摘 要：为更好促进国家能源转型，提高清洁煤电比重，加大风电、太阳能等清洁能源的开发利用，燃煤发电机组灵活性运行乃大势所趋。本文以300MW等级供热机组为例，提出了一系列机组灵活运行适应性的设计思路。给出并阐明了与灵活运行关系密切的升降负荷、配汽方式和满足供热要求的中调门参调等三种技术方案，兼顾了机组经济性和灵活运行的研究。本文提出的灵活运行适应性思路对于在役机组的灵活性改造具有十分重要的意义。
关键词：灵活性;供热;汽轮机
1 前言
电源建设过快而消纳能力开发不足，导致我国弃风、弃光现象严重，新能源的布局结构很难得到充分发挥。当前阶段，为良好落实能源转型，提高清洁煤电比重，加大风电、太阳能等清洁能源的开发利用，燃煤发电机组必然要做出一定让步[1]。风能和太阳能等清洁能源的利用有一定的时间或季节性限制条件，如图1-1所示，因此，对于燃煤发电机组的运行负荷范围要求更高，且要求升降负荷率有很大提高，即实现机组的灵活性运行。
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为满足可再生能源的快速发展需要，提高可再生能源消纳能力，我国电力发展“十三五”规划中“重点任务”明确加强调峰能力建设，提升火电运行灵活性是工作重点之一。规划热电联产机组和常规煤电灵活性改造规模分别达到1.33亿千瓦和8600万千瓦左右，数据显示，热电联产供热机组所占份额超过一半。供热机组灵活性运行的研究目的是不仅要实现机组在较宽的负荷稳定运行，还要实现机组供热量能稳定在较高的水平，因此，对此项技术的研究意义重大。
2 供热汽轮机组灵活改造运行的适应性分析
在保证供热量的同时，汽轮机电负荷灵活运行的实施难度较大。以某电厂300MW等级亚临界供热采暖汽轮机组为例，依据其供热机组的运行特点，归纳总结出如下适应性方案：
2.1 配汽方式及强度分析
通常，机组采用全电调“阀门管理”式配汽，顺序阀配汽曲线如下图2-1所示：
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在很大范围内的部分负荷运行工况，都可以通过两阀滑压方式运行，以避免产生节流损失，同时可以提高滑压参数，提高机组运行的经济性，各负荷点对应的定滑压曲线就是按照这一原则计算得出的。但在25%额定负荷工况下，按主蒸汽压力8MPa计算，两个阀门开度几乎缩小至20%开度，此时，将产生比较大的节流损失，对机组经济性将产生不利影响。而且，在阀门开度很小的工况下，阀门的流场变化较大，运行工况恶劣，阀杆极易产生振动，影响阀门的稳定运行。
两阀开启工况下，对机组调节级强度校核。额定压力16.7MPa工况下，部分进汽度0.4584时，蒸汽弯应力σ1为15.54 MPa。通过与许用应力比对，所采用的调节级叶片材料满足设计规范要求。
针对上述低负荷两阀运行工况经济性差的问题，运用低负荷工况压力降低的情况下提高材料利用率的思路，考虑采取单个阀调节的运行方式。单个阀运行工况时，经校核主蒸汽压力7.41MPa时的调节级强度，部分进汽度0.2292，蒸汽弯应力σ1为19.65 MPa，同样，所采用的调节级叶片材料满足设计规范要求。通过许用应力和安全系数的返算，得出主蒸汽压力在7.96MPa以下的区间内，单个阀运行工况均满足设计规范要求。
2.2中调门参调
通常，在300MW供热机组设计中，中压联合汽阀不参与蒸汽压力的调节，仅具有启停或事故工况下的全开和全关功能，其结构图见图2-2，原配汽曲线图见图2-3。
对于部分供热机组，当机组深度调峰在25%额定负荷时，中排抽汽的供热量很难保证实际供暖需求，解决此问题的手段之一即是从再热热段抽一部分蒸汽来补偿热负荷。这时，必须通过中压联合汽阀参与蒸汽压力的调节来保证此部分抽汽的成功实施。
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若要使中联门参与机组压力的调节，需对其进行改造，根据实际需要更换阀座、及相关阀芯件，调整阀碟、阀座的型线，提供合适的中压进汽配汽曲线，见图2-4所示，使其具有良好的调节性能。另外，根据调节性能要求，需调整相关的控制逻辑，可实现中联门单阀和顺序阀运行。
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Ø 经核算，改造后阀门调节性能良好：
单阀时，阀门在H/Dc<0.15 (53%)时具备调节功能。
顺序阀时，#2阀门在H/Dc<0.16;#1阀门在H/Dc<0.23 (76%)时具备调节功能。
2.3快速升降负荷对胀差和转子寿命影响
本文中讨论变负荷工况的起点为25%额定负荷。从25%额定负荷至满负荷，按5%负荷率控制机组升降负荷，25%-30%负荷区间定压定温(7.41MPa，485℃)，30%-90%负荷区间滑压运行，90%至满负荷区间定压定温运行(16.7MPa，538℃)，对机组高中压胀差进行计算，计算结果如图2-5所示。
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将此结果与原机组热膨胀曲线对比，启动工况与甩负荷工况的胀差值均有不同程度的增大，其详细结果如下：
启动工况：最大胀差值仍发生在高压后汽封处，胀差值由6.3mm增大为7.5mm。考虑到胀差增大1.2mm，转子泊松效应等因素，原机组高压后汽封轴向理论间隙偏小，此轴端汽封轴向间隙已无法满足灵活性运行要求。
甩负荷工况：高压模块负胀差普遍增大较多，高压通流部分增幅最小为2.29mm，增幅最大为3.44mm，高压模块增幅最大发生在后汽封处，增幅为3.52mm，高压模块设计轴向间隙已普遍无法满足灵活性运行要求。
由此可见，深度调峰带来的升降负荷过快运行时，静子与转子瞬时温差较大，热胀情况与稳定运行时差异明显，高压模块轴向设计间隙已无法满足灵活性运行要求。
同时，在相同的升负荷工况下，按照5%负荷/分钟的灵活性改造升负荷率要求，从25%负荷升到100%负荷过程的调节级后和中压第1级后蒸汽温度和时间的关系见图2-6。调节级和中压1级后温度变化范围为101.2℃和89.9℃，升温率分别为404.8℃/h和359.6℃/h。由于变负荷过程升温率非常高，对比图2-7“高压转子寿命损耗图”和图2-8“中压转子寿命损耗图”，可见其寿命损耗大于0.1%，转子寿命损耗严重。
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注(图2-7、8)：阴影区是转子应力极限区，当金属温度增加时不得进入该区，在金属温度下降时允许进入;曲线上的寿命损耗值以寿命百分比表示。
快速变负荷运行过程中，在25%-40%额定负荷阶段温升率过高，需从多方面考虑降低温升率。可通过提高低负荷时的主汽温度，合理设置调节级焓降，保证调节级后及通流各级次工作温度的方式来降低升负荷温升。为达到快速升负荷的目的，也可短时间改变供热机组的抽汽调节，将原本用来供热的抽汽送入汽轮机做功以增加供电负荷[2]。实际上，当供热负荷在比较短的时间内切除再恢复时，采暖用户端几乎感觉不到热负荷的变化，而这部分被切除的热负荷如果在短时间内用来发电，对于电网调度侧也是极其有益的。
3. 结论
本文所述的灵活改造适应性分析主要是从汽轮机的角度提出的。结果显示，对于300MW等级供热汽轮机组来讲，通过对设备进行一定程度的改造，可以提升燃煤汽轮机组的灵活运行能力。本文阐述了三项可将现有机组或新设备实现灵活运行的关键技术及相关措施，得出了如下结论：
1. 通过对设备相关部件强度分析，部分负荷工况下可实现两阀或单个阀运行模式，使得经济性不受阀门节流损失产生很大影响。提出了低负荷压力降低情况下提高材料利用率的思路，校核了单个阀运行工况的设备强度，明确了单个阀运行工况下对主蒸汽压力的限制要求，
2. 为保证低负荷运行时供热汽轮机组的抽汽量，提出了中调门参调，实现再热热段抽汽，增加供热补给的抽汽方案。通过对相关设备的改造实施，可实现中压联合汽阀单阀和顺序阀在很大范围内均具备调节性能，保证再热热段抽汽压力的稳定，从而保证供热热网的稳定运行。
3. 通过计算快速升降负荷(5%升降负荷率为设计基准)时的机组胀差和影响转子寿命的调节级后温度及中压进汽温度的升温率，提出机组胀差在原设计基础上的增大量，从而为灵活性改造的轴向间隙提供一定设计依据。升负荷率5%时，由于升温率过快，高中压转子寿命面临极大挑战，提出了有关转子寿命损耗图，这给锅炉低负荷稳燃时主再热蒸汽温度和机炉协调匹配设计提供了一定借鉴。明确了采取短时间改变供热机组的抽汽调节来快速提升负荷的思路，以提升机组更为灵活的运行方式。
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