兩種300MW機(jī)組整體通流部分改造技術(shù)異同分析

史嘯曦，顧 敏

（1.上海外高橋發(fā)電有限責(zé)任公司，上海 200137；2.上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海 200090）

0 引言

外高橋電廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)組是上汽廠引進(jìn)型300MW，屬于第二批改進(jìn)型（C156），3號(hào)、4號(hào)機(jī)組是上汽廠引進(jìn)型300MW，屬于第三批改進(jìn)型（F156）。經(jīng)過(guò)十多年的運(yùn)行，出現(xiàn)機(jī)組老化、葉片損壞等問(wèn)題，對(duì)電廠的經(jīng)濟(jì)性和可靠性帶來(lái)很大影響。目前機(jī)組主要存在以下問(wèn)題：高壓噴嘴組損壞；低壓缸次末級(jí)葉片斷裂；高壓缸效率偏低；低壓缸中分面漏汽。

外高橋發(fā)電有限責(zé)任公司于2008年10月到2011年6月，對(duì)國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型300MW機(jī)組進(jìn)行整體通流部分改造，其中1號(hào)、2號(hào)機(jī)組采用西屋公司的改造技術(shù)，3號(hào)、4號(hào)機(jī)組采用西門(mén)子公司百萬(wàn)級(jí)大容量機(jī)組的改造技術(shù)。這次改造使機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性、可靠性及運(yùn)行靈活性均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。改造后的汽輪發(fā)電機(jī)組銘牌（額定）出力為的320MW，降低煤耗達(dá)10g／kWh以上，設(shè)備運(yùn)行安全可靠，達(dá)到了改造目標(biāo)。

1 兩種汽輪機(jī)通流部分整體改造技術(shù)的異同

1.1 改造目標(biāo)的異同

1）改造目標(biāo)的相同之處：

（1）改造后汽輪機(jī)銘牌（額定）出力不低于320MW。

（2）改造后機(jī)組在額定主蒸汽參數(shù)及再熱蒸汽參數(shù)、高加全部切除的條件下，額定背壓時(shí)能發(fā)出額定功率。

（3）改造后機(jī)組在熱耗率驗(yàn)收工況（THA）下，在80%、60%、40%額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)也能保持較低的熱耗率。

（4）改造后機(jī)組在閥門(mén)全開(kāi)工況（VWO）出力運(yùn)行時(shí)，各通流部分的部件滿足強(qiáng)度要求，調(diào)節(jié)級(jí)及各抽汽壓力不超過(guò)設(shè)計(jì)最大值。

（5）改造后機(jī)組具有良好的變負(fù)荷性能，能采用復(fù)合變壓運(yùn)行方式，并且能在120MW負(fù)荷下長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定運(yùn)行，50%～100%在額定工況下補(bǔ)水率為0的連續(xù)工況（T-MCR）增減負(fù)荷速率不小于5%／min；閥門(mén)管理功能滿足單閥、順序閥以及各種閥點(diǎn)的滑壓運(yùn)行要求。

（6）改造后汽輪機(jī)在技術(shù)性能方面，能滿足電網(wǎng)調(diào)峰要求以及具有二班制運(yùn)行功能要求。

（7）通過(guò)改造消除機(jī)組存在的高壓噴嘴組損壞、低壓缸次末級(jí)葉片斷裂、高壓缸效率偏低、低壓缸中分面漏汽等主要問(wèn)題，以提高機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

（8）改造后設(shè)備具有30年的使用壽命。

2）改造目標(biāo)的不同之處，如表1所示。

表1 改造目標(biāo)的不同之處

1.2 改造范圍

西屋技術(shù)、百萬(wàn)級(jí)大容量技術(shù)的改造范圍全完相同，具體如下。

1）高、中、低壓缸通流部分。

2）高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子。

3）高中壓內(nèi)缸、低壓內(nèi)缸。

4）其他部件中低壓缸連通管、聯(lián)軸器護(hù)罩和蓋板、盤(pán)車(chē)大齒輪、差脹指示儀及支架。

1.3 改造后的差異

1）各典型工況下機(jī)組出力和熱耗率的差異，如表2所示。

2）不同額定出力時(shí)汽輪發(fā)電機(jī)組熱耗率的差異，如表3所示。

表2 各典型工況下機(jī)組出力和熱耗率的差異

表3 不同額定出力時(shí)汽輪發(fā)電機(jī)組熱耗率差異

3）不同額定出力時(shí)汽輪機(jī)缸效率差異，如表4所示。

表4 不同額定出力時(shí)汽輪機(jī)缸效率差異 %

在表4中，高、中壓缸效率包括蒸汽閥門(mén)的損失；低壓缸效率包括排汽缸損失。

4）汽輪機(jī)的零部件（不包括易損件）的設(shè)計(jì)使用壽命不少于30年，在其壽命期內(nèi)能承受下列工況：

（1）冷態(tài)起動(dòng)（停機(jī)72h以上，且汽缸金屬壁溫已低于該測(cè)量點(diǎn)滿負(fù)荷時(shí)金屬壁溫值的40%以下）300次。

（2）溫態(tài)起動(dòng)（停機(jī)10～72h，且壁溫為原值的40%～80%）1000次。

（3）熱態(tài)起動(dòng)（停機(jī)10h以下，且壁溫為原值的80%以上）3000次。

（4）極熱態(tài)起動(dòng)（停機(jī)小于1.5h，且壁溫接近原值）150次。

（5）負(fù)荷階躍（負(fù)荷變化大于10%）12000次。

這些總壽命消耗不大于汽輪機(jī)的零部件（不包括易損件）的設(shè)計(jì)使用壽命的75%。

1.4 主要改造措施的異同

1）高壓缸改進(jìn)措施的異同，如表5所示。

表5 高壓缸改進(jìn)措施的異同

2）中壓缸改進(jìn)措施的異同，如表6所示。

表6 中壓缸改進(jìn)措施的異同

3）低壓缸改進(jìn)措施的異同，如表7所示。

表7 低壓缸改進(jìn)措施的異同

4）其他改造措施的異同，如表8所示。

表8 其他改造措施的異同

2 兩種技術(shù)改造中主要新技術(shù)的應(yīng)用

2.1 汽缸部分采用全三元流場(chǎng)設(shè)計(jì)

在改造過(guò)程中，高中壓汽缸部分和低壓汽缸部分都采用了最先進(jìn)的全三元流場(chǎng)設(shè)計(jì)，是基于N-S全三元?dú)鈩?dòng)計(jì)算技術(shù)設(shè)計(jì)，比原來(lái)兩元流場(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)更能準(zhǔn)確模擬不同工況之間的相對(duì)變化以及全場(chǎng)參數(shù)的分布規(guī)律，如圖1所示。

圖1 基于全三元?dú)鈩?dòng)計(jì)算技術(shù)的流場(chǎng)設(shè)計(jì)

2.2 高效反動(dòng)式全三維全馬刀動(dòng)靜葉片

此新型葉片的設(shè)計(jì)也是基于全三元理論，減少了靜葉葉根部轉(zhuǎn)折角，沿葉高等反動(dòng)度分布，如圖2所示。

圖2 全三維全馬刀動(dòng)靜葉片

2.3 無(wú)中心孔轉(zhuǎn)子

隨著轉(zhuǎn)子材質(zhì)和鍛造手段的改進(jìn)，改造使用了無(wú)中心孔轉(zhuǎn)子，使最大應(yīng)力下降50%，并且加快了冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間，可縮短約3h，提高了高壓缸通流效率，如圖3所示。

圖3 無(wú)中心孔轉(zhuǎn)子

2.4 強(qiáng)化的樅樹(shù)形葉根型線

本次使用強(qiáng)化的樅樹(shù)形葉根型線，可以使應(yīng)力集中下降50%，動(dòng)應(yīng)力下降10%～30%，提高了抗低周疲勞性能，滿足1號(hào)機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行的需要，如圖4所示。

圖4 強(qiáng)化的樅樹(shù)形葉根型線

2.5 自帶圍帶動(dòng)葉

在高中壓缸部分的改造中使用了自帶圍帶動(dòng)葉設(shè)計(jì)，與無(wú)圍帶動(dòng)葉相比，具有降低振動(dòng)應(yīng)力、降低圍帶連接部分離心應(yīng)力、抗蠕變破壞，抗腐蝕坑等優(yōu)點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 自帶圍帶動(dòng)葉

2.6 采用了高性能的材料

在改造中，高壓及中壓第一級(jí)動(dòng)葉和566～593℃的超臨界機(jī)組采用了具有600℃更高疲勞強(qiáng)度的新材料10705Z2。低壓末二級(jí)葉片采用比12Cr鋼具有更高抗腐蝕性的材料17-4PH。

2.7 應(yīng)用了布萊登汽封

在改造中，1號(hào)機(jī)組在高壓側(cè)平衡活塞汽封、高壓排汽側(cè)平衡活塞汽封、中壓側(cè)平衡活塞汽封中使用布萊登汽封（見(jiàn)圖6），以達(dá)到減少汽封磨損，保持機(jī)組效率的作用。

圖6 布萊登汽封

2.8 汽缸端汽封應(yīng)用了蜂窩汽封

在高中壓缸端汽封和低壓缸端汽封處使用了蜂窩汽封，蜂窩式密封在結(jié)構(gòu)上是由厚為0.05～0.10mm的海斯特（Hasttelloy-X）高溫合金制成正六邊形的蜂窩狀，以取代梳齒式密封的梳齒，具有耐磨損、不傷軸、壽命長(zhǎng)、密封效果好等優(yōu)點(diǎn)。其密封機(jī)理使這種蜂窩狀結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生很強(qiáng)的渦流和屏障，從而形成很大的阻尼而達(dá)到阻止工質(zhì)泄漏的密封效果。蜂窩式密封在最小的材料質(zhì)量下能保證密封具有最大的強(qiáng)度；允許在高壓降下應(yīng)用且不增加密封的尺寸；簡(jiǎn)化了渦輪機(jī)組安裝和修理時(shí)的裝配工作，比梳齒密封具有更好的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性。

蜂窩狀密封比梳齒式密封減少泄漏量，節(jié)能效果顯著，如圖7所示。

圖7 蜂窩汽封結(jié)構(gòu)

3 改進(jìn)后的效果比較

3.1 改造前后熱耗比較

1）西屋技術(shù)改造前后的熱耗率比較，如表9所示。汽輪機(jī)通流部件改造后熱耗率平均下降約3.5%（相應(yīng)降低機(jī)組煤耗率約3.5%）。需要指出的是，改造前熱耗率試驗(yàn)是在汽輪機(jī)運(yùn)行6年后（一個(gè)大修周期）進(jìn)行，此時(shí)性能最差；改造后熱耗率試驗(yàn)是在汽輪機(jī)為全新?tīng)顟B(tài)下進(jìn)行，此時(shí)性能最好。因此，表9中顯示的改造前后熱耗率差值為最大值。較為科學(xué)的比較方法為，采用汽輪機(jī)改造前和改造后運(yùn)行6年（一個(gè)大修周期）的熱耗率平均水平進(jìn)行比較，能較合理地反映汽輪機(jī)改造后的實(shí)際效果。依據(jù)汽輪機(jī)隨運(yùn)行時(shí)間的老化規(guī)律，此方法確定的汽輪機(jī)改造前后的熱耗率差值比上述最大值減小0.5%～0.8%。

表9 西屋技術(shù)改造前后的熱耗率比較

2）百萬(wàn)級(jí)大容量技術(shù)改造前后的熱耗率比較，如表10所示。

表10 百萬(wàn)級(jí)大容量技術(shù)改造前后的熱耗率比較

3.2 改造后的煤耗比較

改造后的性能試驗(yàn)表明，在300MW擴(kuò)容到320MW的基礎(chǔ)上，改造后在負(fù)荷300MW時(shí)煤耗降低約11g／kWh，在負(fù)荷320MW時(shí)煤耗可降低約12g／kWh。達(dá)到改造的目標(biāo)，提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和效率，取得了較好的效果。

1）西屋技術(shù)改造前后的煤率比較，如表11所示。

表11 西屋技術(shù)改造前后的煤率比較

由表11可知，在額定工況下，機(jī)組改造（大修）后的供電煤耗率約為309.5g／kWh，比改造（大修）前的供電煤耗率（324.4g／kWh）約降低了14.9g／kWh，下降了約4.6%。

2）百萬(wàn)級(jí)大容量技術(shù)改造前后的煤率比較，如表12所示。

表12 百萬(wàn)級(jí)大容量技術(shù)改造前后的煤率比較

由表12可知，機(jī)組改造（大修）前的供電煤耗率對(duì)機(jī)組負(fù)荷加權(quán)平均值為328.3g／kWh；而機(jī)組改造（大修）后的供電煤耗率對(duì)機(jī)組負(fù)荷加權(quán)平均值為316.1g／kWh，比改造（大修）前降低了12.2g／kWh，下降了約3.7%。

4 結(jié)語(yǔ)

1）從實(shí)際效果看，改造項(xiàng)目總體達(dá)到了降低煤耗、提高效率、消除安全隱患的良好效果，尤其是在目前節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境下，對(duì)于一些老機(jī)組如何能煥發(fā)出新的生命力，具有一定的推廣價(jià)值和借鑒作用。

2）從1號(hào)、2號(hào)機(jī)組采用的西屋改造技術(shù)與3號(hào)、4號(hào)機(jī)組采用的百萬(wàn)級(jí)大容量改造技術(shù)相比，百萬(wàn)級(jí)大容量改造技術(shù)更具有潛力并且代表了新的改造技術(shù)方向。

3）通過(guò)運(yùn)用目前最先進(jìn)的汽輪機(jī)通流部分改造技術(shù)手段，使得機(jī)組的煤耗降低了10g／kWh以上，設(shè)備運(yùn)行安全可靠，達(dá)到了改造的目標(biāo)。