黄坤
（东方汽轮机有限公司 四川德阳 618000）
国家发展改革委、国家能源局印发的《电力发展“十三五”规划》 要求到2020 年全国火电装机比重控制在55%以内，未来我国煤电机组将会更多地受到来自可再生能源的挑战，煤电行业势必会将节能降耗、超低排放、灵活性及高效宽负荷运行作为今后的重点研究和发展方向［1-2］。我国纯凝机组的实际调峰能力一般约为50%的额定出力，热电联产机组在供热期“以热定电”的最小出力则在60%～70%左右，和国外的先进水平还是存在比较大的差距。例如丹麦火电机组基本上是抽凝机型，其在供热期的最小出力可以达到15%～20%额定出力；
德国纯凝机组的最小技术出力能达到25%左右［3］。为消纳更多的可再生能源，国内火电机组更加灵活性地参与电力市场的需求显得越来越迫切。
低压缸零出力又称“低压缸切缸”，是通过近似隔断低压缸的进汽使低压缸接近“零功率”运行的技术。由于低压缸进汽量很少，大部分蒸汽通过中排对外供热，可以实现整个机组的深度调峰。我国自2017 年临河电厂300 MW 机组首次实施低压缸零出力改造后，后续在辽宁东方、黄台、新乡等数台300 MW机组上成功应用［4］。本文对某电厂630 MW 双低压缸汽轮机低压缸零出力改造项目的改造背景、改造方案及试验效果进行了相关介绍、分析和总结，可供后续同类机型开发作为借鉴与参考。
300 MW 机组低压缸零出力改造项目目前在国内不少电厂都已经得到实施，文献［4-5］等也对改造的技术路线、改造方案等进行了相关说明。300 MW 机组一般只有一个低压缸，简单来说，采用一个可完全密封的液压蝶阀切除低压缸全部进汽，同时设置单独的冷却蒸汽旁路通入少量的冷却蒸汽以带走低压缸零出力运行产生的鼓风热量，增设部分监视及保护测点以及控制逻辑改造等，就可以实现低压缸投入/退出低压缸零出力运行。图1 为其热力系统布置示意图。
图1 300 MW 汽轮机低压缸零出力热力系统布置示意图
与300 MW 机组相比，630 MW 及以上等级机组一般配置有2 个低压缸，其低压缸切除工况运行方式更加灵活、控制要求更高，相应的系统配置及改造方案也将更加复杂。某电厂汽轮机型号为N630-24.2/566/566，为超临界、单轴、三缸四排汽凝汽式汽轮机。为满足工业用汽需求，投运之后进行了汽轮机本体中低压连通管改造，每台机组预留400 t/h 供汽能力。后来为满足供热市场进一步需求。最大程度发挥机组供热能力，经对比多种供热改造方案，最终采用提升供热机组灵活性的低压缸零出力技术对汽轮机实施低压缸零出力供热扩容改造。
2.1 总体方案
该630 MW 机组采用三缸四排汽布置，包含2 个低压缸（低压缸A 和低压缸B），并且2 个低压缸五段及六段回热抽汽是连通的。本次改造将2 个低压缸的回热抽汽进行隔离，分别在中压排汽口及B 低压缸进汽口布置可完全密封的液压蝶阀，通过冷却蒸汽旁路通入少量的冷却蒸汽以带走低压缸零出力运行产生的鼓风热量，即可实现B 低压缸单独以及2 个低压缸同时投入或退出低压缸零出力运行，具体改造后的抽汽部分热力系统示意图见图2。需要说明的是，如果在2 个低压缸进口分别设置可完全密封的蝶阀，则可实现任意1 个以及2 个低压缸都投入或退出低压缸零出力运行。
图2 改造系统示意图
改造后低压缸零出力运行的运行模式简要描述如下。
（1）2 个低压缸同时零出力运行：关闭中压排汽口的供热蝶阀，开启低压缸A 和低压缸B 的冷却蒸汽旁路，开启中排供热抽汽阀门，在各项监视参数正常的前提下，即可实现双低压缸零出力运行。
（2）仅低压缸B 零出力运行：关闭低压缸B 上的供热蝶阀，开启低压缸B 的冷却蒸汽旁路，关闭低压缸B 五、六段回热抽汽支管上的电动隔离阀；
调整低压缸A 上的供热蝶阀的开度（在最小开度以上），保持低压缸A 的冷却蒸汽旁路关闭，在各项监视参数正常的前提下，即可实现仅切除低压缸B 零出力运行。
改造后，机组THA 进汽量下中排采暖抽汽量设计值将达到900 t/h 以上，供热能力得到大幅提高。
2.2 改造方案要点
在零出力工况，低压缸主要作用为传递高中压缸的扭矩，实现低压缸近“零”出力3 000 转运行，低压末几级将出现鼓风升温，造成通流设备的热应力变形及许用应力降低；
而蒸汽高速回流与冷却喷水会造成叶根部位的水蚀，也会引起末几级小容积流量下叶片的颤振问题等等，这些将会严重影响机组运行安全及缩短机组使用寿命。本次改造针对上述问题，分别制定了如下技术措施以保证机组切缸工况下的安全运行。
（1）叶片安全性校核：对切缸运行工况低压末几级叶片强度以及振动特性进行计算和分析。
（2）增设冷却减温蒸汽旁路：分别对2 个低压缸增设独立的冷却蒸汽旁路管路，管路上设置喷水减温器、汽水分离器、调节阀、流量计等。旁路上设置冷却蒸汽减温的目的在于尽量降低零出力工况时低压缸的进汽温度，以此来改善低压末几级的鼓风发热进而减少低压缸末级喷水，以免加重叶片水蚀。
（3）低压缸监视测点优化：在机组低压缸零出力运行工况，因通流内部的温度场、流场絮乱，为确保机组运行安全，需对各相应的温度测点、压力测点进行优化校准。
（4）末级喷水系统优化：优化改造低压缸排汽喷水减温冷却系统，如重新计算喷水流量、调整喷头布置及数量、选用喷水雾化效果更好的喷头等。同时，A 低压缸喷水支路上增设截止阀，在单切B 缸时通过关闭该阀门来切断A 低压缸不必要的喷水。需要注意的是，低压缸零出力运行时，为控制低压末级叶片温度，末级喷水可能需要长期投入，在小流量情况下流道中下部会形成回流漩涡，从而加重末级叶片的水蚀，不利于叶片安全运行。通过在动叶回流区喷涂耐磨涂层，可以大幅提高末叶的抗水蚀能力。
（5）控制及保护逻辑升级：控制系统及安保系统改造，包括单个低压缸及两个低压缸投入及退出零出力的逻辑控制，以及零出力工况的各项保护限值等。
改造完成后，机组截至目前分别进行了切双缸、单切B 缸试验，切缸后各项参数正常，总体效果良好。
3.1 切双缸试验
切双缸时，中排蝶阀1 全关，B 低压缸蝶阀全开，2 个低压缸冷却蒸汽旁路全开（未投减温水），低压缸末级喷水全开。本文选取了切缸前、后若干个时刻机组的相关参数，详见表1。
表1 切双缸前、后中低压缸参数汇总表
本次切双缸在切缸前、后，机组负荷下降值约20 MW 左右，切缸前后机组的振动、瓦温、胀差等运行参数未出现较大波动，机组运行平稳，切缸试验圆满完成。试验总结如下：
（1）切缸后未投入排汽喷水减温（后喷水）时，末级叶片温度上升较多，试验中实际温度为在50 ℃～60 ℃左右。
（2）投入低压缸后喷水后，末级叶片温度基本能控制在20 ℃～30 ℃，但后喷水对次末级叶片温度的作用不大。从试验过程来看，次末级温度呈缓慢上升趋势，最高在105 ℃左右。
3.2 单切B 缸试验
单切B 缸时，B 低压缸蝶阀全关，B 低压缸冷却蒸汽旁路全开（未投减温水），切缸前、后相关参数汇总见表2。
表2 单切B 缸前、后中低压缸参数汇总表
本次单切B 缸在切缸前、后，机组负荷下降值约20 MW左右，切缸前后机组的振动、瓦温、胀差等运行参数未出现较大波动，机组运行平稳，切缸试验圆满完成。试验总结如下：
（1）切缸投入低压缸后喷水后，末级叶片温度基本能控制在20 ℃～30 ℃，但后喷水对次末级叶片温度的作用不大。从试验过程来看，次末级温度呈缓慢上升趋势，最高在105 ℃左右。
（2）切缸投入低压缸后喷水后，也尝试投入冷却旁路喷水减温（前喷水），B 缸进口温度相比中排降低60 ℃～80 ℃，从试验结果来看效果有限，次末级温度最高达到100 ℃左右。
本文对630 MW 等级双低压缸汽轮机低压缸零出力改造的改造方案、设计特点及试验效果进行了介绍。总的来说，低压缸切缸能够实现一定程度上的热电解耦，通过低压缸后喷水也能够控制末级叶片温度。由于切缸工况相比常规运行条件复杂恶劣得多，对于汽轮机低压缸零出力运行，建议在零出力改造时注重如叶片安全校核、总体保护策略及控制逻辑，采用叶片抗水蚀保护、叶片安全监测系统等主动保护措施，改造后按各项保护要求运行，密切关注切缸工况各项运行参数、定期进行设备检查及维护，不断总结经验、保障机组可靠运行。
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