【上海电气低压缸柔性运行及切缸技术方案介绍】

一、概述

自2016年6月国家能源局发布《关于下达火电灵活性改造试点项目的通知》至2018年国家发改委和能源局印发《关于提升电力系统调节能力的指导意见》,火电灵活性运行及深度调峰日益成为电力企业实现生存和发展的关注重点,国家和多个地方部门陆续出台了多个指导意见以及优惠政策推进和鼓励火电的灵活性改造。火电灵活运行及深度调峰主要通过储能,锅炉设计、改造优化、汽机设计、改造优化来实现。

对于供热机组,考虑到储能和锅炉改造方面的不足,采用对汽轮机进行优化设计或改造的方式是更经济和实用的选择,当前国内对汽轮机灵活性和深度调峰的主要方式为“低压缸切缸”。

“低压缸切缸”又称“低压缸零出力”或“低压缸鼓风运行”,是指中压缸排汽全部通过抽汽管道引出,仅保留少量的冷却蒸汽进入低压缸带走转子叶片与内部工质摩擦产生的热量从而实现低压缸微出力甚至零功率运行一种运行方式。

对于供热机组,采暖期一般是以“以热定电”的方式运行,而常规的切缸技术,仍然是“以热定电”运行,并不具备灵活性。上海电气通过大量的理论论证及项目实践,通过技术的不断提升,能够实现低压缸柔性运行,同时兼具完全切除低压缸功能,突破了常规切缸技术的局限性。

二、技术亮点及先进性

2.1 更宽的热、电负荷配比范围

借助上海电气低压缸柔性运行及切除低压缸技术,能够实现更宽的热、电负荷配比范围,中间无快速通过区域,热负荷、电负荷均可平稳调整,无阶跃,无冲击,为运行人员提供更安全无忧,简捷的操作条件。

图2.1 各抽汽供热方案热、电负荷比较

2.2 超高的运行灵活性

通过低压缸柔性运行及切除低压缸技术,实现汽轮机全工况抽凝运行,摆脱传统切缸技术一旦突破常规抽凝运行极限必须切除低压缸以热定电的运行模式,在满足用户供热需求的同时,电负荷仍有一定的调节区间。

图2.2 各抽汽供热方案抽汽工况图对比

2.3 强大的长叶片振动/叶顶间隙监测系统

为应对汽轮机低压缸小排汽容积流量运行而开发的叶片健康监测系统,广泛应用在上海电气实施的低压缸柔性运行及切缸改造中,能够实时在线监测叶片振幅,频率,叶顶间隙等关键数据,帮助运行人员实时避开危险运行工况,实现包括切缸工况、低压缸柔性运行工况、抽凝工况等低压缸小排汽容积流量工况下的安全运行。

图2.3 叶片健康监测系统后台画面

图2.4 叶片健康监测系统集控室DCS画面

2.4 创新设计的专用排汽喷水减温系统

专为低压缸柔性运行及切缸运行设计的排汽喷水减温系统,独立于原机组喷水减温系统,不干涉原喷水减温系统逻辑。该系统创新性地对末级动叶后二次水滴的粒径和浓度进行动态实时监测,通过二次水滴粒径和浓度的变化精确控制喷水量,尽可能降低因喷水产生的水滴撞击叶片造成的水蚀影响。

2.5 高度集成的低压缸柔性运行及切缸专用逻辑系统画面

从用户的角度出发,借助主机厂全专业覆盖优势,整合低压缸柔性运行及切缸关键参数与控制逻辑到一个运行画面,界面友好,显示直观,操作方便。运行人员不需切换界面即可统揽全局,判断当前运行状态,有效降低运行人员操作压力。

图2.5 低压缸柔性运行及切缸专用逻辑系统画面示意

三、技术方案及技术细节

低压缸柔性运行及切除低压缸通过特殊设计的连通管结构来实现,如下图所示,连通管配备完全密封的蝶阀,另一路则通过特殊设计实现低压缸柔性运行与完全切除低压缸功能。

图3.1 低压缸柔性运行及切缸改造连通管示意

其他针对性的设计则包括汽轮机喷水系统,EH油系统,轴封加热器,关键监视点,以及保障末级叶片振动安全及间隙安全所配备的叶片监测系统。

3.1 特殊设计的连通管

基于以下六点,上海电气对连通管进行了特殊设计:1.实现低压缸柔性运行;2.实现从常规抽凝到低压缸柔性运行到切除低压缸的平稳过渡;3.实现大蝶阀密封面的保护;4.避免大蝶阀严重节流引发的振动问题;5.实现低压缸进汽量的精确控制;6.确保蒸汽在连通管内流动安全。

图3.2 特殊设计的连通管

3.2 叶片健康监测系统(BHMS)

叶片颤振作为汽轮机设备的一大安全隐患,不仅在低压缸切缸状态运行时容易出现,还可能出现在汽轮机低负荷运行、抽凝机组大抽汽量运行时,因此早在低压缸切缸技术出现之前就受到了上海电气的重视,并着力于实现末级叶片振动情况的实时监测,找到容易诱发叶片颤振的危险工况点,并在以后的运行中加以避开。上海电气为此开发了叶片健康监测系统,并历经三年多的时间调试,改进并最终成熟应用于我厂制造的新机组及低压缸切缸改造机组。该系统能够实现对叶片振幅、频率、叶顶间隙的实时监测,任一参数超限,能够发出报警,提醒运行人员。另外该系统具备以下高级功能:1.对电厂运行中长叶片振动特性进行记录和分析,避开危险工况;2.对潜在的风险或者突发的破坏进行警告;3.对长叶片已有测试数据进行分析计算,对长叶片的寿命进行预测。

3.3 测点完善及定值校核计算

上海电气对影响到低压缸柔性运行及切缸运行的所有关键测点进行全面的设计和加装,并依托主机厂的技术体系对各测点定值进行全面校核以保证切缸过程可控,汽轮机安全运行。

图3.3 测点全面加装示意

3.4 低压缸柔性运行及切缸专用喷水系统

湿蒸汽所携带的水滴一般分为两类,一次水滴为蒸汽凝结形成的、与主汽流速度基本一致的小水滴,直径约0.1-2.0;二次水滴是湿蒸汽流经静叶片时一部分会沉积在叶片表面形成水膜,受叶片离心力和高速主汽流的作用被撕裂和破碎而成的水滴,水滴直径约为5-500。叶片的水蚀主要是二次水滴造成的。

低压缸柔性运行或切缸运行时,低压缸排汽的容积流量较小,会在排汽区形成回流,而为了避免某些工况因低压缸末级叶片鼓风而导致排汽温度超限,需要通过喷水减温系统控制排汽温度。喷水产生的水滴来不及汽化就被回流夹带,打在末级动叶片的出汽边底部,是导致叶片水蚀的主要原因。这种水蚀相当于二次水滴对叶片的水蚀,随着水蚀的不断积累,可能会造成叶片断裂。

上海电气设计的专用喷水系统,对末级动叶后二次水滴的粒径和浓度进行动态实时监测。通过二次水滴粒径和浓度的变化精确控制喷水量,使得喷水产生的液滴既能起到控制排汽温度过高的作用,也能尽可能降低因喷水产生的水滴撞击叶片造成水蚀,为喷水系统改造的核心。

通过特别的喷水管路设计和分级喷水逻辑,消除现有技术中喷水量存在过量或喷水不足的问题,改善低压缸的运行环境。

通过特别的喷头选型,结合喷嘴组的结构,满足大范围的、不同喷水量的需求。

四、机组运行安全

上海电气认为,切除低压缸运行及低压缸柔性运行均存在以下风险:1.叶片颤振,2.叶片水蚀,3.动静碰磨,4.叶片鼓风超温。

4.1 叶片颤振及预防

低压缸小排汽容积运行,末级叶片处于低负荷,汽流波动大的环境下运行,容易发生颤振,即异步强迫振动。叶片处于颤振状态运行,叶片将迅速发生疲劳断裂,为汽轮机运行带来附加风险。

上海电气通过加装叶片健康监测系统,实时监测叶片的振动情况,实时避开动应力危险区间,实现汽轮机小排汽容积流量下的安全运行。

通过实时监测的数据积累结合理论计算、分析,上海电气将提供如下图所示的低压缸切除及柔性运行指导图,指导用户运行,判断当前运行状态。

4.2 叶片水蚀及预防

汽轮机切缸状态或邻近切缸状态运行,低压缸排汽超温需要喷水减温,在较低排汽容积流量下,汽轮机排汽区域会形成回流夹带喷水产生的水滴打在末级叶片出汽边根部形成较为严重的水蚀,对汽轮机的运行安全带来一定的风险。

上海电气低压缸柔性运行技术能够使汽轮机具有更宽的热、电配比范围,能够满足热负荷的同时,不必完全切除低压缸运行,在不喷水的情况下将排汽温度控制在定值之内,避免不必要的切缸工况,显著降低完全切缸运行时间。

针对必须喷水的运行工况,如前文所述,上海电气开发的专用喷水减温系统在喷水雾化效果,喷水量,二次水滴的控制上进行了针对性设计、优化,能够最高限度的降低喷水对末级叶片的水蚀影响。

4.3 动静碰磨及预防

汽轮机低压缸小进汽量变工况运行,蒸汽参数变化较大,极易导致末级叶片、内缸温度分布不均,引起叶顶间隙的改变,有出现动静碰磨的风险。

上海电气通过叶片健康监测系统的叶顶间隙监测功能,实时监测叶顶间隙的变化,以供用户操作决策,避免发生动静碰磨。

4.4 叶片超温及预防

切缸状态运行低压缸末级、次末级甚至次次末级叶片都处于做负功状态,鼓风发热严重,超过叶片的许用温度会损坏叶片,另外排汽温度超过排汽装置或凝汽器的许用值还会对其造成损坏。

上海电气对末三级叶片进行计算校核,给出许用温度限制值,通过末三级叶片温度测点的加装,实时监测动叶进口温度的变化趋势,防止叶片超温。

上海电气对中压缸叶片的强度及机组推力的计算校核,通过优化运行,实现低压缸进汽温度优化,从而在安全运行的前提下,确保最低的末三级叶片温度。

五、总结

通过多个低压缸柔性运行及切除低压缸改造项目实践检验,上海电气实施的低压缸柔性运行及切除低压缸改造项目能够做到各种运行工况切换平稳,过渡平滑,各参数正常不超限;机组能够实现低压缸任意进汽量下的停留和长期运行,即低压缸柔性运行工况。机组频繁切缸及长时间切缸运行平稳无异常,目前为止无任何由上海电气实施该技术改造的用户报告存在因改造导致的相关安全问题。

上海电气突破性地解决了末级叶片的振动监测问题,动静间隙监测问题以及导致末级叶片水蚀的二次水滴监测问题,真正做到了低压缸柔性运行及切缸运行工况完全透明,安全可控,运行灵活。

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