三缸三排汽200MW汽轮机低压转子光轴改造后低压缸的冷却措施探讨
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【摘 要】节能降耗一直是国家对电力系统发电企业的要求，特别是装机容量小的火电机组，如不进行必要改造，随时可能有被边缘化，被去产能的风险，汽轮机低压缸光轴改造技术正是在这样的背景下应运而生，在对缓解机组供热和机组带负荷方面起到一定的积极意义，本文主要就华电能源富拉尔基发电厂的低压缸光轴改造技术中低压缸冷却的问题进行了分析。
【关键词】光轴改造 低压缸冷却 低压转子
在高寒地区，蓄热系统发挥着不容忽视的作用，与蓄热系统配套使用的是低压缸光轴改造技术和钻孔抽汽技术，本文将对低压缸光轴改造技术进行分析论证，并对汽轮机低压缸光轴改造后，低压缸的冷却问题进行了深度探析。
1 机组简介
华电能源富拉尔基发电厂汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产的N200-130/535/535型超高压一次中间再热、三缸三排汽、凝汽式汽轮机，机组有三个低压缸。总装机容量 1200mw，分为二期建设，一期 3 台 200MW 机组，二期扩建3 台 200MW 机组，共 6 台 200MW 凝汽式机组。汽轮机均为哈尔滨汽轮机厂有限责任公司八十年代产品，汽轮机为冲动式三缸三排汽凝汽式汽轮机。分别于 1982、1983、1984、1987、1988、1989 年投产发电。其中二期 3 台汽轮机分别在 1996、1997、1998 年采用全三维技术进行了通流部分扩容改造，额定功率达到 210MW。
华电能源富拉尔基发电厂汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产的N200-130/535/535型超高压一次中间再热、三缸三排汽、凝汽式汽轮机，机组有三个低压缸。如果在联通管打孔抽汽供热改造，抽汽量小，稳定性差，机组要想多供汽，最好进行低压光轴供热改造，将#2、#3号低压缸解列，用新设计低压光轴转子代替原低压转子，但因其有三个低压缸， #1低压缸与中压缸是一体结构，#2、#3号低压缸对称分布，低压光轴供热改造难度大。国内其它电厂已进行过低压缸光轴供热改造，并成功运行。
改造后，低压缸采用双转子互换形式，非供热期仍采用原机组低压转子，低压缸以纯凝形式运行；供热期低压转子采用低压光轴，只起连接作用，低压部分并不作功发电，中低压联通管排汽用于供热，充分利用汽轮机排汽供热，减少冷源损失，增大供热量，以满足冬季采暖供热，扩大热网供热能力，降低机组运行热耗，能有效的满足富发电厂规划的250万平方米的供热负荷，并为富发电厂新机供热提供备用热源，保障供热安全。
光轴供热改造已有比较成功的案例。例如烟台发电有限公司4号机组为北京重型电机厂生产的110MW抽凝式汽轮发电机组。机组形式为高压、冲动、双缸双排汽、抽汽凝汽式，型号NC110-8.83/0.2/535。为满足城市供热需求，提高运行经济性，烟台发电有限公司于2014年3月将4号汽轮机组改造为背压供热机组，采用低压缸光轴方案，机组改为背压机后，全部排汽进入热网供热，利用了全部冷端损失，供热量增大122 t/h左右。改造后运行平稳，各项指标达到设计要求，得到用户好评。河南濮阳第二发电厂改造200MW机组，采用低压缸光轴方案，机组改为背压机后，全部排汽进入热网供热，利用了全部冷端损失，成功运行。
3 光轴改造后产生低压缸温度升高的原因及对机组安全运行的影响
3.1 光轴改造后，对低压缸排气温度的分析主要可以分三个阶段
（1）机组启动阶段，汽轮机在光轴模式下运行，由于汽轮机启动初期，鼓风摩擦损失大，蒸汽流量小，特别是2、3号低压缸，鼓风摩擦损失所产生的热量，由于2、3号低压缸不再进汽，较未进行光轴改造前所产生的热量更大。未进行光轴改造时有低压缸叶片的存在，且启动时低压缸有进气量多少会带走一部分热量，但是光轴改造后，这部分光轴基本上是暴露在具有大热量的空气中，加上光轴摩擦旋转产生的热量，对汽轮机的胀差来说影响最大。
（2）机组停止阶段，汽轮机在光轴模式下运行时，越是到停机后期，由于2、3号低压缸已不再进汽，此时随着机组负荷、转速的降低，汽轮机低压缸的光轴处又因为鼓L摩擦热损失的存在，温度逐渐上升，由于没有了叶片，汽轮机低压缸胀差受温度的影响进一步加大。
（3）正常运行阶段，原来有叶片的低压缸变成了一根光轴，光轴的存在使得泊桑效应的影响进一步扩大，转子的突变将可能导致轴向位移、振动、偏心等参数发生变化，危及汽轮机的安全运行。
3.2 光轴改造对汽轮机机组安全影响的分析
结合上述三个阶段的描述，汽轮机光轴改造后对汽轮机的影响主要分两个方面：1）因鼓风摩擦引起的机组胀差的变化；2）因光轴改造后产生的泊桑效应的扩大反应。本文将从这两个方面研究光轴改造后汽轮机的安全运行。
4 鼓风摩擦损失对汽轮机胀差的影响
所谓鼓风是指部分蒸汽通过末端部位的某一级时，流速低于转子旋转的速度，与转子之间产生摩擦，这种现象称之鼓风，其摩擦损失就是鼓风损失，由于末端几级的蒸汽经过多级膨胀，在真空降低或进口蒸汽量减少时，末端某级进出口压差减小，蒸汽通过喷嘴后膨胀能力降低或者不膨胀，导致部分蒸汽从喷嘴中喷出的速度小于该点汽机转子的线速度，与转子产生摩擦。汽轮机在启停或其他异常工况时，在外部扰动下由于转子的膨胀幅度大于汽缸的膨胀，即所谓胀差变化。如果转子的膨胀大于汽缸变化成为正胀差，转子的膨胀变化小于汽缸变化成为负胀差。
众所周知，金属具有吸热的特性，金属的膨胀或收缩与吸收的热量息息相关，在汽轮机光轴改造后，汽缸的位置位于蒸汽的表面，汽轮机转子则被蒸汽紧紧包围，汽轮机转子在低压缸叶片被拆除后，转子和蒸汽的相对接触面积增大了近一倍，而对于汽轮机汽缸本身而言，由于汽缸并未进行过任何改造，而汽缸比汽轮机转子的面积大的多，汽轮机光轴改造后的转子所暴露在蒸汽中的面积和汽轮机汽缸相对于蒸汽的面积的极大反差导致了汽轮机胀差向正胀差变化，这个正胀差相对于改造前有所增大，而当汽缸进入冷源或进入汽轮机的蒸汽参数变低后，汽轮机的胀差又会变位负胀差，这个负胀差的幅度相对于光轴改造前，幅度要有所增大，这就需要我们在汽轮机光轴改造会对汽轮机监视系统中的胀差的显示值进行重新校核和定义，必要时还要更改汽轮机危急遮断保护中胀差的定值。为了保护汽轮机，每台机组都设有汽轮机胀差保护的报警值和跳闸值，汽轮机光轴改造后，如果汽轮机的胀差在启停机和变工况过程中始终都在报警值范围内，就不会对汽轮机的安全运行造成影响。汽轮机的光轴改造造成了一个后果，那就是汽轮机出场厂家定义的胀差报警和跳闸值很有可能已经发生了漂移，如果胀差监视失控，就会导致汽轮机动静摩擦，振动增大，轴封冒火，动静叶片抱死，大轴弯曲、叶片脱落等恶性事故，所以我们必须认真对待光轴改造后汽轮机胀差的变化对汽轮机安全的影响。
5 光轴改后的泊桑效应扩大对汽轮机各参数的影响
泊桑效应也就是汽轮机的轴在转速增加的时候，受到离心力的作用，而变粗，变短。转速减小的时候，而变细，变长。一般在启，停机的时候由于低压缸的转子是最粗的，所以受泊桑效应最明显。是胀差变化的一个因素，汽轮机光轴改造后，原来的汽轮机低压缸三缸变一缸，其余两缸变成了光轴，这个光轴的出现使汽轮机在转速急剧变化时，转子的粗细长短相对于光轴改造前幅度变化扩大，正常停机走时间一般为1个小时，转速降低较破坏真空后慢的多，虽有泊效应使其转子伸长，但因其之前一直有气冷却，转子处于较冷的状态，故胀差既有负向，又有正向抵消，不是很明显。但打闸，尤其是破坏真空紧急停机属于热态转子急速停转，此时，转子短时间内迅速停运，在热胀冷缩和泊桑效应的影响下，汽轮机的轴向位移、胀差尤其是低压胀差迅速正向增大，直接威胁汽轮机的安全运行，泊桑效应的影响也是我们在汽轮机光轴改造后需要面对的一个问题。
此外汽轮机低压缸光轴改造后，原汽轮机的轴封处因2、3号低压缸不再进汽，汽轮机系统轴封处的改造也引人深思，特别是在低压缸转子在切换过程中，汽轮机在实现光轴到叶片切换的同时，轴封系统也需要相应切换，轴封的冷却方式，轴封系统的投入与运行，都是汽轮机光轴改造后我们需要认真思考的问题，因为轴封系y一旦出现问题，就是大问题，轻则机组漏真空，重则机组会发生水冲击，大轴弯曲等恶性事故，因此汽轮机光轴改造后，轴封系统的运维和技改同样需要我们投入大的精力来论证和实施。
6 论述低压缸冷却措施及原理
在汽轮机供热期运行时，#1号低压缸正常做功发电，#2、#3低压部分不再进汽，低压光轴仍与发电机联接转动，会产生鼓风现象，低压缸温度升高，引起整个#2、#3低压部分膨胀及标高发生变化，给机组运行带来安全影响，需要对汽轮机#2、#3低压部分进行冷却。具体方案如下：
（1）从供热抽汽管路，抽出5～10t/h左右的蒸汽，经减温减压后对低压缸进行冷却。同时保持低压缸前、后汽封送汽及汽封冷却器的抽汽。
（2）低压缸冷却蒸汽管路设置一个减温减压器、一个电动截止阀。
（3）光轴及低压缸冷却蒸汽流量，由控制系统根据低压缸排汽温度，通过冷却蒸汽管道上的调节阀控制。
（4）在供热抽汽期间，#2、#3凝汽器热备用，将低压缸冷却蒸汽凝结成水。
（5）凝汽器循环水系统可以小流量运行，保持凝汽器、主冷油器、磨煤机油冷油器冷却用水。
（6）凝结水泵继续运行，减温水来自凝泵后，需要减温时，适当提高减温水的压力运行。
7 结语
汽轮机光轴改造技术在给机组供热和深度调峰带来便利的同时，也对汽轮机的安全运行带来了一定的考验，任何一项技术革新，安全都是必要和必须的，本文主要从光轴改造后汽轮机的胀差、泊桑效应的影响上进行了对汽轮机启停机和变工况运行的安全论证，希望能给同类型机组以启示。