50MW背压式汽轮机超低负荷运行

摘要：面对汽轮机背压设计参数与实际运行需求不一致的矛盾，华能仙人岛热电公司在生产过程中持续开展背压式汽轮机降背压运行实践与理论研究，明确了汽轮机降背压运行方式下所具有的优势以及面对的风险，并有针对性的制定了量化的运行控制措施，实现了50MW背压式汽轮机超低负荷运行，提高了汽轮机运行经济性与灵活性。

关键词：背压式汽轮机；降背压；超低负荷；运行实践

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

华能仙人岛热电公司地处辽宁省营口市，非供暖季为每年4月至10月，共7个月。仙人岛热电公司配备2台东方汽轮机股份有限公司制造的CB50-10.5/3.8/1.3型汽轮机组，额定主蒸汽流量470t/h，设计最小投入供热线主蒸汽流量260t/h，额定背压1.3MPa.a，额定排汽温度288℃，纯背工况额定外供汽量345t/h。在非供暖季工业蒸汽负荷仅约65~80t/h的供汽负荷条件下，汽轮机末级叶片出现明显的鼓风效应，排汽温度超限，无法满足汽轮机安全运行条件，汽轮机被迫停运。

非供暖季汽轮机无法运行，造成仙人岛在2017年投产后即出现亏损，企业经营形势困难。面对这种局面，降低汽轮机最小连续运行所需热负荷，实现汽轮机全年运行，成为企业扭亏的关键因素。为此，仙人岛热电开展了背压式汽轮机超低负荷运行方案探索，最终于2021年4月成功实现50MW背压式汽轮机超低负荷（1MW）连续安全稳定运行。

2.主要做法

1.1.开展50MW背压式汽轮机降背压运行理论分析与实践，量化汽轮机低背压下叶片过负荷风险，制定《汽轮机降背压运行主汽流量限制范围》曲线，为运行人员提供可量化的低背压运行工况调节依据[1]。

汽轮机背压下降后，排汽口处蒸汽容积流量上升，对鼓风效应产生明显的抑制作用，降低汽轮机背压，是降低背压式汽轮机最小连续运行负荷的重要手段之一。但是，汽轮机背压下降后，叶片前后压差上升，存在叶片过负荷隐患以及其它安全隐患。所以，仙人岛热电公司在汽轮机降背压运行实施前，开展了完备、详尽的安全性分析，为运行人员提供了可量化的低背压运行工况调节依据。

根据叶片轮周功率计算公式：

Pu=Gu（c2cosα2+ c1cosα1）

u=πdmn/60

Pu——汽轮机叶片轮周功率 （kW）

G——单位时间内通过动叶的蒸汽质量 （kg/s ）

dm——动叶进出口平均直径 （m）

u——动叶进出口平均直径dm处的圆周速度 （m/s）

c2——动叶出口汽流绝对速度 （m/s）

c1——喷嘴出口汽流绝对速度 （m/s）

n——动叶转速 （r/min）

α1——喷嘴出口汽流与叶轮旋转平面的夹角 （°）

α2——动叶出口汽流与叶轮旋转平面的夹角 （°）

汽轮机转速n为3000 r/min，为固定值，对于结构和尺寸已经确定的叶片，dm、u为固定值。叶片轮周功率Pu的大小仅与G、c2cosα2+ c1cosα1等变量相关。为方便分析c1、c2、α1、α2对轮周功率的影响，引入动叶进出口速度三角形：

图1：动叶进出口速度三角形

汽轮机降背压运行时，动叶后压力下降，流速上升，即c2上升，c2cosα2+ c1cosα1上升。可见，汽轮机背压下降，会造成轮周功率Pu上升，若任由背压持续降低而不采取其它措施，最终会造成汽轮机叶片过负荷。根据轮周功率计算公式，要实现汽轮机在低背压下稳定运行，需同步减小汽轮机的进汽量G，才能保证轮周功率始终在设计允许的范围内，动叶不会发生过负荷风险。

此外，受汽轮机背压降低的影响，机组的排汽比容将相应增大，为避免高排汽流速引起排汽阻塞影响机组运行安全，也需采取减小蒸汽流量的方案来将排汽流速降低至设计允许的上限值以下。

以汽轮机背压下降至0.3MPa.a为例，经热力计算，汽轮机排汽比容为0.8281m3/kg，按照汽轮机原设计允许的排汽流速上限60m/s计算，排汽口量约为101.5t/h，反算进汽流量为108t/h，此时的进汽流量约为原设计流量的20%。

背压继续降低情况下，如果此时汽轮机按照顺序阀模式进行调节，4个用于调节进汽流量的调节阀仅有2个阀开启，并且开度很小，以节流方式控制进入通流的蒸汽流量，其余2个阀门处于长期关闭的状态，不仅汽缸受热不均匀，容易沿轴向弯曲变形造成动静偏磨，引起机组振动增大，而且调节级长期受到单组喷嘴部分进汽度的激振影响，使用寿命大大降低。如果采用单阀调节模式运行，能够保证汽缸均匀受热膨胀，但由于阀门开度很小，在阀碟和阀座的缝隙处会出现严重节流，受节流效应影响，阀座处产生高温通过阀壳传热直接加热汽缸，使汽缸的热膨胀量超过设计值。而此时调节级后温度相对较低，造成转子热膨胀量低于设计值。如此将导致汽轮机出现严重的负胀差，同样会影响汽轮机正常运行。

考虑到汽轮机降背压运行方式下的安全性风险，并在确保满足工业蒸汽用户实际需求的前提下，在实际生产中，控制汽轮机排汽压力最低的下降程度为0.3MPa.a，同时在机组运行过程中密切监视胀差和轴振动值，避免出现计划外的停机，或损坏设备事故的发生。经过热力计算，确定了不同背压下，汽轮机主蒸汽流量的上限值。

同时，按照汽轮机运行时避开鼓风效应区间所需最小蒸汽容积流量为14000m3/h，在汽轮机低背压运行研究中同时确定了不同背压下汽轮机主汽流量的下限值。根据以上计算结果，编制了《汽轮机降背压运行主汽流量限制范围曲线》。

图2：降背压运行主汽流量限制范围曲线

图2反应了汽轮机在降背压情况下，主汽量—功率—背压的对应关系。汽轮机运行时，背压和主汽量参数必须严格控制在图示区域内，才能保证机组安全。在每一个背压下，主汽量均有上限及下限，如在背压在0.3MPa.a时，主汽量只能在45t/h~108t/h范围内，对应功率约为3.5MW~14MW，如流量过大，则排汽流速超标，末级叶片过负荷。如流量过小，则末级叶片存在鼓风的情况，排汽温度持续升高，均无法保证汽轮机安全稳定运行。为保证安全运行，汽轮机降背压运行期间相关各项参数严格按照《汽轮机降背压运行主汽流量限制范围曲线》控制。

1.2.针对汽轮机低负荷运行要求和特点，结合厂内设备及厂外蒸汽管网设计参数，进行热力系统优化改造。

为将汽轮机最小运行负荷控制在最低，仙人岛热电公司按照汽轮机降背压运行思路，对厂内热力系统进行优化调整，具体包括：

1.1.1.汽轮机排汽减温器改造

在汽轮机排汽管道上设置减温装置，控制汽轮机超低负荷运行工况下外供蒸汽温度在300℃以内，保证蒸汽温度不超过厂外供汽管道设计温度，保障供汽管道安全运行。

1.1.2.#2高加进汽管路改造

仙人岛热电公司汽轮机低负荷降背压运行后排汽温度升高，因#2高加蒸汽引自汽轮机排汽，汽轮机降背压运行后会导致#2高加入口蒸汽超温，故将#2高加供汽汽源由汽轮机排汽口调整到新增排汽减温器后，保证汽轮机超低负荷运行工况高加供汽温度在设计范围内。

1.1.3.辅助蒸汽系统优化改造

仙人岛热电公司低负荷运行工况下，汽轮机排汽温度升高，无法为辅助蒸汽系统提供蒸汽，否则会造成除氧器及小汽轮机入口蒸汽超温。此工况下，低压供汽管道是中压辅汽母管唯一供汽汽源。因低压供汽管道至中辅母管供汽管道最细处管径仅为DN150，无法满足机组超低负荷运行中除氧器及小汽轮机正常运行所需蒸汽量，造成中辅压力低，小汽轮机运行可靠性下降。故而开展了适应汽轮机超低负荷运行工况的辅助蒸汽系统优化改造，将低压供汽管道至中压辅汽母管DN150管段管道扩径为DN200。改造完成后，辅助蒸汽系统能够完全适应汽轮机超低负荷运行要求。

1.3.制定汽轮机低负荷运行工况控制策略，持续开展汽轮机低负荷运行试验，探索汽轮机超低负荷运行的极限工况。

仙人岛热电汽轮机降背压运行实践和厂内系统优化完成后，利用2021年供暖季结束,厂外蒸汽负荷下降至80t/h的实际工况，首次进行了一号机超低负荷运行实践验证。试验过程中，控制汽轮机主蒸汽温度≤450℃，汽轮机排汽口温度≤350℃，汽轮机排汽减温器后温度≤300℃，汽轮机背压≥0.90MPa.g，并满足工业蒸汽用户要求及《汽轮机背压滑压运行主蒸汽流量限制值》曲线要求。在汽轮机主蒸汽进汽量180t/h开始，逐步降低汽轮机主蒸汽进汽量，观察汽轮机排汽温度上升幅度，探索汽轮机最小运行负荷。试验取得了预期效果，仙人岛热电实现非供暖季汽轮机超低负荷运行的突破。图三为仙人岛热电一号汽轮机2021年4月3日3.4MW发电功率下的运行工况截图，发电功率为额定功率的6.8%。

图3：仙人岛热电一号机3.4MW运行画面

基于首次超低负荷运行试验成功的经验及非供暖季热负荷持续下降的实际情况，仙人岛热电公司在2021年非供暖季中持续优化调整汽轮机超低负荷运行控制思路，探索汽轮机超低负荷运行的极限工况，在保证汽轮机持续安全稳定运行的前提下，形成可行的汽轮机超低负荷运行控制方案。

1.1.4.主蒸汽温度调整原则

背压式汽轮机超低负荷运行需要解决的主要问题是因鼓风原因造成的排汽温度超限，降低主蒸汽温度是保证汽轮机超低负荷运行的重要手段之一。但主汽温度持续下将也会造成汽轮机缸体温度不均，影响运行可靠性。仙人岛热电公司通过超低负荷运行试验，最终将主蒸汽温度控制范围确定在420~450℃之间，并根据汽轮机排汽温度情况随时调整。调整原则为：控制汽轮机排汽温度≤360℃的前提下，适当提高汽轮机进汽温度，以利于提高汽轮机效率。

1.1.5.主蒸汽压力调整原则

根据朗肯循环原理，主蒸汽压力提高，排汽温度随之下降，即高主蒸汽压力对降低超低负荷运行汽轮机排汽温度有利，但是，高主蒸汽压力也会造成节流损失显著上升。综合以上原因，并通过低负荷调整试验比对，仙人岛热电公司将汽轮机超低负荷运行期间主蒸汽压力控制在4~5.5 MPa之间。

1.1.6.汽轮机背压调整原则

汽轮机背压下降后，排汽口处蒸汽容积流量上升，对鼓风效应产生明显的抑制作用，降低汽轮机背压，是控制汽轮机排汽温度的重要手段之一。同时，降低机组运行背压，能够有效提高汽轮机循环热效率，增加汽轮机超低负荷运行期间的发电量。根据汽轮机发电功率与背压对照曲线，汽轮机背压每下降0.1MPa，发电功率上升0.5%。

实际运行中，需保证工业蒸汽用户对蒸汽参数的要求，仙人岛热电公司在非供暖季超低负荷运行期间，将汽轮机背压由额定背压下调至0.89~0.99MPa（g）之间，并在能够满足蒸汽用户供汽压力要求的前提下尽量保持下限运行，以利于汽轮机排汽温度的降低及发电效率的提升。

1.1.7.汽轮机排汽温度调整原则

背压式汽轮机超低负荷运行，排汽温度不超限是最重要的控制目标，主蒸汽压力、温度、背压等参数的调整，均以降低排汽温度为前提，再兼顾汽轮发电机组效率。综合考虑汽轮机动静部分金属材质及超低负荷运行实际工况，仙人岛热电公司确定汽轮机排汽温度控制极限为360℃。

通过综合调整汽轮机主蒸汽温度、主蒸汽压力、背压等参数后，汽轮机排汽温度达到360℃时的稳定运行工况确定为50MW背压式汽轮机超低负荷运行的极限工况。

1.1.8.汽轮机排汽减温器后蒸汽温度调整原则

仙人岛热电公司外供蒸汽管道设计温度为300℃，为保证汽轮机超低负荷运行期间蒸汽温度不超限，需通过汽轮机排汽减温器减温水量的调整，控制减温器后蒸汽温度在300℃以内，并注意排汽管道上下温差，防止排汽管道内出现因减温水雾化不良产生积水、管道振动等异常现象。

1.1.9.超低负荷运行汽轮机顺序阀控制

仙人岛热电公司汽轮机超低负荷运行实践证明，高压调节门控制方式由单阀控制切换至顺序阀控制后，能够显著降低蒸汽节流损失，提高发电效率。顺序阀控制方式，热负荷及主蒸汽参数、背压同等条件下，汽耗率下降约2kg/KWh，汽轮机调节级后温度及排汽温度均下降5~7℃，汽缸左右侧、上下侧温差，汽轮机各轴承振动均未出现上升。顺序阀控制方式，对于超低负荷运行汽轮机降低排汽温度、提高发电效率均有积极影响。

3.汽轮机超低负荷运行的极限工况

根据前文所述，综合调整汽轮机主蒸汽温度、主蒸汽压力、背压等参数后，汽轮机排汽温度达到360℃时的稳定运行工况确定为50MW背压式汽轮机超低负荷运行的极限工况。表1所列数据为仙人岛热电公司超低负荷运行各节点工况主要参数（背压0.93Mpa.g）。

表1：仙人岛热电公司汽轮机超低负荷工况表

2021年非供暖季，仙人岛热电公司持续进行汽轮机超低负荷运行的极限工况探索试验。成功实现超低负荷长周期连续运行。一号机超低负荷运行期间，汽轮机最低进汽量75t/h，最小外供蒸汽量64t/h，最小发电功率1MW，为额定功率的2%。

图4：仙人岛热电公司一号机1MW运行画面

仙人岛热电公司一号汽轮机自2021年4月1日首次实现超低负荷运行，至营口地区供暖季开始，连续安全稳定运行215天。超低负荷运行适应了非供暖季供汽负荷要求，实现了汽轮机全年运行的既定目标。

50MW背压式汽轮机超低负荷运行，提高了背压式汽轮机运行灵活性和企业的盈利能力。得益于汽轮机超低负荷运行，2021年4月，仙人岛热电发电量同比增加308.72万KWh，上网电量同比增加82万KWh，外购电量同比降低206.68万KWh，工业蒸汽量同比增加24787t，仙人岛热电月度同比减亏495万元。

4.结束语

仙人岛热电公司通过开展背压式汽轮机降背压运行理论分析与实践，评估汽轮机叶片过负荷风险，制定汽轮机降背压运行主汽流量限制范围曲线，实现背压式汽轮机降背压运行的量化调整，应用于运行实践。同时按照汽轮机降背压运行的特点和热力系统布置，针对性的进行热力系统优化，并采取降低主蒸汽温度等措施，最终实现50MW纯背压式汽轮机超低负荷背压供汽工况持续安全稳定运行，也为探索背压式汽轮机宽负荷灵活性调整提供了新的思路。

参考文献：

[1]费卓, 范圣波，朱文凯. 50MW背压式汽轮机降背压运行实践研究：东北电力技术，2020（03）