國產(chǎn)300 MW汽輪機(jī)高壓缸噴嘴節(jié)能改造實(shí)踐

殷宏業(yè)，陳言軍

（1.大唐清苑熱電有限公司，河北　保定　071000；2.國電菏澤發(fā)電有限公司，山東　菏澤　274032）

·發(fā)電技術(shù)·

國產(chǎn)300 MW汽輪機(jī)高壓缸噴嘴節(jié)能改造實(shí)踐

殷宏業(yè)1，陳言軍2

（1.大唐清苑熱電有限公司，河北保定071000；2.國電菏澤發(fā)電有限公司，山東菏澤274032）

某電廠1號汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組隨著負(fù)荷的降低，高壓缸和調(diào)節(jié)級效率降低較大，機(jī)組熱耗率升高，通過對高壓缸調(diào)節(jié)級噴嘴進(jìn)行改造，提高了調(diào)節(jié)級效率，從而提高了汽輪機(jī)高壓缸效率，降低熱耗率，達(dá)到了節(jié)能的目的。

汽輪機(jī)；高壓缸；熱耗率；調(diào)節(jié)級；噴嘴

0　引言

某電廠1號300 MW汽輪機(jī)是上海某汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的C300/226-16.7/0.43/537/537型亞臨界、單軸、一次中間再熱、高中壓合缸、雙缸雙排汽、抽汽凝汽式汽輪機(jī)，該機(jī)組于2012-11-20完成168 h試運(yùn)并投入商業(yè)運(yùn)行，2013年機(jī)組性能考核試驗(yàn)結(jié)果顯示，汽輪機(jī)高壓缸效率明顯低于設(shè)計(jì)值。

1　汽輪機(jī)熱力性能方面存在的問題

為了考核機(jī)組的熱力性能，某電廠進(jìn)行1號汽輪機(jī)的性能考核試驗(yàn)。在六閥全開（6VWO）、五閥全開（5VWO）、100%額定負(fù)荷、80%額定負(fù)荷、60%額定負(fù)荷。根據(jù)試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果見表1。

1.1機(jī)組熱耗偏高

根據(jù)表1熱工院試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及熱力特性書得到：

熱耗率保證工況（THA）經(jīng)過一類、二類修正后的熱耗率為8 153.5 kJ/kWh，高出設(shè)計(jì)值7 991.5 kJ/kWh約162.0 kJ/kWh，高出保證值約2%。

六閥全開（6VWO）工況下試驗(yàn)熱耗率為8 328.1 kJ/kWh，經(jīng)過一類、二類修正后熱耗率為8 136.2 kJ/kWh，高出設(shè)計(jì)值 7 974.4 kJ/kWh約161.8 kJ/kWh。

1.2高壓缸效率偏低

根據(jù)1號汽輪機(jī)熱力特性，定壓運(yùn)行時(shí)，五閥全開（5VWO）工況下高壓缸效率設(shè)計(jì)值為84.5%，由表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，在5VWO工況下1號汽輪機(jī)高壓缸平均效率為79.92%，低于設(shè)計(jì)值4.58%，影響機(jī)組熱耗60.1 kJ/kWh以上。六閥全開（6VWO）工況下高壓缸效率設(shè)計(jì)值為85.8%，在6VWO工況下1號汽輪機(jī)高壓缸效率為81.03%，低于設(shè)計(jì)值4.77%，影響機(jī)組熱耗80.0 kJ/kWh以上。

高壓缸效率低的原因分析。汽輪機(jī)高壓缸效率取決于調(diào)節(jié)級和高壓各壓力級的效率，不同負(fù)荷工況下高壓各壓力級的效率變化較小 （類似于中壓缸效率），因此不同負(fù)荷下高壓缸效率變化主要取決于調(diào)節(jié)級的效率變化。由表1可知1號機(jī)隨著負(fù)荷的降低，高壓缸和調(diào)節(jié)級效率降低，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷由100%負(fù)荷工況下降為60%滑壓運(yùn)行負(fù)荷工況時(shí)，高壓缸效率由79.65%迅速下降為72.78%，其壓力級效率基本不變，而其調(diào)節(jié)級效率由55.63%降低為49.12%，調(diào)節(jié)級效率迅速下降是高壓缸效率大幅降低的根本原因。

表1　1號汽輪機(jī)目前部分運(yùn)行數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果

表2列出了不考慮重?zé)嵝?yīng)時(shí)調(diào)節(jié)級效率降低10%對汽輪機(jī)熱力性能的影響數(shù)據(jù)。由表2可以看出，在VWO工況下，若調(diào)節(jié)級效率降低10%，高壓缸效率將下降1.74%；在THA工況下，若調(diào)節(jié)級效率降低10%，高壓缸效率將下降2.29%。隨著機(jī)組負(fù)荷降低，調(diào)節(jié)級功率占整機(jī)/高壓缸的功率份額逐漸增大，2013年火電機(jī)組平均負(fù)荷為75%左右，調(diào)節(jié)級效率對汽輪機(jī)高壓缸效率的影響增大，對熱耗的影響也隨之增加。

1.3噴嘴組通流面積偏大

根據(jù)制造廠提供的汽輪機(jī)熱力性能數(shù)據(jù)，由噴嘴流量公式計(jì)算得到汽輪機(jī)噴嘴組通流面積比實(shí)際需要的面積偏大。表3列出了該汽輪機(jī)噴嘴組通流面積與通流能力的關(guān)系。

表2　調(diào)節(jié)級效率降低10%對汽輪機(jī)熱力性能的影響

表3　噴嘴組通流面積與通流能力的關(guān)系

由表3可知，當(dāng)噴嘴組通流面積為196.69 cm2時(shí)，在額定的主汽參數(shù)下，4個(gè)調(diào)節(jié)閥門全部打開時(shí)，其通流能力可以滿足鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量對噴嘴組通流能力的要求，噴嘴組的設(shè)計(jì)通流面積比實(shí)際需要面積偏大7%。本機(jī)組考核試驗(yàn)時(shí)6VWO工況下參數(shù)修正后主蒸汽流量平均值為1 048.36 t/h，較設(shè)計(jì)值1 025 t/h高23.36 t/h。本機(jī)組在5VWO工況時(shí)其通流能力將達(dá)到953.85 t/h，較設(shè)計(jì)主汽流量919.37 t/h高34.48 t/h。

當(dāng)汽輪機(jī)在較高真空或低負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，由于噴嘴組通流面積過大，若提高主汽壓力，需關(guān)小調(diào)門開度，則調(diào)節(jié)級內(nèi)效率下降，高壓缸效率降低；若降低主汽壓力，開大調(diào)門，則蒸汽初參數(shù)降低，汽輪機(jī)循環(huán)效率下降。噴嘴組通流面積過大，使得汽輪機(jī)始終處于偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)較大的運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性下降；而在部分負(fù)荷工況下，噴嘴組通流面積過大將導(dǎo)致閥門開度減小，節(jié)流損失增大，調(diào)節(jié)級效率和高壓缸效率降低［1］。

2013年度，全國火電機(jī)組的平均利用小時(shí)數(shù)預(yù)計(jì)為4 500 h左右，平均負(fù)荷率為75%左右。在機(jī)組負(fù)荷率偏低的實(shí)際情況下，采用先進(jìn)技術(shù)對噴嘴組實(shí)施改造，通過合理縮小并優(yōu)化設(shè)計(jì)噴嘴組通流面積，對于提高機(jī)組部分負(fù)荷工況下的經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

2　調(diào)節(jié)級噴嘴組改造后對機(jī)組供熱能力影響

對噴嘴組改造后，調(diào)節(jié)級的效率將得到大幅度提升，在5閥工況下調(diào)節(jié)級效率可以達(dá)到62%以上。在相同的主進(jìn)汽流量、主蒸汽和再熱蒸汽參數(shù)下，改造后由于效率提高，調(diào)節(jié)級級后溫度及高壓缸排汽溫度將比改造前下降。由于改造前機(jī)組調(diào)節(jié)級效率及高壓缸效率一般均明顯低于設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致調(diào)節(jié)級級后及高壓缸排汽溫度均明顯高于設(shè)計(jì)值，如某機(jī)組改造前5VWO工況下高排溫度為332.1℃，比設(shè)計(jì)值317.6℃高出14.5℃。改造后高排溫度及調(diào)節(jié)級溫度將明顯降低。由于鍋爐再熱器的熱容量是按設(shè)計(jì)高壓缸排汽溫度設(shè)計(jì)的，因此其熱容量完全能夠滿足調(diào)節(jié)級改造后冷再熱蒸汽吸熱量的需求，即噴嘴組改造對汽輪機(jī)中壓缸進(jìn)、排汽參數(shù)（壓力、溫度等）沒有影響。

噴嘴組面積適當(dāng)縮小后，其通流能力能夠滿足汽輪機(jī)最大可能的進(jìn)汽流量對噴嘴組通流能力的要求。即噴嘴組改造對汽輪機(jī)最大供熱抽汽量沒有影響。當(dāng)抽相同流量的蒸汽對外供熱時(shí)，改造后由于經(jīng)濟(jì)性能的提高，機(jī)組的電負(fù)荷將比改造前有所增大。

綜上所述，調(diào)節(jié)級噴嘴組改造對機(jī)組供熱能力沒有任何影響。

3　汽輪機(jī)噴嘴組改造方案

3.1優(yōu)化噴嘴組葉片型線及子午面收縮型線

通過數(shù)值模擬優(yōu)化噴嘴組葉片型線 （如圖1所示），改善調(diào)節(jié)級動(dòng)、靜葉片的氣動(dòng)載荷分布，減少葉柵通道汽流的二次流動(dòng)損失；優(yōu)化子午面收縮型線及通道收縮比（如圖2所示，CR為通道收縮比，H1為出汽變?nèi)~高，H2為喉口高度），降低靜葉通道前段的負(fù)荷，減少葉柵的二次流損失。

圖1　噴嘴組葉片型線優(yōu)化

圖2　噴嘴組葉片子午面型線優(yōu)化

3.2先進(jìn)的蒸汽泄漏控制技術(shù)

圖3　改進(jìn)后的調(diào)節(jié)級汽封

圖4　泄漏量與主流相互作用流場

增加葉頂汽封齒道數(shù)，將葉頂汽封齒數(shù)由原設(shè)計(jì)的1道增加至3道（如圖3所示），同時(shí)減小調(diào)節(jié)級葉頂及葉根汽封的徑向間隙；在噴嘴組水平中分面上增加門型密封鍵（如圖4所示），減少噴嘴組中分面處弧段之間的漏汽損失。通過上述措施保證蒸汽以正確的方向最大限度地進(jìn)入動(dòng)葉通道做功。

3.3適當(dāng)縮小噴嘴組出口面積

隨著我國電力工業(yè)的發(fā)展，300 MW等級汽輪機(jī)組在電網(wǎng)中的角色已由帶基本負(fù)荷機(jī)組向調(diào)峰機(jī)組轉(zhuǎn)變，負(fù)荷率也呈現(xiàn)逐步下降的趨勢。300 MW等級機(jī)組的噴嘴組出口面積過大將對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生不利影響，在部分負(fù)荷工況尤其是70%及以下負(fù)荷工況，過大的噴嘴組出口面積將導(dǎo)致調(diào)節(jié)級效率、高壓缸效率以及機(jī)組的循環(huán)熱效率顯著下降。因此，在保證機(jī)組出力能力的前提下，合理設(shè)計(jì)并適當(dāng)縮小噴嘴組出口面積，有利于提高汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率和機(jī)組的循環(huán)熱效率［2-3］。

新噴嘴組出口面積的設(shè)計(jì)方面遵循的原則為：在充分調(diào)研并掌握擬改造汽輪機(jī)及其冷端系統(tǒng)等設(shè)備及系統(tǒng)的實(shí)際性能的基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)組的負(fù)荷率情況及夏季工況的背壓情況，適當(dāng)縮小噴嘴組出口面積，達(dá)到減少閥門節(jié)流損失、提高調(diào)節(jié)級效率；提高機(jī)組循環(huán)熱效率，改善機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行工況的經(jīng)濟(jì)性的目的。根據(jù)汽輪機(jī)廠家提供的熱力特性書以及汽輪機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，通過準(zhǔn)確計(jì)算確定噴嘴組通流面積。

按照機(jī)組目前的額定出力，常用的面積設(shè)定為185～190 cm2，以上面積均能滿足機(jī)組實(shí)際出力要求，但是考慮的側(cè)重點(diǎn)不同；噴嘴面積取185 cm2，側(cè)重考慮同樣通流能力下進(jìn)氣閥開度大，有利于減小節(jié)流損失，噴嘴面積設(shè)計(jì)為190 cm2，側(cè)重考慮到極端惡劣工況下機(jī)組出力能力以及機(jī)組性能隨著時(shí)間推移整體性能下降帶來的做功能力的降低。根據(jù)負(fù)荷水平以及實(shí)際情況，結(jié)合大多數(shù)已經(jīng)改造廠家的改造實(shí)際情況，將噴嘴組新設(shè)計(jì)的面積確定為187～188 cm2較為合理，即兼顧了減小閥門節(jié)流損失，又留有一定的裕度，滿足機(jī)組長期運(yùn)行的需要。

3.4改進(jìn)噴嘴組汽道加工工藝

圖5、圖6所示，通過對改造前后噴嘴組對比可以看出噴嘴組材質(zhì)采用綜合性能優(yōu)良的1Cr12W1MoV鍛件，并優(yōu)化噴嘴組汽道加工工藝，應(yīng)用紫銅電極電溶解加工噴嘴汽道，改善汽道加工精度及抗固體顆粒沖蝕的能力。

圖5　運(yùn)行一段時(shí)間后的噴嘴組

3.5定制式設(shè)計(jì)加工技術(shù)

通過對汽輪機(jī)揭缸后的調(diào)節(jié)級有關(guān)尺寸進(jìn)行實(shí)際測量，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行二次設(shè)計(jì)和加工，調(diào)整噴嘴和動(dòng)葉蓋度及節(jié)圓直徑等，確保動(dòng)、靜葉片匹配良好。

3.6改進(jìn)型噴嘴組裝配工藝

改進(jìn)型噴嘴組與高壓內(nèi)缸的裝配工藝，優(yōu)化高壓內(nèi)缸的安裝、檢修工藝，保證調(diào)節(jié)級噴嘴改造后噴嘴中心與轉(zhuǎn)子中心一致 （即調(diào)節(jié)級汽封的徑向間隙在360°范圍內(nèi)保持一致）。

4　結(jié)語

改造后機(jī)組煤耗（標(biāo)煤）可以降低1～2 g/kWh以上。若改造后機(jī)組的年利用小時(shí)數(shù)為5 000 h，則每年至少可以節(jié)省煤耗（標(biāo)煤）3 000 t。若標(biāo)煤價(jià)格以500元/t進(jìn)行計(jì)算，則改造后每年至少可以獲得收益150萬元。對汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級噴嘴組進(jìn)行改造，改造后汽輪機(jī)的性能（安全性、經(jīng)濟(jì)性）得到有效改善，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的［4］。試驗(yàn)工況下，發(fā)電機(jī)功率為299 416.95 kW，汽輪機(jī)熱耗率為8 083.76 kJ/kWh，經(jīng)一、二類修正后熱耗率為8 076.74 kJ/kWh，比修正后熱耗率8 153.50 kJ/kWh，減少76.76 kJ/kWh，高壓缸效率為81.53%，比修前79.92%提高1.61%。

［1］沈士一，莊賀慶，康松，等.汽輪機(jī)原理［M］.北京：中國電力出版社，1992.

［2］史新剛.汽輪機(jī)閥序問題的研究與改進(jìn)［J］.電力科學(xué)與工程，2010，26（4）：75-78.

［3］李前敏，柏毅輝.汽輪機(jī)閥門流量特性優(yōu)化分析［J］.電力科學(xué)與工程，2012，28（9）：47-52.

［4］閆順林，郭佳雷.汽輪機(jī)熱力性能考核指標(biāo)的通用方程［J］.熱能動(dòng)力工程，2009，24（1）：65-67.

Practice of Energy-saving Reform of the Domestic 300 MW Turbine HP Cylinder Nozzle

YIN Hongye1，CHEN Yanjun2
（1.Datang Qingyuan Co-generation Power Co.，Ltd.，Baoding 071000，China；2.Guodian Heze Power Generation Co.，Ltd.，Heze 274032，China）

The efficiency of the high pressure cylinder and governing stage declined obviously with the unit's load reduction for No.1 steam turbine generator unit in one power plant and the heat rate got rising.Through the reconstruction of the high pressure cylinder governing stage nozzles，the unit's efficiency was improved greatly，and the heat rate was decreased obviously，so that the goal of energy saving was achieved.

steam turbine；high pressure cylinder；heat rate；governing stage；nozzle

TK263.4

B

1007-9904（2016）08-0056-04

2016-03-30

殷宏業(yè)（1976），男，工程師，主要從事熱電廠設(shè)備及技術(shù)管理工作。