壹|背景及原理介绍
自2016年6月国家能源局发布《关于下达火电灵活性改造试点项目的通知》至2018年国家发改委和能源局印发《关于提升电力系统调节能力的指导意见》，火电灵活性运行及深度调峰日益成为电力企业实现生存和发展的关注重点，国家和多个地方部门陆续出台了多个指导意见以及优惠政策推进和鼓励火电的灵活性改造。火电灵活运行及深度调峰主要通过储能、锅炉改造、汽机改造来实现。
对于供热机组，考虑到储能和锅炉改造方面的不足，采用对汽轮机进行改造的方式是更经济和实用的选择，当前国内对汽轮机灵活性和深度调峰改造的主要方式为“低压缸切缸”。
“低压缸切缸”又称“低压缸零出力”或“低压缸鼓风运行”，是指中压缸排汽全部通过抽汽管道引出，仅保留少量的冷却蒸汽进入低压缸带走转子叶片与内部工质摩擦产生的热量从而实现低压缸不做功的一种运行方式。
对于供热机组，采暖期一般是以“以热定电”的方式运行，由于低压缸最小冷却流量的存在，电负荷允许调节的范围较小或完全没有调节能力，而低压缸切缸方式运行既可以在一定程度上实现热电解耦，又可以增大机组的极限供热负荷和降低机组的最低负荷。以300MW等级机组为例，通过低压缸切缸改造，抽汽能力最大可达680～700t/h，机组的最低负荷可降低至100MW以下（假定锅炉最低稳燃负荷为40%）。与此同时，汽轮机的供电热耗根据分缸压力的不同可降低至4150～4700kj/kw.h的水平，折合供电煤耗约160g～180g/kw.h。由此可见，无论机组灵活性运行及深度调峰方面还是降低供电能耗方面低压缸切缸改造都有显著的效果和作用。
贰|改造方法
低压缸切缸运行通过对连通管的改造来实现，如下图所示，将原连通管和带有通流孔或者机械限位的供热蝶阀更换为新的连通管和能够完全密封的蝶阀，并在连通管上增设一路旁路以通过低压缸的冷却蒸汽量，冷却蒸汽旁路设置调节阀和流量计或流量显示装置，汽轮机低压进口处设置温度测点和压力测点。
为适应切缸运行，汽轮机喷水系统需要进行相应的改造，其他如EH油系统，轴封加热器水侧根据系统配置的不同也可能需要进行相应的改造。另外对于一些关键参数及关键位置，需要加装测点进行监视。低压末级叶片需要加装监测装置以保证运行安全。
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叁|低压缸切缸的危险因素
3.1 叶片颤振
低压缸切缸状态运行，末级叶片处于低负荷，汽流波动大的环境下运行，容易发生颤振，即异步强迫振动。叶片处于颤振状态运行，叶片发生疲劳断裂的时间将大大提前，为汽轮机运行带来附加风险。
3.2 叶片水蚀
汽轮机切缸状态运行，低压缸排汽需要喷水减温，在较低排汽容积流量下，汽轮机排汽区域会形成回流夹带喷水产生的水滴打在末级叶片出汽边根部形成较为严重的水蚀，对汽轮机的运行安全带来一定的风险。
3.3 动静间隙变化
汽轮机切缸工况变化较大，末级叶片、内缸温度变化大，温度分布不均会引起叶顶间隙的改变，有出现动静碰磨的风险。
3.4 叶片超温
切缸状态运行低压缸末级、次末级甚至次次末级叶片都处于做负功状态，鼓风发热严重，超过叶片的许用温度会损坏叶片，另外排汽温度超过排汽装置或凝汽器的许用值还会对其造成损坏。
四|上汽厂的应对措施及改造措施
4.1 叶片健康监测系统（BHM ）
叶片颤振作为汽轮机设备的一大安全隐患，不仅在低压缸切缸状态运行时容易出现，还可能出现在汽轮机低负荷运行、抽凝机组大抽汽量运行时，因此早在低压缸切缸技术出现之前就受到了上汽厂的重视，并着力于实现末级叶片振动情况的实时监测，找到容易诱发叶片颤振的危险工况点，并在以后的运行中加以避开。上汽厂为此开发了叶片健康监测系统，并历经三年多的时间调试，改进并最终成熟应用于我厂制造的新机组及低压缸切缸改造机组。该系统能够实现对叶片振幅、频率、叶顶间隙、叶片金属温度的实时监测，当任一参数超限，能够发出报警，提醒运行人员。另外该系统具备以下高级功能：1.对电厂运行中长叶片振动特性进行记录和分析，避开危险工况；2.对潜在的风险或者突发的破坏进行警告；3.对长叶片已有测试数据进行分析计算，对长叶片的寿命进行预测。
4.2 低压缸灵活运行
依托主机厂优势精确计算和优化低压缸的运行，给出运行指导文件及曲线，协助电厂实现极低流量下，叶片不超温，低压缸不喷水运行，尽量将水蚀的影响降至最低。
4.3 测点全面加装、定值精确校核
上汽厂对影响到低压缸切缸的所有关键测点进行全面的加装，并依托主机厂的技术体系对各测点定值进行全面校核以保证切缸过程可控，汽轮机安全运行。
4.4 连通管、旁路设计优化
上汽厂连通管和旁路的设计考虑以下五点：1.实现低压缸灵活运行；2.实现抽凝到切缸状态的平稳过度；3.实现大蝶阀密封面的保护；4.避免大蝶阀严重节流引发的振动问题；5.实现低压缸最小冷却流量的精确控制。
4.5 喷水系统改造和优化
由于原喷水管路流量设计较大，用在低压缸切缸运行上会存在喷水量过多，雾化效果不好，加剧水蚀的影响，因此设计增加新的喷水管路作为切缸专用，同时将原喷水管路的喷头更换为雾化效果更好的喷头作为备用。
4.6 控制逻辑改造
通过控制逻辑的改造实现以下几点：
实现低压缸切缸的自动控制，并将新加的相关测点接入DEH并增加相应的报警和保护逻辑。
将切缸的指导性运行曲线，切缸临界点做入逻辑，实时显示给运行人员，提醒运行人员进行切缸操作，精确控制参数。
梳理原DEH系统中的保护定值及逻辑，并进行优化。
优化喷水保护逻辑。
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伍|叶片健康监测系统简介
1. 采集端架构
采集端架构如图所示
2. 远程监控端架构
远程监控端架构如图所示：
3. 系统架构与功能
系统架构与功能如图所示：
4. 专利布局
5. 系统优势
六|改造工作范围
上汽厂的低压缸切缸改造工作范围涵盖以下九个方面：
1. 中低压连通管与供热蝶阀改造；
2. 增设连通管旁路及旁路调节阀；
3. 喷水系统改造；
4. 配套汽轮机本体运行监视测点改造；
5. 配套供热系统改造；
6. 定值校核计算、切缸运行指导曲线计算绘制；
7. 配套自动控制逻辑及系统改造；
8. 低压缸末级叶片在线监视系统及独立的数据采集装置；
9. 切除低压缸进汽运行试验。
七|业绩展示
下图为格盟山西河坡电厂机组低压缸切缸后低压缸冷却蒸汽量分别为20.2t/h和11.6t/h时的运行画面截图。图中展示了低压缸进汽流量、压力、温度显示及低压末三级温度显示。
切缸工况一
切缸工况二
下图分别展示了叶片健康监测系统的后台画面与集控室运行监视画面。
叶片健康监测系统后台画面
集控室画面
八|总结
上汽厂实施的低压缸切缸改造项目能够做到切缸过程顺利，过渡平滑，各参数正常不超限，机组频繁切缸及长时间切缸运行平稳无异常，突破性地解决了末级叶片的振动监测问题和动静间隙监测问题，真正做到了切缸过程完全透明，安全可控。欢迎各位业主前来调研与交流。
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