張 磊

(神華國華(北京)電力研究院有限公司,北京 100025)

0 引言

目前電力市場競爭越來越激烈，節(jié)能減排壓力進一步加大。國內(nèi)火力發(fā)電企業(yè)在未來較長一段時間依然面臨著較大的經(jīng)營壓力、在發(fā)展上存在嚴峻的挑戰(zhàn)，這給火力發(fā)電企業(yè)提出了更高的要求。

從上世紀90年代開始，國內(nèi)的一些汽輪機制造廠家和高科技公司就開始采用先進的汽輪機設(shè)計技術(shù)進行國產(chǎn)老機組現(xiàn)代化技術(shù)改造的實踐。上世紀90年代中期至今國內(nèi)已有100多臺亞臨界300 MW等級機組完成了通流升級改造[1-3]，改造后，機組的供電煤耗普遍可降低15 g/kWh左右，銘牌出力提高約10%，節(jié)能效果顯著。

目前國內(nèi)600 MW等級機組通流改造項目也已逐步開展[4-11]。從上汽亞臨界600 MW機組的實際運行情況來看，該型機組的實際運行性能與設(shè)計值存在著明顯的差距，機組性能已相對落后，且大部分機組投運時間已接近兩個大修期，非常有必要對該機型通流改造的技術(shù)方案進行研究。國華定州電廠(以下簡稱“定電”)在役的上汽產(chǎn)亞臨界600 MW汽輪機共2臺，本文主要以定電一期1號、2號汽輪機組為主要研究對象。

1 機組運行現(xiàn)狀

國華定電亞臨界600 MW汽輪機為上汽廠于上世紀90年代引進美國西屋公司技術(shù)設(shè)計生產(chǎn)，汽輪機高、中、低壓通流級數(shù)共有58級，末級葉片高度為905 mm。機組共設(shè)計有8級回熱抽汽，包括三個高加、一個除氧和四個低加。定電一期亞臨界600 WM汽輪機組于2006年10月并網(wǎng)發(fā)電，投產(chǎn)至今機組經(jīng)濟指標大幅下滑，且存在一定的安全隱患。

1.1 能耗現(xiàn)狀

國華定電上汽產(chǎn)亞臨界600 MW機組額定工況的設(shè)計熱耗為7 795.7 kJ/kWh(設(shè)計背壓5.4 kPa)，設(shè)計高、中壓缸效率分別為88.53%、91.46%。根據(jù)投產(chǎn)時進行的考核試驗(如表1)，1號、2號汽輪機熱耗值分別高于設(shè)計值192.5 kJ/kWh、170.3 kJ/kWh，遠未達到設(shè)計值。在2013年進行的性能試驗顯示，1號、2號汽輪機熱耗值分別高于設(shè)計值322.3 kJ/kWh、342.3 kJ/kWh?？梢姡S著運行時間的增加，機組的經(jīng)濟性指標大幅下滑。鑒于多家制造廠對其汽輪機通流設(shè)計技術(shù)進行了升級換代，改造效果良好，因此，對亞臨界600 MW汽輪機進行通流改造技術(shù)方案研究是有必要的。

1.2 機組存在的問題

根據(jù)收集該型機組運行數(shù)據(jù)、檢修中發(fā)現(xiàn)的問題等，進行分析整理，得出上汽產(chǎn)亞臨界600 MW汽輪機存在的問題主要有以下幾方面。

表1 汽輪機性能試驗數(shù)據(jù)

1.2.1 低壓五抽、六抽溫度超溫嚴重

上汽產(chǎn)亞臨界600 MW機組普遍存在低壓五抽、六抽蒸汽溫度嚴重超溫的問題。部分機組五抽溫度分別比設(shè)計值高約30 ℃、六抽溫度比設(shè)計值高約50 ℃，超溫現(xiàn)象特別嚴重。國內(nèi)同型的機組(包括西屋原型機)也普遍存在5、6段抽汽明顯超溫的問題，影響了機組的經(jīng)濟性。

1.2.2 中壓轉(zhuǎn)子實際冷卻蒸汽流量過大

上汽產(chǎn)亞臨界600 MW機組設(shè)計有中壓轉(zhuǎn)子冷卻蒸汽，額定工況下設(shè)計流量為7.5 t/h左右。但是，根據(jù)國華所屬各電廠多臺機組性能試驗結(jié)果，實際蒸汽流量約為設(shè)計值的4倍，達到30 t/h，遠遠大于設(shè)計值，從而影響了機組的經(jīng)濟性。

1.2.3 低壓缸軸承振動大

在機組高真空時，出現(xiàn)低壓缸軸承振動偏大的問題。分析原因，主要是由于上汽產(chǎn)亞臨界600 MW機組低壓軸承座設(shè)計安裝于外缸上，機組低真空時導(dǎo)致低壓外缸變型量偏大，從而引起汽輪機動靜碰磨和振動加大的問題。

1.2.4 調(diào)節(jié)閥振動與閥桿斷裂問題

國華電力所屬的寧海、臺山等電廠的17臺上汽產(chǎn)亞臨界600 MW汽輪機高壓調(diào)節(jié)閥頻繁發(fā)生了數(shù)十起閥桿與連接套銷釘斷裂，以及LVDT連接桿斷裂等原因而失效的故障，且經(jīng)過多年治理仍無法徹底消除。

針對上述問題，國華研究院已與大學(xué)、制造廠合作進行了相關(guān)專題研究工作，擬在本次汽輪機通流改造的過程中進行徹底治理。

2 改造方案

目前國內(nèi)、外汽輪機廠商對通流設(shè)計技術(shù)進行了更新?lián)Q代，已開始采用新一代超超臨界百萬機技術(shù)對300 MW、600 MW機組進行設(shè)計和改造，其整體技術(shù)水平已遠高于上世紀90年代。但鑒于定電一期汽輪機通流改造可行性研究啟動時，仍無上汽產(chǎn)亞臨界600 MW汽輪機改造業(yè)績，因此，改后熱耗、銘牌的確定是本次研究的重點。

2.1 改后熱耗

調(diào)研收集到11臺300 MW汽輪機通流改造最新業(yè)績(如表2)，熱耗平均值為7 866 kJ/kWh，高、中壓缸效率平均值分別為86.86%、92.8%，可以看出300 MW等級汽輪機通流改造的技術(shù)已足夠先進。

表2 300 MW等級汽輪機通流改造業(yè)績

為確定改造后汽輪機熱耗，進行了如下工作：一方面，根據(jù)300 MW機組的改造業(yè)績，分析亞臨界300 MW與600 MW機組的異同，得出600 MW機組的熱耗應(yīng)低于300 MW機組30 kJ/kWh左右；另一方面，收集上海汽輪機廠、全四維公司、阿爾斯通等改造廠商提供的600 MW汽輪機改造后性能指標的保證值，比較得出熱耗保證值基本在同一水平。此外，采用熱力計算程序進行熱平衡校核計算，最終確定600 MW汽輪機改后熱耗將達到7 840 kJ/kWh(背壓4.9 kPa)左右，高、中壓缸效率分別為88.5%、92.5%左右。

2.2 改后銘牌

改造后銘牌功率確定的原則是：(1)機組的燃煤總量不增加；(2)鍋爐的BMCR蒸發(fā)量不增加，且汽輪機VWO工況與TRL工況之間至少保留不低于3%的余量。

銘牌功率定義(中華人民共和國電力行業(yè)標準DL/T893-2004《電站汽輪機名詞術(shù)語》)，考慮到我國地域遼闊，南北跨度大，在TRL銘牌功率中，以現(xiàn)場環(huán)境條件下的實際夏季優(yōu)化背壓替代統(tǒng)一的11.8 kPa應(yīng)更為合理。目前國內(nèi)新建電廠的機組在TRL背壓選取上，基本都以現(xiàn)場環(huán)境條件下的實際夏季背壓替代統(tǒng)一的11.8 kPa。

針對定電一期機組進行了冷端優(yōu)化工作，通過凝汽器增容、循環(huán)水泵增容等冷端優(yōu)化工作(具體方案見本文3.1節(jié))，可以進一步降低機組背壓，銘牌功率的確定將以冷端優(yōu)化后的夏季背壓為基準。

2.3 技術(shù)方案

采用新一代超超臨界機組的通流技術(shù)進行汽輪機換心改造，增加通流級數(shù)，提高通流效率，大幅降低機組的熱耗，同時對原機組的高溫高壓部件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，解決老機組中存在的安全隱患，提高原機組的運行穩(wěn)定性和可靠性，具體方案如下：

(1)通流級數(shù)調(diào)整，優(yōu)化最優(yōu)速比：高壓通流由原來的I+11級增加至I+12級，中壓通流由原來的2X9 級增加至2X10 級，兩個低壓通流仍為2X7 級(雙流形式);

(2)采用了變反動度的設(shè)計原則，以最佳的氣流特性決定各級的反動度，使各個全三維葉片級均處在最佳的氣動狀態(tài)，提高整個缸的通流效率；

(3)葉片改進：高中低葉片級采用彎扭的馬刀型動、靜葉片，降低葉型和二次流損失；

(4)新型汽封：各級均有迷宮式、高低多齒汽封，過橋處采用可縮放汽封，降低漏汽損失；

(5)末三級動葉采用樅樹型葉根，其他位置采用T型葉根，漏汽損失??；

(6)采用整體內(nèi)缸，且內(nèi)缸設(shè)計為斜撐結(jié)構(gòu)以減小變型，減小漏氣損失，可解決五抽、六抽溫度超溫的問題；

(7)排汽導(dǎo)流環(huán)優(yōu)化，減小余速損失；

(8)整體圍帶葉片、單片銑制、全切削加工、加工精度高；

(9)葉片強度好、動應(yīng)力低、抗高溫蠕變性能好；

(10)采用新型調(diào)節(jié)閥閥桿連接結(jié)構(gòu)，更換新型閥碟型線，解決調(diào)節(jié)閥振動與閥桿斷裂問題；

(11)低壓外缸加固，降低低壓外缸在低真空下的變形量，解決低壓軸承振動大的問題。

3 方案優(yōu)化

3.1 冷端優(yōu)化

為降低機組運行背壓，提升機組循環(huán)效率，開展了冷端優(yōu)化工作，本機組采取的冷端優(yōu)化措施(如表3)包括：(1)循環(huán)水泵葉輪改造，循環(huán)水量由68 000 t/h增加至75 000 t/h；(2)凝汽器增容改造，換熱面積由38 000 m2增加至40 500 m2。采用上述冷端優(yōu)化措施后，機組的設(shè)計背壓由5.4 kPa降低至5.0 kPa。經(jīng)論證分析，考慮低背壓和實際負荷率，若進行冷端優(yōu)化則選用905葉型綜合性能更優(yōu)，否則選用915葉型比較合理。因此，結(jié)合冷端優(yōu)化與末級葉片選型，可以使機組在設(shè)計點的熱耗由7 863 kJ/kWh進一步降低至7 843 kJ/kWh，熱耗深度降低20 kJ/kWh，機組銘牌可以達到620 MW左右。

表3 冷端優(yōu)化效果

為分析冷端優(yōu)化前后機組實際運行工況的效果，統(tǒng)計了定電全年每個月份的平均循環(huán)水入口溫度，按照IEC的計算標準，對處于上述循環(huán)水入口溫度的機組滿負荷工況下，冷端優(yōu)化前后的機組背壓進行了分析，計算結(jié)果如圖1，可見，機組每個月份的背壓均得到大幅降低，尤其是夏季，機組背壓降低明顯。因此，采用冷端優(yōu)化措施后，機組的經(jīng)濟性將得到大幅提升。

圖1 冷端優(yōu)化前后背壓對比

3.2 末級葉片選型

低壓缸末級葉片的選擇，決定了機組變工況的經(jīng)濟性能，葉片選用的基本原則是在實際負荷率的邊界條件下，使機組的全年經(jīng)濟性能最優(yōu)。上汽廠提供了905、915兩種末級葉型供用戶選擇，在設(shè)計背壓5.0 kPa的邊界條件下，選用兩種末級葉型對應(yīng)的汽輪機熱耗見表4。統(tǒng)計了上一年度各個負荷段的實際運行時間，THA、75%THA、50%THA工況的運行時間占總時間的比例分別為46.8%、26.6%、26.6%，并以此為基準計算了改造后兩種葉型對應(yīng)的汽輪機加權(quán)平均熱耗，分別為7 984.8 kJ/kWh、7 986.6 kJ/kWh，因此，考慮全年實際負荷情況，末級葉片選用905葉型最佳。

表4 末級葉片選型對比

3.3 取消中壓轉(zhuǎn)子冷卻蒸汽

受中壓轉(zhuǎn)子首級葉輪材質(zhì)的限制，原機組設(shè)計了從高排引冷卻蒸汽對中壓轉(zhuǎn)子中部進行冷卻，設(shè)計流量7.45 t/h。中壓轉(zhuǎn)子冷卻蒸汽未經(jīng)再熱即進入中壓缸，導(dǎo)致蒸汽焓值下降，增加了汽輪機的熱耗。此外，在實際運行中，中壓轉(zhuǎn)子冷卻蒸汽實際流量遠遠超出設(shè)計流量，在投產(chǎn)后的考核試驗中，1號汽輪機實際冷卻蒸汽流量已高達19.1 t/h左右。經(jīng)建模計算，若取消中壓轉(zhuǎn)子冷卻蒸汽，可使機組熱耗降低約19.9 kJ/kWh。

為避免取消中壓轉(zhuǎn)子冷卻蒸汽后，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)高溫蠕變引起漸進式彎曲的問題，由制造廠對轉(zhuǎn)子的強度進行了校核。經(jīng)過上汽廠校核分析，新設(shè)計的轉(zhuǎn)子，葉根及葉根槽強度、轉(zhuǎn)子強度完全能夠滿足機組在壽命期內(nèi)的安全穩(wěn)定運行的需要，中壓轉(zhuǎn)子不需要采取額外的降溫措施。在規(guī)范運行的情況下，壽命期內(nèi)轉(zhuǎn)子不會發(fā)生彎曲現(xiàn)象，完全能夠保證機組長期安全穩(wěn)定的運行。

3.4 外置式蒸冷器

定電亞臨界600 MW汽輪機第3級回熱抽汽溫度為432.7 ℃，蒸汽過熱度達到231.6 ℃，造成能量品質(zhì)的嚴重浪費。通過加裝外置式蒸汽冷卻器，可以降低蒸汽過熱度，提高最終給水溫度，從而達到能量梯級利用、提高回熱效率的目的。

通過熱平衡計算，得出加裝外置式蒸汽冷卻器可以提高給水溫度約3.5 ℃，使機組熱耗降低14 kJ/kWh，提升了機組的經(jīng)濟性。但由于加裝外置蒸冷器使得3號高加進汽的過熱度大幅降低，經(jīng)過制造廠校核，需對3號高加進行改造。鑒于加裝外置蒸冷器和3號高加改造的費用較高，投資回收期稍長，本次改造階段暫不實施。

3.5 小結(jié)

經(jīng)過上述冷端優(yōu)化、末級葉片選型、取消中壓轉(zhuǎn)子冷卻蒸汽等方案優(yōu)化后，改造后機組的性能保證值見表5，THA工況的預(yù)期熱耗為7 843 kJ/kWh，機組經(jīng)濟性可大幅優(yōu)于改造前。

表5 改造后機組的性能保證值

4 改造效果

本次1號、2號汽輪機通流改造分別于2015年10月、2016年1月開始實施，工期分別為83天、90天。機組啟動后，機組振動情況良好：(1)滿負荷工況，汽輪機整體振動均在優(yōu)良范圍內(nèi)；(2)在低背壓工況(背壓為2.7 kPa)，如表6所示，低壓軸承亦未出現(xiàn)振動偏大的問題，可見，低壓外缸加固取得明顯效果；(3)調(diào)節(jié)閥振動情況良好，至今未出現(xiàn)改造前所發(fā)生的連接套銷釘斷裂以及LVDT連接桿斷裂等問題。

表6 機組振動值

汽輪機性能考核試驗由河北省電力建設(shè)調(diào)整試驗所負責完成，各試驗工況下性能參數(shù)見表7。1號機組試驗熱耗為7 795.5 kJ/kWh，比設(shè)計值低47.5 kJ/kWh，高壓缸效率比設(shè)計值高1.5%，中壓缸效率與設(shè)計值相等；2號機組試驗熱耗為7 798.4 kJ/kWh,比設(shè)計值低44.6 kJ/kWh，高壓缸效率比設(shè)計值高0.7%，中壓缸效率比設(shè)計值高0.4%，達到了預(yù)期效果。通過本次改造，1號、2號汽輪機熱耗分別降低了322.5 kJ/kWh、342.5 kJ/kWh，大幅提升了機組的經(jīng)濟性。

表7 性能試驗數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

綜上所述，本文分析了定電亞臨界600 MW機組改造前性能和存在的問題，確定了預(yù)期目標和改造方案，并對改造方案進行了深度優(yōu)化。改造后，1號汽輪機熱耗為7 795.5 kJ/kWh，高、中壓缸效率分別為89.5%、92.5%；2號汽輪機熱耗為7 798.4 kJ/kWh，高、中壓缸效率分別為88.7%、92.9%，達到了預(yù)期效果。通過本次改造，一期1號、2號汽輪機熱耗分別降低了322.5 kJ/kWh、342.5 kJ/kWh，大幅降低了機組的熱耗率，機組振動情況亦得到明顯改善，提升了機組的經(jīng)濟性和安全性。