运行方法，所述系统配置包括汽轮机高压缸、中压缸、低压缸、中低压缸联络调节蝶阀、低压缸进汽隔离阀、水环真空泵、低压缸减温水调节阀、低压缸缸内喷水减温器、前置抽真空装置以及连接上述设备的阀门及管件。本发明通过增设低压缸进汽隔离阀，低压缸缸内喷水减温改造和抽真空系统改造，可解决供热期间低电负荷下的供热量不足的问题，是热电解耦的新技术。也可应用于低压缸光轴供热改造的机组，避免机组采暖期与非采暖期揭缸换轴。该技术的应用可实现热电解耦的同时增加机组供热抽汽能力，在兼顾安全性，实现热电解耦的同时对汽轮机改造量较小，较好实施。

说明书

技术领域

本发明涉及火力发电机组的应用领域，尤其是涉及火力发电机组热电解耦改造或增加供热能力的改造方法。

背景技术

燃煤火力发电现在及未来的相当长的一段时间内都将是我国能源系统的重要组成部分。最近几年来，在国家节能减排的政策鼓励及日益加大的环保压力下，我国煤电节能减排工作取得了显著成效，在污染物排放方面，2014年烟尘排放量占全国烟尘总排放量的5.6％；二氧化硫排放量占全国总排放量的31.1％；氮氧化物排放量占全国总排放量的31.6％。随着全社会用电需求增速放缓以及可再生能源的大规模发展，火电利用小时数将会逐年下降，为此提升火电机组运行灵活性，大规模参与电网深度调峰将是大势所趋。

随着国家对节能环保的日益重视，越来越多的火力发电企业进行了热电联产改造，热电联产是节约能源、提高机组经济性的重要手段之一，也是促进社会经济可持续发展的重要措施。随着我国能源结构的调整，风电占全国装机容量的比重也在进一步提高，由于热电联产机组调峰能力较弱，每年采暖期风电大面积弃风，尤其是夜间风电全停也时常发生，热电联产机组调峰能力弱与电网调峰需求相矛盾，实现电力生产和热力生产的解耦运行非常迫切。

当前火力发电机组进行热电解耦的主要方式有以下几种：

1)汽轮机侧改造：高背压改造、低压缸光轴改造，电厂高背压改造就是常规所说的电厂低温循环水供热，通过降低电厂凝汽器的真空度，提高排汽压力和温度，用汽轮机低压缸排汽加热热网循环水，达到直接供热或者经过尖峰二次加热后供热的目的；低压缸光轴改造就是在采暖季前将汽轮机原低压转子更换为光轴转子，彻底解列低压缸运行，即中压缸排汽全部进入热网加热器，热网循环水系统不做较大的改变，采用一根光轴直接连接中压转子和发电机转子，供热结束后，将低压光轴转子更换为纯凝转子。此类改造优点是运行成本较低，增加机组供热能力，缺点是改造造价较高，灵活性不够好，采暖期非采暖期需停机检修，更换转子等工作增加检修量，尤其是高背压技术无法适应机组低负荷运行，低负荷运行时易发生鼓风现象。

2)储热技术方式：目前，有较大规模工程实际应用的储热技术主要有显热储热技术与潜热储热技术。显热储热主要是通过储热材料温度的上升或下降而存储热能，显热储热是各种储热方式中原理最简单、技术最成熟、材料来源最丰富，成本也相对较为低廉的一种，因而实际应用最为普遍。显热储热中最普遍的技术就是热水储热系统，储热设备主要采用储热水罐，热电联产机组可在上网电量高峰时段大量生产电能，并将产生的热能储存起来；在用热高峰且上网电量处于较低的波动区间时，则可以维持较少的发电量，缺少的部分热量由储热罐储存的热量来提供。此类技术优点是技术成熟，商业化程度高，缺点是造价相对其他技术昂贵，占地空间大，储热温度较低，而且储热水罐为了适应峰谷周期储热必然带来储热损失，一个峰谷周期可能会损失储热量的5％甚至更多。

3)旁路改造：就是利用主汽、再热蒸汽辅助供热，主要是高低压旁路增容，在主蒸汽管道与再热冷段蒸汽管道之间设置减温减压器，利用低压旁路减温减压后蒸汽至供热母管参与供热。此类技术优点是改造相对简单，增加供热能力，缺点是有再热器超温，汽轮机推力变化等问题出现，影响机组安全性，而且改造后相当于直接采用主汽参数为16.7MPa，540℃的高品位蒸汽减温减压供热，机组运行经济性差。

4)电锅炉技术：主要原理是通过设置电锅炉满足高温热水热负荷，电锅炉用量来自机组发电，由于电锅炉消耗了部分电量，因此机组实际发电负荷可以不用降至过低，机组能够保持较高发电负荷的同时，供热负荷能够得到满足。优点是运行灵活，机组实际负荷率高，对汽轮机本体不进行改造。缺点是造价较高。

申请号：CN2016108054719中国发明专利公布了一种从电站锅炉抽蒸汽的热电解耦供热系统，该发明公开了一种从电站锅炉抽蒸汽的热电解耦供热系统，热网回水主要采用凝汽换热器进行加热，在凝汽换热器后面再增加抽汽加热器，抽汽加热器的热源蒸汽从电站锅炉的过热段或再热段抽取；当汽轮机发电系统处于高负荷时，完全采用汽轮机排汽或从汽轮机中、低压缸连通管抽取的蒸汽在凝汽换热器凝结放热来加热热网水，当汽轮发电系统负荷降低，凝汽换热器加热能力不足时，从电站锅炉抽取高压蒸汽经降压后送至抽汽加热器，给热网水进一步升温，以保证低发电负荷下供热能力不减；该发明可以实现供热电厂的热电解耦，保证低发电负荷下供热能力不减，并且可以减少低负荷下电站锅炉尾部烟气温度的降低，保证锅炉脱硝系统工作正常。但是该发明热电解耦电负荷较低时供热直接用锅炉主汽减温减压方式，该方式能源利用效率极低，供热成本较高。热电解耦时增加了机组运行成本。

现有技术中存在的主要缺陷在于：

1、汽机侧改造：如高背压改造、低压缸光轴改造，此类改造需要对汽轮机本体进行较大改造，而且采暖期及非采暖期切换时需停机检修，不够灵活，汽轮机发电能力受一定影响，改造费用较高。尤其是高背压技术无法适应机组低负荷运行，低负荷运行时易发生鼓风现象。

2、储热技术方式：目前，有较大规模工程实际应用的储热技术主要有显热储热技术与潜热储热技术。显热储热中最普遍的技术就是热水储热系统，热水灌储热，缺点是工程造价较高，储热温度较低，占地大，而且储热水罐为了适应峰谷周期储热必然带来储热损失，一个峰谷周期可能会损失储热量的5％甚至更多；潜热储热技术中有代表性的为熔盐储罐，该技术缺点是造价非常昂贵，该技术运行中也有储热损失。

3、旁路改造：缺点是有再热器超温，汽轮机推力变化等问题出现，影响机组安全性，而且改造后相当于直接采用主汽参数为16.7MPa，540℃的高品位蒸汽减温减压供热，改造机组运行经济性差。

4、电锅炉：缺点是造价较高，相对汽轮机抽汽供热不节能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种汽轮机低压缸高真空脱缸运行热电解耦系统的改造方法，所述系统主要包括汽轮机高压缸(101)，汽轮机中压缸(102)，汽轮机低压缸(103)，发电机(104)，凝汽器(105)，中低压缸联络调节蝶阀(106)，低压缸进汽隔离阀(107)，水环真空泵(108)，低压缸减温水调节阀(109)，低压缸缸内喷水减温器(110)，前置抽真空装置截止阀(111)，前置抽真空装置(112)，前置抽真空装置旁路截止阀(113)，供热抽汽截止阀(114)，主蒸汽(201)，再热蒸汽(202)，低压缸喷水减温水(203)，水环真空泵排大气(204)，供热抽汽(205)，以及连接上述设备的管件。

所述系统涉及电厂原汽轮机发电机组，该发电机组由汽轮机高压缸(101)，汽轮机中压缸(102)，汽轮机低压缸(103)，发电机(104)同轴连接，其中主蒸汽(201)进入高压缸做功后排汽进入锅炉再热器加热，加热后的再热蒸汽(202)进入中压缸做功，做完功后的中压缸排汽一路经供热抽汽截止阀(114)进行供热抽汽，一路经中低压缸联络调节蝶阀(106)，低压缸进汽隔离阀(107)进入低压缸继续做功，做完功后的乏汽进入凝汽器(105)冷却为凝结水，不凝结气体经抽真空系统抽出至大气，抽着空系统分为两路：一路经前置抽真空装置隔离截止阀(110)、前置抽真空装置(108)引至水环真空泵(107)由水环真空泵排大气(204)，另外一路经前置抽真空装置旁路截止阀(111)直接引致水环真空泵由水环真空泵排大气，两路可在不同的机组运行工况下进行切换；为避免高真空脱缸运行工况下低压缸的过热现象，连接管路引低压缸喷水减温水(203)经低压缸减温水调节阀(109)调节后至低压缸缸内喷水减温器(110)，实现低压缸的喷水减温。

低压缸脱缸运行方案：首先关闭中低压缸联络调节蝶阀(106)，然后关闭低压缸进汽隔离阀(107)，关闭前置抽真空装置旁路截止阀(113)，打开前置抽真空装置截止阀(111)，启动前置抽真空装置(112)，保证低压缸(103)不进汽，同时低压缸(103)和凝汽器(105)处于高真空的运行状态，接近1.5kPa左右运行，观察低压缸转子温度趋势，适当投入低压缸缸内喷水减温器(110)，保持低压转子不超温，则实现低压缸脱缸运行，从而实现热电解耦。

本发明技术应用后在不影响锅炉稳燃运行的情况下，机组最低发电负荷可降低约15％-20％，供热抽汽量可增加约150t/h-200t/h。

本发明所述系统实现低压缸脱缸的关键点有以下三点：低压缸脱缸后鼓风功率的计算与缸内喷水减温水量的选取、低压缸高真空的实现、低压缸进汽的隔离。

一、低压缸脱缸后鼓风功率的计算与缸内喷水减温水量的选取

低压缸截流后，缸内无蒸汽流动，汽轮机叶片工作在全失速状态，鼓风功率同凝汽器背压成正比关系，低压缸内压力大小成为低压缸鼓风功率的关键，根据计算推荐低压缸及凝汽器背压维持在1.5kPa左右，低压缸缸内温度不超过100℃，鼓风功率在汽轮机低压缸内均已发热的形式表现，为降低缸内温度，采取缸内喷水减温的方式，由于末级鼓风功率占整个低压缸鼓风功率的60％左右，因此喷水重点考虑在末级喷，由于低压缸末级叶片线速度较大，在这个线速度下，喷水雾化良好的水滴对叶片不会造成伤害，根据汽轮机热力计算数据，末级凝水量远远大于带走鼓风功率所需的喷水量。

考虑1.5kPa压力状态下饱和水温度只有13℃左右，低压缸缸内喷水减温器(110)必须充分考虑喷水的均匀性，喷水口局部温度应力需进行计算。

二、低压缸高真空的实现

低压缸真空决定了低压缸内鼓风功率的大小，如何降低真空为本发明关键点之一，对电厂抽真空系统而言，由于水环泵的极限真空压力较低，一般低于10KPa效率急剧下降，而本发明选取的前置抽真空装置(112)的抽真空能力不会随着压力的降低变化，因此将前置抽真空装置(112)串联在水环真空泵之前，与前置抽真空装置串联的水环真空泵(108)是机组原系统水环真空泵或者是新购置的小水环真空泵，小水环真空泵功率小于原水环真空泵功率，但不低于原水环真空泵功率的1/3。

三、低压缸进汽的隔离

一般抽凝式汽轮机均设置有中低压缸联络调节蝶阀(106)，本发明所述系统在中低压缸联络调节蝶阀(106)后增设低压缸进汽隔离阀(107)，需要低压缸脱缸时将该阀门关闭，起到隔离低压缸进汽的作用。

对于现有技术，本发明的优点在于：

1、本发明所述技术通过少量改造，增加低压缸进汽隔离阀，低压缸缸内喷射减温装置，前置抽真空装置即可达到增加机组供热能力，热电解耦的目的，改造相对简单，改造费用低。

2、本发明所述技术在不对低压缸进行光轴改造的情况下低压缸脱缸运行，即实现背压运行，增加机组供热能力，技术简单可靠；与高背压改造技术对比改造后机组可适应低负荷运行。

3、本发明所述技术与汽机侧热电解耦改造比较，低压缸脱缸投切灵活，热电解耦灵活性高，改造费用低；与储热技术方式对比，不增加庞大的系统，无需额外占地，改造费用低，无储热损失；与旁路改造技术对比，供热热源品味低，能源利用效率高，供热运行经济性好；与电锅炉技术对比供热成本低，运行费用低，初投资小。

4、本发明所述技术不同于现有任何热电解耦技术，具有独特的新颖性。

附图说明

接下来将结合附图对本发明做进一步的描述，其中：

附图1：汽轮机低压缸高真空脱缸运行热电解耦系统示意图

图中：汽轮机高压缸(101)，汽轮机中压缸(102)，汽轮机低压缸(103)，发电机(104)，凝汽器(105)，中低压缸联络调节蝶阀(106)，低压缸进汽隔离阀(107)，水环真空泵(108)，低压缸减温水调节阀(109)，低压缸缸内喷水减温器(110)，前置抽真空装置截止阀(111)，前置抽真空装置(112)，前置抽真空装置旁路截止阀(113)，供热抽汽截止阀(114)，主蒸汽(201)，再热蒸汽(202)，低压缸喷水减温水(203)，水环真空泵排大气(204)，供热抽汽(205)

具体实施方式

下面参考附图1，为解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种汽轮机低压缸高真空脱缸运行热电解耦系统的改造方法，所述系统主要包括汽轮机高压缸(101)，汽轮机中压缸(102)，汽轮机低压缸(103)，发电机(104)，凝汽器(105)，中低压缸联络调节蝶阀(106)，低压缸进汽隔离阀(107)，水环真空泵(108)，低压缸减温水调节阀(109)，低压缸缸内喷水减温器(110)，前置抽真空装置截止阀(111)，前置抽真空装置(112)，前置抽真空装置旁路截止阀(113)，供热抽汽截止阀(114)，主蒸汽(201)，再热蒸汽(202)，低压缸喷水减温水(203)，水环真空泵排大气(204)，供热抽汽(205)，以及连接上述设备的管件。

所述系统涉及电厂原汽轮机发电机组，该发电机组由汽轮机高压缸(101)，汽轮机中压缸(102)，汽轮机低压缸(103)，发电机(104)同轴连接，其中主蒸汽(201)进入高压缸做功后排汽进入锅炉再热器加热，加热后的再热蒸汽(202)进入中压缸做功，做完功后的中压缸排汽一路经供热抽汽截止阀(114)进行供热抽汽，一路经中低压缸联络调节蝶阀(106)，低压缸进汽隔离阀(107)进入低压缸继续做功，做完功后的乏汽进入凝汽器(105)冷却为凝结水，不凝结气体经抽真空系统抽出至大气，抽着空系统分为两路：一路经前置抽真空装置隔离截止阀(110)、前置抽真空装置(108)引至水环真空泵(107)由水环真空泵排大气(204)，另外一路经前置抽真空装置旁路截止阀(111)直接引致水环真空泵由水环真空泵排大气，两路可在不同的机组运行工况下进行切换；为避免高真空脱缸运行工况下低压缸的过热现象，连接管路引低压缸喷水减温水(203)经低压缸减温水调节阀(109)调节后至低压缸缸内喷水减温器(110)，实现低压缸的喷水减温。

低压缸脱缸运行方案：首先关闭中低压缸联络调节蝶阀(106)，然后关闭低压缸进汽隔离阀(107)，关闭前置抽真空装置旁路截止阀(113)，打开前置抽真空装置截止阀(111)，启动前置抽真空装置(112)，保证低压缸(103)不进汽，同时低压缸(103)和凝汽器(105)处于高真空的运行状态，接近1.5kPa左右运行，观察低压缸转子温度趋势，适当投入低压缸缸内喷水减温器(110)，保持低压转子不超温，则实现低压缸脱缸运行，从而实现热电解耦。

本发明技术应用后在不影响锅炉稳燃运行的情况下，机组最低发电负荷可降低约15％-20％，供热抽汽量可增加约150t/h-200t/h。

本发明所述系统实现低压缸脱缸的关键点有以下三点：低压缸脱缸后鼓风功率的计算与缸内喷水减温量的选取、低压缸高真空的实现、低压缸进汽的隔离。

一、低压缸脱缸后鼓风功率的计算与缸内喷水减温量的选取

低压缸截流后，缸内无蒸汽流动，汽轮机叶片工作在全失速状态，鼓风功率同凝汽器背压成正比关系，低压缸内压力大小成为低压缸鼓风功率的关键，根据计算推荐低压缸及凝汽器背压维持在1.5kPa左右，低压缸缸内温度不超过100℃，鼓风功率在汽轮机低压缸内均已发热的形式表现，为降低缸内温度，采取缸内喷水减温的方式，由于末级鼓风功率占整个低压缸鼓风功率的60％左右，因此喷水重点考虑在末级喷，由于低压缸末级叶片线速度较大，在这个线速度下，喷水雾化良好的水滴对叶片不会造成伤害，根据汽轮机热力计算数据，末级凝水量远远大于带走鼓风功率所需的喷水量。

考虑1.5kPa压力状态下饱和水温度只有13℃左右，低压缸缸内喷水减温器(110)必须充分考虑喷水的均匀性，喷水口局部温度应力需进行计算。

二、低压缸高真空的实现

低压缸真空决定了低压缸内鼓风功率的大小，如何降低真空为本发明关键点之一，对电厂抽真空系统而言，由于水环泵的极限真空压力较低，一般低于10KPa效率急剧下降，而本发明选取的前置抽真空装置(112)的抽真空能力不会随着压力的降低变化，因此将前置抽真空装置(112)串联在水环真空泵之前，与前置抽真空装置串联的水环真空泵(108)是机组原系统水环真空泵或者是新购置的小水环真空泵，小水环真空泵功率小于原水环真空泵功率，但不低于原水环真空泵功率的1/3。

三、低压缸进汽的隔离

一般抽凝式汽轮机均设置有中低压缸联络调节蝶阀(106)，本发明所述系统在中低压缸联络调节蝶阀(106)后增设低压缸进汽隔离阀(107)，需要低压缸脱缸时将该阀门关闭，起到隔离低压缸进汽的作用。

下面对本发明的一个具体实例进行说明：

某电厂1台330MW汽轮机组进行热电解耦改造，汽轮机型号C330/262-16.7/0.49/538/538，THA工况：低压缸进汽参数：695t/h，0.533MPa，278.9℃。低压缸排汽排汽参数：591.95t/h，0.0049MPa，2313.3kJ/kg，低压缸功率126.45MW，汽轮机功率330MW，低压缸共有6级，末级叶片的高度为900mm，备两台水环真空泵，功率130kW，极限抽真空能力为3.4KPa。改造前最大供热抽汽量500t/h，带热负荷最低供电负荷150MW。

按照本发明技术所述系统及方法进行改造，具体为增加前置抽真空装置，设置低压缸进汽隔离阀，低压缸缸内喷水减温装置，以及相关必要的阀门及管道改造。

改造后保持低压缸内温度小于100℃，则鼓风功率同凝汽器背压的关系如下：

鼓风功率跟背压成正比关系。根据鼓风功率计算喷水量，喷水量大小可受低压缸减温水调节阀调节控制，经过计算低压缸冷却最大可能喷水量不到5t/h，末级的叶片最大线速度约142m/s，在这个线速度下，雾化良好的水滴对叶片不会造成伤害。增设的前置抽真空装置功率不大于260kW水环真空泵功率，改造后脱缸运行时低压缸背压控制在1.5kPa。

改造后与不脱缸运行对比供热能力如下表：

机组带较低电负荷时，本发明所述系统改造后供热能力显著增加，起到了很好的热电解耦效果。

改造后与旁路改造技术对比节能量如下：

虽然旁路技术改造也可实现热电解耦，但旁路技术是以牺牲供热经济性为代价，本发明所述技术改造后即可实现热电解耦，又兼顾了供热经济性。

改造后最大供热抽汽量增加195t/h，在不影响供热量及锅炉稳燃的情况下，机组最低供电负荷降低至120MW，改造效果显著。

本发明技术所述系统中前置抽真空装置(112)可以为离心式真空泵，也可为蒸汽喷射器以及罗茨式真空泵。

对于现有技术，本发明的优点在于：

1、本发明所述技术通过少量改造，增加低压缸进汽隔离阀，低压缸缸内喷射减温装置，前置抽真空装置即可达到增加机组供热能力，热电解耦的目的，改造相对简单，改造费用低。

2、本发明所述技术在不对低压缸进行光轴改造的情况下低压缸脱缸运行，即实现背压运行，增加机组供热能力，技术简单可靠；与高背压改造技术对比改造后机组可适应低负荷运行。

3、本发明所述技术与汽机侧热电解耦改造比较，低压缸脱缸投切灵活，热电解耦灵活性高，改造费用低；与储热技术方式对比，不增加庞大的系统，无需额外占地，改造费用低，无储热损失；与旁路改造技术对比，供热热源品味低，能源利用效率高，供热运行经济性好；与电锅炉技术对比供热成本低，运行费用低，初投资小。

4、本发明所述技术不同于现有任何热电解耦技术，具有独特的新颖性。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，这些变化、修改、替换和变型也视为本发明的保护范围。