編者按：2016年6月14日國家能源局正式啟動靈活性改造示范試點項目，并于6月28日、8月5日下達第一、二批火電靈活性改造試點項目清單?；痣婌`活性成為了熱點話題。根據《電力發展十三五規劃》，十三五期間火電靈活性改造的規模為3.2億千瓦。國內發電公司、電廠、設備廠、科研院所進行了一些新的嘗試。其中，低壓缸零出力改造則很直接。其思路是，既然供熱機組在供熱期要保證供熱，又要降低電出力，何不把低壓缸出力減少以致為零?那么，這項技術的要點如何，效果如何，怎樣避免潛在風險?特此編發西安熱工研究院節能設計研發所所長黃嘉駟以及國家電投(SPIC)東方電廠做的介紹。

(黃嘉駟，火電靈活性改造及深度調峰技術交流研討會，2018年3月28日，沈陽)

一、低壓缸零出力技術概況

提高供熱機組靈活性的低壓缸零出力技術，又稱“切除低壓缸進汽供熱技術”、“切缸供熱技術”等，是西安熱工研究院專利技術。

2016年8月在華能臨河電廠1號300MW機組上對方案進行了實施，在2017年供熱末期進行了試運，各項運行參數安全穩定。

2017年國電延吉(200MW)、國電投東方(350MW亞臨界)、楊柳青(300MW亞臨界)、黃臺(350MW超臨界)項目陸續安全投運，標志著西安熱工院低壓缸零出力供熱技術日趨成熟。

低壓缸零出力技術的核心是僅保留少量冷卻蒸汽進入低壓缸，實現低壓轉子“零”出力3000轉運行，更多的蒸汽進入供熱系統，提高供熱能力!降低電負荷，同時降低發電煤耗!

該技術運行方式能夠實現供熱機組在抽汽凝汽與高背壓的不停機靈活切換，不僅改造費用小，運行維護費用也大幅降低。

西安熱工院目前圍繞該技術申請專利已達20余項。

下面為中國華能集團公司、西安熱工研究院有限公司、西安西熱節能技術有限公司、北方聯合電力有限責任公司、北方聯合電力有限責任公司臨河熱電廠共同獲得的實用新型專利。

二、低壓缸零出力(切缸)改造技術

2.1技術原理

2.2技術特點：

2.2.1對汽輪機本體改造范圍很小，實現汽輪機余熱回收;

2.2.2通過低壓蝶閥的開關實現低壓缸“零出力”與“滿出力”在線切換，在電網波谷階段低壓缸“零出力”實現機組深度調峰，在電網波峰階段低壓缸“滿出力”運行，滿足電網用電需求，既實現了余熱回收，又滿足了電網峰谷需求，實現了熱電解耦。

對于300MW等級機組，改造后相同主蒸汽量條件下，采暖抽汽流量每增加100t/h，供熱負荷增大約71MW，電調峰能力增大約50MW，發電煤耗降低約36g/kWh。

2.3改造措施

根據低壓缸零出力供熱技術實現原理和需求，改造總體工作范圍如下：

進口技術供熱蝶閥改造;

增設低壓缸冷卻蒸汽系統;

配套汽輪機本體運行監視測點改造;

低壓缸末級葉片抗水蝕金屬耐磨層噴涂處理;

低壓次末級、末級葉片運行安全性校核;

配套供熱系統改造;

配套抽空氣系統改造;

配套自動控制系統改造;

低壓缸零出力運行調試。

國家電投東方電廠：

工期優化，以低壓缸冷卻、解體、測點安裝、低壓缸回裝、油循環為主線工期，其他改造圍繞主線工期同步進行。

停機后低壓缸冷卻，為縮短冷卻時間在調節級低于300℃時投入快冷裝置。

具備揭缸條件時，拆除低壓缸進行末級葉片溫度測點安裝，低壓汽封更換。

冷卻蒸汽旁路先預制，安裝時，將低壓缸導管進汽法蘭加墊片，防止焊接時碎渣進入低壓缸。

2.4技術難點

2.4.1葉片動應力是否滿足汽輪機安全需要是改造可行的先決條件

汽輪機級內容積流量的減小，低壓缸末兩級葉片產生進汽負攻角，蒸汽在葉片壓力面上形成流動分離，在葉根處脫流，葉片動應力增加、鼓風、水蝕加劇等現象。這些變化不僅直接影響機組的運行效率，還可能誘發葉片顫振，威脅機組安全運行。

某葉片動應力與容積流量的關系曲線：

某汽輪機末級葉片小容積流量工況流線示意圖：

容積流量減小時，低壓缸末級葉片內流動狀態變化示意圖：

2.4.2低壓缸末級葉片動應力核算過程

在一定區域內，鼓風和動應力確實隨著低于最小冷卻流量減少而增加，但是經過一定區域后動應力會逐漸降低，到一定流量后又回到葉片的安全區域。

為保證低壓缸零出力工況下，低壓缸長葉片的運行安全性，需采用數值分析方法對小容積流量條件下，末兩級葉片安全性進行校核。

數值分析首先建立低壓缸通流區域5級聯合計算的CFD計算模型。之后，計算獲得小容積流量條件下通流部分穩定流場分析，隨后將流動計算獲得結果作為邊界條件疊加至低壓缸長葉片動力力分析模型，從而獲得不同容積流量條件下，低壓缸長葉片的動應力變化特性。

低壓缸 5 級葉片計算模型：

三維整圈 5 級葉片顯示：

某機組低壓缸長葉片安全性校核結果：

1)隨著低壓缸進汽流量的減小，在低壓缸末兩級會逐漸出現鼓風現象，導致低壓缸末兩級級后溫度升高，因此在切缸過程中應密切關注監視、高溫區的溫度，必要時增加后缸噴水流量。以此避免由于高溫引起的汽缸變形，進而引發轉靜部件中心線不一致而產生的振動問題。

2)在小容積流量工況下末級葉片的最大動應力小于設計工況下的最大動應力，因此，在小容積流量工況下末級葉片的動強度滿足制造廠設計規范要求。

低壓缸單邊進汽流量9.3t/h：

低壓缸單邊進汽流量29.8t/h：

低壓缸單邊進汽流量238.6t/h：

2.4.3切缸過程

以國家電投東方電廠350MW亞臨界機組為例。

中低壓導管蝶閥全關，供熱速關閥全開，首站兩臺加熱器進氣門全開，主蒸汽流量保持在480 t/h左右運行，電負荷80MW,供熱流量為320t/h左右，首站加熱器出口水溫100℃左右。中壓缸排氣壓力0.45Mpa。

切缸運行后，低壓缸差賬上漲2mm左右，串軸正方向串動0.1mm.3瓦軸振略有下降，其他參數無明顯變化。

2.5其它改造

2.5.1輔助系統適配性分析

根據低壓缸零出力改造后運行需求，進行汽輪機輔機和供熱系統適配性分析，根據適配性分析結果制定優化、改造方案。

2.5.1.1汽輪機輔機適配性分析

凝汽器(包括空冷島和機力塔)及抽空氣系統;

循環水泵及循環水系統;

凝結水泵及凝結水系統;

2.5.1.2供熱系統適配性分析

供熱抽汽管道

熱網首站(包括熱網加熱器、熱網疏水泵、熱網循環水泵)

熱網循環水管道

2.5.2熱控部分改造

實施供熱節能改造后，控制系統配套主要改造內容如下：

1)梳理原控制系統中與供熱抽汽相關的控制邏輯，取消或修改與低壓缸零出力供熱有沖突的相關控制邏輯。

2)梳理原控制系統中與低壓缸運行相關的保護定值設置，確認各控制邏輯與低壓缸零出力運行要求一致。

3)增加低壓缸零出力供熱投入/切除控制邏輯。

4)改造方案新增加監視測點等接入DCS控制系統。

三、實施案例

3.1 案例一國電吉林龍華延吉

國電吉林龍華延吉熱電廠鍋爐是由哈爾濱鍋爐廠有限責任公司設計制造的670t/h超高汽包鍋爐。國電吉林龍華延吉熱電廠1、2號汽輪機是哈爾濱汽輪機廠有限責任公司生產的C160/N200-12.75/535/535/0.245型汽輪機。末級葉片高度855mm。

2017年供熱期前進行了低壓缸零出力改造。改造前設計額定采暖抽汽流量230t/h，最大采暖抽汽流量350t/h;改造后額定抽汽量達到457t/h，最大抽汽量達到489.5t/h。

單臺機組改造總投資(含熱網系統改造)約2000萬元，稅后靜態投資回收期約2.5年。

國電延吉電廠#2機切缸現場施工圖：

3.2案例二國家電投遼寧東方

遼寧東方電廠鍋爐是由哈爾濱鍋爐廠有限責任公司設計制造的1165t/h亞臨界汽包鍋爐。汽輪機是哈爾濱汽輪機廠有限責任公司生產的N350-16.7/538/538型亞臨界凝汽式汽輪機。全四維通流改造后末級葉片高度1018mm。

2017年供熱期前進行了低壓缸零出力改造。改造前機組最大抽汽量為462t/h;改造后機組最大抽汽流量為648t/h，改造后機組供熱抽汽流量增加約186t/h 。

東方1號機組低壓缸零出力改造項目(一期工程)靜態總投資998萬元，投資回收期在2年左右。

遼寧東方電廠#1機切缸現場施工圖：

四、投資估算

4.1改造項目投資

改造投資約1000萬元，汽輪機輔機及供熱系統根據適配性分析結果確定改造方案后確定投資額。

4.2改造項目收益

增加供熱收益

降低發電煤耗收益

調峰政策獎勵收益

以國家電投遼寧東方1號機組為例：

根據《東北電力輔助服務市場運營規則(試行)》(東北監能市場[2016]252號)對調峰輔助服務對深度調峰按階梯式報價，按照調峰電量進行相應補償。

由上表可知在供熱負荷≤388MW時，在電網火電機組深度調峰時1號機組切缸運行可獲得較高調峰補償收益。

春節前后1號機組零出力運行共計370小時，參與深度調峰獲得補償1230萬元，其中第一檔獲得補償497萬元，第二檔獲得補償733萬元。

以240MW供熱負荷對比切缸前后機組經濟性如下表：

注：Qmin、Qnom和Qqg分別表示一定供熱負荷下鍋爐最小出力工況、鍋爐額定出力工況以及切缸工況

切缸后Qmin和Qnom工況熱耗率分別下降約1871.0kJ/(kW˙h)和2276.5kJ/(kW˙h)，折合發電煤耗分別下降約69.7g/(kW˙h)和84.8g/(kW˙h)。切缸后發電煤耗平均降低60g/kWh。

2018年2月份機組發電煤耗同比降低16.11g/kWh。

4.3 改造項目工期

可研：1個月;

訂貨：3個月;

施工、調試：1個月。

五、邊界條件要求和存在問題

5.1安全性校核需要汽輪機制造廠提供的資料

低壓缸整缸葉型幾何型線;

排汽缸擴壓段幾何型線;

低壓缸各級熱力設計數據;

凝汽器擴壓段出口設計背壓;

低壓缸各級葉片裝配圖及工藝要求;

低壓末兩級葉片幾何造型數據;

低壓轉子結構造型數據;

低壓末兩級葉片材料牌號及其物理性能參數、力學性能參數。

在缺少安全性校核資料數據時，應進行汽輪機動葉片動應力試驗。

試驗采用無線電遙測技術，在葉片上粘貼電阻絲應變片作為傳感元件，通過引線與微型發射機相連接。葉片在旋轉狀態下受到激振時產生振動變形引起應變片阻值的變化，其信號經發射機調制發射，由接收天線環接收，并經高頻電纜送至接收機后，由記錄儀對試驗數據進行記錄并分析。

試驗前在西安熱工研究院有限公司實驗室采用標準音叉對測試系統進行了校驗和標定，減少系統測量誤差。

不均勻的流場中, 葉片如有微弱的初始振動時,就會不斷地從汽流中吸取能量, 當能量足夠大時, 便導致葉片振動增大, 即顫振發作。每臺機組的風險點是不同的，切不可只知其一，不知其二，盲目套用!

5.2國家電投遼寧東方電廠

5.2.1目前東方發電公司1號鍋爐最低穩燃負荷在40%MS左右，對應的改造后對外供熱量為207.58MW，當外界供熱需求在208MW以上時，在電網需要深度調峰時可對1號機組實施低壓缸切除運行方式。

5.2.2切缸運行存在一定的滯后性，大約滯后0.5小時，需與電網電網調度做好提前溝通。

5.2.3機組帶大負荷能力應能滿足，否則電網有相應的考核。

六、結論

1 低壓缸零出力改造技術是具有知識產權的專利技術;

2 低壓缸零出力改造技術已經獲得若干成功應用;

3 低壓缸零出力改造費用低，有效提高供熱能力、靈活性，大幅降低發電煤耗。