江蘇省內(nèi)在役1 000 MW汽輪機(jī)的特點與運行問題

姚永靈，徐 斌

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102)

隨著2006年11月28日華能玉環(huán)電廠1號機(jī)組及同年12月4日華電國際鄒縣發(fā)電廠7號機(jī)組2臺國產(chǎn)1 000 MW超超臨界機(jī)組的相繼投產(chǎn)，國內(nèi)1 000 MW機(jī)組進(jìn)入了快速發(fā)展時期。由于采用了較高的初參數(shù)，提高了蒸汽循環(huán)效率，再加上一些新技術(shù)的應(yīng)用，超超臨界機(jī)組經(jīng)濟(jì)性得到了大幅提高。1 000 MW超超臨界機(jī)組比目前的主力機(jī)組600 MW超臨界機(jī)組煤耗能降低約15 g/（kW·h），比300 MW亞臨界機(jī)組降低的煤耗更是在20 g/（kW·h）以上，因此，越來越多大容量高參數(shù)的1 000 MW超超臨界機(jī)組投產(chǎn)，必將大大提高火電機(jī)組整體經(jīng)濟(jì)性，減少發(fā)電廠二氧化碳和污染物的排放。

1 設(shè)計參數(shù)

我國三大汽輪機(jī)制造廠都采取了與國外公司合作的方式來發(fā)展超超臨界汽輪機(jī)的技術(shù)路線，上海汽輪機(jī)有限公司、哈爾濱汽輪機(jī)有限公司和東方汽輪機(jī)有限公司分別與西門子公司、東芝公司和日立公司合作，生產(chǎn)了各自的1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)。從整體來看，3種機(jī)型都采用了單軸、一次中間再熱、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式、八級回?zé)岢槠姆绞剑邏焊撞捎脝瘟魇?，中壓缸都是對稱雙流式，都有2個雙流低壓缸。3種機(jī)型的主要技術(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 3種機(jī)組主要技術(shù)數(shù)據(jù)

東汽、哈汽機(jī)組為沖動式。上汽機(jī)組為反動式，高、中壓缸級數(shù)較多。從蒸汽參數(shù)來看，2種機(jī)型都采用了600℃的主再熱蒸汽溫度，東汽、哈汽機(jī)組的主汽壓力都為25 MPa，而上汽機(jī)組的主汽壓力較高，達(dá)到26.25 MPa，而且該機(jī)型的主汽壓力還有再提高的空間，這與其獨特的高壓缸結(jié)構(gòu)有關(guān)。3種機(jī)組的設(shè)計熱耗都達(dá)到了相當(dāng)好的水平，相對而言，上汽機(jī)組由于更高的主汽壓力及其獨特的結(jié)構(gòu)，設(shè)計的熱力性能更好一些，其設(shè)計熱耗達(dá)7 319 kJ/kW·h，比哈汽機(jī)組的設(shè)計熱耗低了0.6%。

江蘇省自2007年12月4日第一臺投產(chǎn)到目前為止，已經(jīng)有10臺1 000 MW超超臨界機(jī)組投產(chǎn)，其中2臺是哈汽-東芝機(jī)組，其他都是上汽-西門子機(jī)組，目前正在建設(shè)中的6臺1 000 MW機(jī)組也是上汽-西門子機(jī)組。

2 結(jié)構(gòu)特點

文中討論省內(nèi)已投產(chǎn)的哈汽-東芝和上汽-西門子1 000 MW超超臨界機(jī)組影響熱力性能的幾個主要結(jié)構(gòu)特點。

2.1 高壓缸

哈汽機(jī)組高壓缸內(nèi)外缸都采用了傳統(tǒng)水平中分面形式[1]。上汽機(jī)組采用無中分面的圓筒型高壓缸，高壓外缸為軸向?qū)Ψ滞残谓Y(jié)構(gòu)，內(nèi)缸為對剖垂直中分面筒形結(jié)構(gòu)。圓筒型高壓缸以緊湊的軸向法蘭連接，有很高的承壓能力，可承受更高的壓力和溫度。哈汽機(jī)組還是傳統(tǒng)的4個調(diào)門，通過導(dǎo)汽管與高壓缸相連。而上汽機(jī)組只有2個主汽調(diào)門并直接和汽缸相連，無導(dǎo)汽管，結(jié)構(gòu)緊湊，流動損失大大減小。

對于大容量超超臨界機(jī)組，調(diào)節(jié)級應(yīng)力是影響機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱力性能的關(guān)鍵因素[2]。哈汽機(jī)組采用噴嘴調(diào)節(jié)方式，為了保證調(diào)節(jié)級葉片在部分進(jìn)汽情況下有足夠的強(qiáng)度，不得不使用雙流調(diào)節(jié)級結(jié)構(gòu)（如圖1所示），主汽通過4個高壓調(diào)門分2路逆流進(jìn)入調(diào)節(jié)級，其中一路調(diào)節(jié)級后蒸汽通過180°轉(zhuǎn)向后進(jìn)入壓力級。相對于全周進(jìn)汽方式，雙調(diào)節(jié)級噴嘴調(diào)節(jié)方式的特點是能在低負(fù)荷時保持額定進(jìn)汽壓力，有利于提高循環(huán)效率；其不足是部分進(jìn)汽損失以及汽流轉(zhuǎn)向引起的調(diào)節(jié)級效率較低。

圖1 哈汽-東芝機(jī)組調(diào)節(jié)級

上汽機(jī)組采用全周進(jìn)汽加補(bǔ)汽閥方式，高壓第一級采用斜置靜葉、切向進(jìn)汽（如圖2所示），結(jié)構(gòu)緊湊、損失小。全周進(jìn)汽滑壓運行，無效率相對較低的調(diào)節(jié)級，有利于提高汽輪機(jī)效率。

圖2 上汽-西門子機(jī)組第一級

上汽機(jī)組的高壓缸由于其獨特的圓筒型汽缸、閥門配置和配汽方式，在效率上有明顯優(yōu)勢。而哈汽機(jī)組由于缸體結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)級應(yīng)力的限制，機(jī)組設(shè)計主汽壓力為25 MPa，在超超臨界機(jī)組中是比較低的，另外調(diào)門壓損較大等因素對循環(huán)效率有一定影響。

2.2 中壓缸

與高壓缸類似，哈汽機(jī)組再熱主汽門通過導(dǎo)汽管與汽缸連接，而上汽機(jī)組2個再熱主調(diào)門直接和汽缸相連，有利于減少阻力。上汽機(jī)組中壓第一級也是斜置靜葉、切向進(jìn)汽。雖然2種機(jī)型都采用雙流中壓缸，但排汽管結(jié)構(gòu)有所區(qū)別。哈汽機(jī)組中壓缸有2個排汽口分別與連通管相連。上汽機(jī)組中壓缸則只有1個排汽口布置在汽缸中間頂部，與連通管相連。這樣的布置使中低壓連通管結(jié)構(gòu)緊湊順暢，有利于減少排汽阻力。

這2種機(jī)型中壓缸最大區(qū)別體現(xiàn)在對中壓轉(zhuǎn)子的冷卻方式上。為降低中壓進(jìn)汽前幾級的溫度，必須設(shè)計中壓轉(zhuǎn)子的冷卻蒸汽系統(tǒng)，哈汽機(jī)組冷卻蒸汽來自高壓調(diào)節(jié)級后的節(jié)流蒸汽，通過冷卻蒸汽管進(jìn)入中壓汽輪機(jī)，利用菌型葉根與葉輪的預(yù)留間隙流動，冷卻中壓前2級葉根。上汽機(jī)組對中壓轉(zhuǎn)子的冷卻方式比較獨特，在中壓缸進(jìn)口有4個切向進(jìn)汽孔，將蒸汽引入進(jìn)汽室與轉(zhuǎn)子之間并加速形成渦流，蒸汽能量轉(zhuǎn)換為動能后，溫度可下降15℃左右，起到冷卻中壓轉(zhuǎn)子的作用。

2.3 低壓缸

無論沖動式還是反動式汽輪機(jī)，低壓缸部分結(jié)構(gòu)基本相近。2種機(jī)型都采用了2個雙流低壓缸，共4個流程，每個流程都包含6級。

哈汽機(jī)組的48英寸末級葉片高度達(dá)到了傳統(tǒng)葉片材料的極限長度，是目前最長的汽輪機(jī)葉片，排汽面積比上汽機(jī)組大8.3%。更大的排汽面積有利于降低余速損失，提高汽輪機(jī)整體效率。

3 實際熱力性能及存在的問題

國內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)的1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)都進(jìn)行了性能考核，從試驗結(jié)果來看，各種機(jī)型都達(dá)到了制造廠的熱耗保證值?？紤]到考核試驗考核的是汽輪機(jī)本體，熱力系統(tǒng)一般不在考核范圍之內(nèi)，考核的邊界條件較多而且比較嚴(yán)格，導(dǎo)致試驗結(jié)果修正項目較多和修正量較大，再加上進(jìn)行考核試驗時汽輪機(jī)都處于剛投產(chǎn)時新的狀態(tài)或者考慮了老化修正，這些因素導(dǎo)致考核試驗結(jié)果并不一定能全面反應(yīng)整個汽輪機(jī)的實際性能，尤其不能反應(yīng)經(jīng)過一段時間運行后處于相對穩(wěn)定狀態(tài)下汽輪機(jī)的實際性能。

省內(nèi)哈汽1 000 MW機(jī)組投產(chǎn)已有4年，上汽機(jī)組投產(chǎn)也有近3年的時間，這些機(jī)組陸續(xù)進(jìn)行了多次的性能試驗，通過對各1 000 MW機(jī)組歷次性能試驗以及運行統(tǒng)計情況分析，目前1 000 MW機(jī)組實際的熱耗水平在7 450～7600 kJ/（kW·h），與熱耗設(shè)計值之間有一定差距，一方面是汽輪機(jī)本體性能下降，另一方面是熱力系統(tǒng)的狀態(tài)造成的。在機(jī)組運行及性能試驗過程中，發(fā)現(xiàn)如下幾個問題。

3.1 主汽調(diào)門壓損問題

哈汽機(jī)組采用傳統(tǒng)的噴嘴調(diào)節(jié)方式，除了部分進(jìn)汽損失，還存在調(diào)門節(jié)流損失，試驗發(fā)現(xiàn)該機(jī)組調(diào)門即使在全開狀態(tài)下節(jié)流壓損也較大，影響了高壓缸實際運行效率，該機(jī)組實測高壓缸效率在87%左右。

上汽廠機(jī)組采用無調(diào)節(jié)級方式，全周進(jìn)汽，沒有部分進(jìn)汽損失，而且調(diào)門節(jié)流損失也達(dá)到最小，在閥門全開狀態(tài)下，高壓缸試驗效率可以達(dá)到91%。該機(jī)組高壓缸設(shè)計了1個補(bǔ)汽閥，其作用是在夏季高背壓情況下保證機(jī)組出力，實際運行情況表明2個主調(diào)門基本能滿足出力的要求，夏季滿負(fù)荷一般也無需開補(bǔ)汽閥。但是，為了滿足電網(wǎng)調(diào)頻的要求，實際運行時機(jī)組調(diào)門并沒有處于全開狀態(tài)，而是處于節(jié)流狀態(tài)（保留5%左右的流量裕量）以提高機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力，這種運行狀態(tài)實際上消弱了該機(jī)組全周進(jìn)汽設(shè)計在經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)越性，導(dǎo)致高壓缸效率降低1%左右。

對于上汽機(jī)組而言，如何在滿足電網(wǎng)調(diào)頻要求的前提下盡可能使調(diào)門節(jié)流損失降到最低，充分發(fā)揮其設(shè)計上的優(yōu)勢，是值得研究的課題。

3.2 汽封漏汽偏大問題

汽輪機(jī)動靜間隙之間漏汽量對汽輪機(jī)效率影響很大。抽汽溫度相對于設(shè)計值的偏高程度可以比較直觀反映缸內(nèi)汽封漏汽情況。因為汽輪機(jī)動靜間隙逐步變大難以避免，所以抽汽溫度偏高是普遍存在的現(xiàn)象。相對而言哈汽機(jī)組抽汽溫度偏高比較明顯，特別是低壓缸的第5級和第6級抽汽，嚴(yán)重時超溫達(dá)30℃多。其原因可能是該低壓缸容易變形，導(dǎo)致動靜間隙變大，而且很難消除。另外，汽封的形式和性能也是影響因素。與汽缸內(nèi)汽封漏汽類似，軸端汽封漏汽量也存在偏大的問題。如曾經(jīng)在性能試驗中測量上汽機(jī)組高壓缸軸封去中壓缸排汽口的漏汽量，比設(shè)計值大了近1倍。

解決汽封漏汽偏大問題，有些可以通過更換性能更好的汽封或在檢修過程中調(diào)整汽封間隙來解決。但對于汽缸變形等因素導(dǎo)致的漏汽量偏大則較難解決，需要對汽缸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

3.3 冷卻蒸汽量問題

哈汽機(jī)組中壓轉(zhuǎn)子的冷卻采用了傳統(tǒng)的從高壓缸調(diào)節(jié)級后引入較低溫蒸汽的方法，其流量是通過節(jié)流孔和閥門控制的，但實際上該流量很難合理控制，導(dǎo)致該流量大大高于設(shè)計值，在某次試驗中應(yīng)用間接測量的方法對該流量進(jìn)行了測量，結(jié)果是達(dá)到了54 t/h，而設(shè)計流量只有不到20 t/h，過大的冷卻蒸汽繞過高壓缸直接進(jìn)入中壓缸，將大大影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

3.4 熱力系統(tǒng)問題

除了汽輪機(jī)本體的性能，影響機(jī)組性能的另一個重要因素是與之配套的熱力系統(tǒng)運行狀態(tài)的好壞。如回?zé)峒訜崞餍阅?、凝汽器性能等等。在實際生產(chǎn)中普遍存在的是系統(tǒng)工質(zhì)泄漏問題，系統(tǒng)泄漏包括內(nèi)漏和外漏，需要重視各種疏水管路、蒸汽旁路等容易發(fā)生泄漏部位的維護(hù)，提高機(jī)組運行的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)束語

超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)的投產(chǎn)，使我國火力發(fā)電機(jī)組的運行效率達(dá)到了一個更高的水平。不同制造廠的產(chǎn)品有各自的設(shè)計風(fēng)格和機(jī)構(gòu)特點，在生產(chǎn)過程中也表現(xiàn)出不同的優(yōu)勢和問題，應(yīng)根據(jù)機(jī)組本身特點，優(yōu)化運行方式，消除缺陷，提高機(jī)組運行的經(jīng)濟(jì)性。

[1]何阿平，彭澤瑛.1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢與結(jié)構(gòu)特點[J].上海電力，2005（4）：337-341.

[2]朱寶田.三種超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)簡介[C].中國超超臨界火電機(jī)組技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第二屆年會，2006.