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國產(chǎn)引進型300 MW汽輪發(fā)電機組汽機優(yōu)化工作和高中壓缸改造的可行性分析

2020-05-19 08:21:22
應用能源技術 2020年3期
關鍵詞:通流軸封大修

(黑龍江辰能新能源開發(fā)股份有限責任公司,哈爾濱 150090)

0 引 言

我國于1990年前后引進美國西屋公司技術生產(chǎn)300 MW汽輪發(fā)電機組,某公司前期投產(chǎn)的機組均發(fā)現(xiàn)其經(jīng)濟性與設計值差距較大,特別是高壓缸效率明顯偏低,平均比設計值偏低7.5%左右。要解決這一重大高能耗問題,首先要分析清楚機組的經(jīng)濟指標與設計值偏差的原因;其次是要確定切實可行的處理辦法。這不僅是國家能源政策決策部門重點關心的問題,在同行業(yè)交流中議論較多的問題,也是公司領導比較關心的問題。

某公司對這一國內(nèi)同類型機組存在的重大問題列為工作重點之一,進行了長期的分析、試驗、研究,做了大量的工作。通過組織實施《高壓缸排汽溫度高原因分析》科技項目、《#1機組熱力系統(tǒng)優(yōu)化》、《#2機組熱力系統(tǒng)優(yōu)化》二個技改項目和《汽輪機高中壓缸改造的可行性評估》科技項目,大幅度提高了機組的經(jīng)濟性,使公司二臺機組的經(jīng)濟指標處于國內(nèi)領先水平。對汽輪機高中壓缸改造的可行性進行科學的評估,得出重要結論,使這一研究成果也處于國內(nèi)領先水平。

1 #1、#2汽輪機優(yōu)化工作概況和經(jīng)濟效益分析

1.1 #1、#2汽輪機優(yōu)化工作概況

(1)提高機組安全性的措施有:在汽輪機高中壓缸新增溫度測點5點;在高中壓缸夾層下半部增加阻汽片;原強迫冷卻空氣到中壓缸冷卻蒸汽管改到#3抽。#1機取消了取消外置式疏水擴容器;

(2)汽機本體優(yōu)化措施項有:高壓平衡汽封、高壓排汽平衡汽封、中壓平衡汽封、高壓軸封內(nèi)擋、中壓軸封內(nèi)擋共12道汽封改為布萊登汽封;減小高壓調(diào)節(jié)級徑向葉頂和葉根汽封間隙;減小高壓噴嘴組之間的膨脹間隙;取消中壓缸冷卻蒸汽管。#1機取消了中壓外缸中部疏水手動閥、中壓缸排汽端疏水手動閥、高中壓平衡管手動疏水閥等。

(3)簡化和取消多余的熱力系統(tǒng):取消主汽到軸封調(diào)節(jié)閥旁路閥、高排通風管閥、爐5%旁路至凝汽器管閥、冷再供軸封系統(tǒng)和輔汽供軸封門后電動總閥。#1機取消了#1、#2高壓導管放汽閥。

(4)合并富裕的疏水系統(tǒng):高排逆止門后機爐側疏水、冷再至小機疏水3路合并。#1機將#1、#2高壓主汽門前疏水合并; 二根高壓導管疏水合并;#1、#2中壓主汽門前氣動疏水閥合并;#1、#2中壓導汽管疏水2點合并。

(5)改進不合理的熱力系統(tǒng):各主汽門、調(diào)門門桿1擋漏汽由到冷再改接到同側的中壓主汽門前;#4抽汽到除氧器進汽電動閥前疏水與#4抽電動門后疏水合并;軸封溢流調(diào)節(jié)閥更換增大通徑,增加一路管道接至#7低加汽側;取消輔汽疏擴。#1機:高中壓平衡管的疏水管接到#4抽逆止門前抽汽管上;增加軸封供汽疏水母管,原軸封9處疏水直接進疏水母管,并加自動疏水器旁路。#2機:將軸封溢流調(diào)節(jié)閥移位;主汽到軸封調(diào)節(jié)閥后疏水增加自動疏水器旁路及其前后隔離閥;軸封供汽聯(lián)箱減溫水后疏水電動疏水閥加裝自動疏水器旁路及其前后隔離閥;輔汽供軸封主、旁路閥前后增加自動疏水器旁路及其前后隔離閥。

(6)取消多余的疏水系統(tǒng):取消#1、#3、#4、#5、#6抽逆止門與電動門之間的疏水閥、高排逆止門前、逆止閥后疏水袋底部放水閥。#1機取消了主蒸汽母管疏水;

(7)部分熱備用熱力系統(tǒng)的疏水采用自動疏水器。

(8)疏水擴容器優(yōu)化布置排列,熱負荷合理分配:用高排通風閥和5%旁路閥的設計余量,將主再熱蒸汽二路疏水布置到高加事故疏擴。其他疏水恢復到背包式疏擴,使熱負荷分散均衡。

(9)輔助設備改進:凝結水泵取消一級葉輪;軸封加熱器更換,換熱面積由64 m2增加到100 m2。

1.2 經(jīng)濟性分析

1.2.1 #1機組

根據(jù)西安熱工研究院、浙江中試所的對比試驗和運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析,扣除大修常規(guī)收益和其他改造收益,#1機優(yōu)化的收益為12~14 g/kWh左右。大修后高壓缸效率提高5.35%??鄢R?guī)大修,汽輪機本體優(yōu)化收益約為4~5 g/kWh左右,熱力系統(tǒng)優(yōu)化的效益約為8~9 g/kWh左右。

#1機組大修后到當年年底共運行約4 166 h,發(fā)電10.212 42億度。按12 g/kWh計算,節(jié)約標準煤12.255萬t,按340元/t計算,節(jié)約發(fā)電成本416.65萬元,折算到全年(按近三年的年平均運行小時數(shù)計算)可節(jié)約成本794.1萬元。

#1機優(yōu)化項目實際投入166.524 8萬元,產(chǎn)出794.1萬元/年,投入產(chǎn)出比為1∶4.77。

1.2.2 #2機組

根據(jù)西安熱工研究院、浙江中試所的對比試驗和運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析,扣除大修常規(guī)收益和其他改造收益,#2機優(yōu)化的收益約為11 g/kWh左右。大修后高壓缸效率提高3.8%,扣除常規(guī)大修,汽輪機本體優(yōu)化收益約為3 g/kWh左右,熱力系統(tǒng)優(yōu)化的效益約為8 g/kWh左右。

#2機組大修后到當年年底共運行約6 484 h,發(fā)電15.149 8億度。按11 g/kWh計算,節(jié)約標準煤16.66萬t,按340元/t計算,節(jié)約發(fā)電成本566.6萬元,折算到全年可節(jié)約成本693.83萬元。

#2機優(yōu)化項目實際投入148.77萬元,產(chǎn)出693.83萬元/年,投入產(chǎn)出比為1∶4.66

機組大修后經(jīng)歷了機組冷態(tài)啟動、溫態(tài)啟動和極熱態(tài)啟動各種運行方式的考驗,疏水系統(tǒng)工作正常,由于增加了一系列安全措施,為運行人員提供了可靠的監(jiān)視和調(diào)整手段,確保了機組安全啟停。在#1機組實現(xiàn)了省公司300 MW以上機組大修全優(yōu)“零”的突破, #2機組大修后再創(chuàng)全優(yōu),最長連續(xù)運行時間超過#1機組創(chuàng)下的153天的紀錄。創(chuàng)連續(xù)運行250天的新記錄。

汽機優(yōu)化項目的實施產(chǎn)生了效益是巨大的,為公司供電煤耗連續(xù)二年向前跨了二大步的過程中起到關鍵作用,是公司成立以來效益最好的技改項目。

2 汽輪機高中壓缸改造的可行性評估

2.1 高壓缸效率偏低原因分析

2.1.1制造廠熱力計算書提供的設計值存在誤差

委托西安熱工院對制造廠提供的熱力計算書進行校核計算,見下表。

項 目設計值校核計算值差值調(diào)節(jié)級效率7269.72.3壓力級效率89.2789.72-0.45高壓缸通流效率87.1285.961.16高壓缸綜合缸效率87.1285.261.86

產(chǎn)生誤差的原因主要有:

(1)第1壓力級的進口壓力直接取調(diào)節(jié)級的出口壓力,而沒有考慮調(diào)節(jié)級與壓力級反相布置,汽流轉向時因撞擊而產(chǎn)生的較大的余速損失和磨擦損失。

(2)各壓力級之間,上一級出口存在余速損失,下一級進口存在撞擊損失。所以上一級的出口蒸汽參數(shù),不等于下一級進口的蒸汽參數(shù)。制造廠熱力計算書取同一值,存在一定計算誤差。另外每一級的沒有作功的汽封漏汽,與通過每級作過功的蒸汽在級后混合后,也將抬高下一級的進口蒸汽溫度。

(3)制造廠提供的高壓缸效率,一般是高壓缸通流效率,即相對內(nèi)效率。根據(jù)本機組設計的結構,調(diào)節(jié)級后經(jīng)高壓平衡活塞和高壓缸夾層到高壓排汽的漏汽,使冷再溫度比高排溫度抬高,使高壓缸實際缸效率低于高壓缸通流效率。而考核高壓缸實際性能的應是高壓缸綜合效率。

(4)部分系數(shù)的取值比較理想化,也使計算值偏高。

制造廠熱力計算書提供的設計計算值偏高,這有利于制造廠商業(yè)抄作和市場競爭。這是機組運行實際運行指標比設計值偏低的一個原因,擴大了與設計值的差距。

2.1.2 通流間隙設計值和實際間隙偏大

(1)汽輪機通流間隙設計值偏大

汽輪機通流間隙設計的原則,是在保證安全的前提下,滿足機組的經(jīng)濟性。首先考慮的是在機組起停過臨界時,轉子的最危險點不發(fā)生動靜部分磨擦。對高中壓合缸機組來說,轉子的最危險點是高壓平衡汽封和高壓、中壓的前幾級,這恰是壓力等級較高、汽封漏汽對機組經(jīng)濟性影響較大的幾級。一般設計計算在進行轉子熱繞曲計算時,還要放一定的安全余量,降低了其經(jīng)濟性。且本機型的設計比其他機型的設計間隙都大:例如調(diào)節(jié)級設計徑向間隙,125 MW機組為1~1.45 mm;200機組為0.9~1.4 mm;而本機組為2.5 mm。

(2)檢修實際間隙比設計值偏大

很多檢修單位為保證檢修后能夠啟動一次成功,往往在檢修調(diào)整中把實際間隙控制比設計值偏大,有的取設計上限。

通流間隙偏大是高壓缸效率偏低的主要原因,這使高壓缸效率偏低5%左右?,F(xiàn)通過實施#1、#2機組優(yōu)化措施,取得了這部分收益。

2.1.3 部分蒸汽不作功導致直接損失

(1)高壓缸夾層冷卻蒸汽

高壓缸夾層冷卻蒸汽從調(diào)節(jié)級后引出,經(jīng)高壓缸夾層流向高壓排汽口,這部分沒有作功的高溫蒸汽,與經(jīng)高壓缸通流部分以作過功的蒸汽混合后,提高了冷再蒸汽溫度,使得高壓缸實際效率(即高壓缸綜合效率)降低。另外由于結構設計上問題,上下缸冷卻蒸汽量不均勻,容易導致上下缸溫差大等不安全隱患。

(2)中壓缸冷卻蒸汽

除高中壓缸之間的平衡汽封漏汽進入中壓缸外,還從高壓缸夾層引出一路蒸汽,用于冷卻中壓轉子首級葉根。從實際效果看,這一設計不僅是多余的,浪費了作功能力,反而帶來一些不安全隱患。在實施汽機優(yōu)化項目時,已取得一定的節(jié)能效果。

(3)機組運行工況偏離額定工況,導致高壓缸效率降低

機組負荷根據(jù)電網(wǎng)需求進行調(diào)整,平均負荷偏離設計工況,是高壓缸效率偏低的一個原因。根據(jù)制造廠提供的設計曲線,主蒸汽流量從額定工況908 t/h下降到825 t/h。高壓缸效率將下降1%左右。加上熱力系統(tǒng)、回熱系統(tǒng)上其他偏離設計的因素,高壓缸效率將下降值還要大一些。從實時決策輔助系統(tǒng)中查高壓缸效率曲線:從負荷300 MW降到250 MW,高壓缸效率下降約2.5%左右。

2.2 汽輪機專業(yè)的理論發(fā)展

汽輪機技術的重點是通流部分設計,在汽輪機技術發(fā)展的初級階段,機組容量很小,采用一元流動和理想氣體理論,蒸汽參數(shù)相對較低,葉片一般是短葉片、直葉片,葉型也較簡單,缸效率一般只有40%~50%左右;隨著機組容量和參數(shù)不斷提高,汽輪機理論發(fā)展到二元流動和粘性氣體理論,葉型采用流線型,汽缸效率提高到70%左右;在三四十年前汽輪機技術就發(fā)展到三元流動理想,各種風動實驗室建立為汽輪機設計提供了大量的數(shù)據(jù),葉型采用流線型變截面葉片、扭葉片、長葉片等,汽封技術也不斷發(fā)展,汽缸效率又有一定提高,目前中壓缸效率可達到93%左右,高壓缸效率(含調(diào)節(jié)級和調(diào)速汽門)可達到88%~89%左右。因近二三十年已達到全三維設計的最高水平,并趨向成熟,基本上沒有理論突破的空間,再提高高壓缸效率相當困難。

2.3 汽輪機設計制造水平

目前國內(nèi)三大主機廠均與國外大公司合作,采用先進的設計制造技術。以上汽廠為例:該廠利用“Blade”CAD軟件包進行計算機優(yōu)化設計,采用葉片力的全三元流場設計計算系統(tǒng)、N-S全三元粘性氣動求解分析系統(tǒng),對汽輪機通流部分進行優(yōu)化系列設計,主要技術或產(chǎn)品有:調(diào)節(jié)級及噴嘴組優(yōu)化設計的三叉三銷三聯(lián)體調(diào)節(jié)級動葉;高效率的反動式可控渦扭轉葉片系列;第四代馬刀型反動式動靜葉片系列;低壓末三級馬刀型靜葉系列;高強度新型葉根和輪槽系列、自帶圍帶動葉、整圈自鎖型長葉片(ILB);低壓缸長葉片系列、無中心孔轉子等。在總體設計上采用積木塊優(yōu)化組合方式等對軸系技術進行改進;在加工上采用世界上最先進的加工和實驗設備,進行精密鑄造、三維精加工、表面防沖蝕、熱處理、混合調(diào)頻、高速動平衡和成套組裝。

目前這些技術目前只在新設備制造上已大量采用,提高了機組的設計和制造質(zhì)量。對在運行老機組尚沒有完整的成熟方案。

2.4 老機組改造情況

根據(jù)國家能源和產(chǎn)業(yè)政策,50 MW以下的中小機組屬限制發(fā)展和淘汰范圍,為適應電力市場需要,各電廠對在裝的100、125、200 MW和老的國產(chǎn)型300 MW機組進行不同方式的改造,有的只對通流部分進行改造,有的更換汽缸。均取得一定效果,但投入也是十分巨大的。

這些改造工作都有其共同特點:都建立運作暢通有序的組織管理體系,確保對改造工程的領導和實施;對改造的技術方案進行反復技術論證,在確保安全的前提下,選擇最佳方案和承包單位;對實施的制造企業(yè)的加工能力和質(zhì)量保證進行重點考察,落實可靠的加工企業(yè);對實施的檢修企業(yè)的安裝能力和資職進行重點考察,落實理想的檢修企業(yè),以保證改造的質(zhì)量;對改造的工期進行周密安排,以在最短的時間內(nèi)完成改造任務;對改造的投入產(chǎn)出進行科學論證,以取得最大經(jīng)濟效益。

他們有的是直接請上汽、哈汽、東汽或北重等主要生產(chǎn)廠家,采用廠家的改造方案,有的是請北京全三維公司制訂方案,進行反復論證委托相關制造廠進行。

2.5 引進型300 MW汽輪機高中壓缸改造的潛力評估

2.5.1 汽機優(yōu)化的效果收回了大部分與設計的差距

根據(jù)99年前全國同類型22臺機組的調(diào)查統(tǒng)計,高壓缸綜合效率平均偏低7.5%。將高壓缸內(nèi)效率與設計值的差距進行排位,我公司二臺機組分別為5.26%和5.77%,位于第4和第6位,排在第6位的#2機比排在第1位的石橫#2機只偏差1.85個百分點。當時基本上處在全國的前列。

2001和2002年我公司在大修中采取了大量的優(yōu)化措施,取得較好的效果,大修后二臺機高壓缸效率比大修前分別提高了5.35%和3.73。與設計值(校核計算值,下同)之差平均為2.43%。收回了近70%的差距。

大修后中壓缸效率分別為92.36%和91.14%,比大修前分別提高0.11%和0.53%?;旧显谠O計(92.36%)范圍內(nèi)。

據(jù)了解,在汽輪機完善化工作上,我公司已走在前面,實施的二臺機組汽機優(yōu)化措施,比其他電廠的改進力度都大,取得的效果明顯高于其他廠的完善效果。所以初步估計,我公司二臺機組高壓缸效率在處于國內(nèi)同類型機組的領先水平。

2.5.2 高壓缸進一步改造或完善的潛力

根據(jù)以上分析:高壓缸進一步改造或完善的潛力(包括提高設計值)約為3%左右。改造的潛力不大。中壓缸已基本達到了設計值,而國內(nèi)外其他機組的中壓缸效率基本上在這一范圍內(nèi),已沒有改造或完善的潛力。

2.6 投資風險

現(xiàn)在采取優(yōu)化措施后的高壓缸效率只比設計值低2.5%左右,而中壓缸效率與設計值基本接近,如同時對高中壓缸進行改造,費用可能高達一千萬元以上,不僅造成現(xiàn)在的中壓缸報廢,高壓缸部分能否達到預期效果(2.5%)較難預料。投入產(chǎn)出十分低,也可能沒有產(chǎn)出。不僅造成原固定資產(chǎn)浪費(含中壓缸的優(yōu)質(zhì)資產(chǎn)),還造成新的投資浪費。

2.7 實施汽輪機高中壓缸改造在技術上面臨的問題

制造目前采用的先進設計、制造技術只在新設備制造上大量采用,提高了機組的設計和制造質(zhì)量。部分125 MW和200 MW機組改造也采用過。對在裝引進型300 MW機組的改造,各制造廠尚沒有完整的成熟方案。各電廠主要進行的是與我廠基本相似的局部優(yōu)化完善工作,這方面我公司已走在前面,取得的效果明顯高于其他廠的完善效果。目前尚沒有電廠考慮對其進行如更換汽缸的重大改造,主要原因還有:

(1)引進型300 MW機組采用高中壓合缸結構,軸向推力和軸封結構是統(tǒng)一設計的,不可能單獨對高壓缸進行改造。

(2)進行通流部分改造有較大風險,尚沒有成熟的可行性方案

因在裝引進型300 MW機組改造的收益小,風險大。各制造廠對改造能否成功均沒有把握,沒有把這一問題立項,更沒有成熟的改造方案。

北京全三維公司在全國進行過多臺汽輪機組改造,在全國是比較有名的,他們目前進行的只受理200 MW以下機組和老的國產(chǎn)型300 MW機組的改造。沒有考慮承接在裝引進型300 MW機組改造。

西安熱工院對國內(nèi)外汽輪機技術的發(fā)展、設備運行狀態(tài)比較了解,通過與我公司合作進行“#1、#2機汽機優(yōu)化”技改項目和“汽輪機高中壓缸改造的可行性評估”科技項目,在評估報告中得出結論“針對國產(chǎn)引進型300 MW汽輪機,對高壓缸采用全部通流部分改造,投入成本大,并不能達到預期效果?!?/p>

3 結束語

目前尚不易實施對高中壓缸實施重大改造工作。

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