湖南省汽輪機節(jié)能現(xiàn)狀及改造思路探析

李旭，余興剛，蔣北華，韓彥廣

（國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

湖南省汽輪機節(jié)能現(xiàn)狀及改造思路探析

李旭，余興剛，蔣北華，韓彥廣

（國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

介紹了湖南省燃煤火電機組的能耗現(xiàn)狀，從負荷率、背壓、本體結(jié)構(gòu)等方面深入剖析影響汽輪機經(jīng)濟運行的原因。根據(jù)目前汽輪機設(shè)計制造的最新發(fā)展和省內(nèi)外機組改造的成功經(jīng)驗，綜合提出了一些汽輪機節(jié)能改造的思路和方向。

汽輪機；節(jié)能改造；熱耗

近年來，我國能源安全發(fā)展對燃煤發(fā)電行業(yè)提出一些新的要求，明確提出 “節(jié)約、清潔、安全”的能源戰(zhàn)略方針和 “節(jié)約優(yōu)先、綠色低碳、立足國內(nèi)、創(chuàng)新驅(qū)動”的能源發(fā)展戰(zhàn)略。國家三部委先后發(fā)布了 《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》等一系列節(jié)能減排文件和通知，要求到2020年，現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組改造后平均供電煤耗低于310 g/kWh，其中現(xiàn)役600 MW及以上機組(除空冷機組)改造后平均供電煤耗低于300 g/kWh。同時，湖南省發(fā)改委等部門根據(jù)省內(nèi)機組現(xiàn)狀也為省內(nèi)各燃煤電廠制定了相應(yīng)的節(jié)能降耗目標(biāo)。

為了盡快落實確定的節(jié)能降耗目標(biāo)，各發(fā)電集團及燃煤發(fā)電企業(yè)都在積極行動起來，研究制定各自的運行優(yōu)化和升級改造方案，一場燃煤發(fā)電機組節(jié)能降耗的攻堅戰(zhàn)已經(jīng)打響。火電機組節(jié)能降耗措施主要包括鍋爐和汽輪機及其輔助系統(tǒng)的運行優(yōu)化、設(shè)備治理和節(jié)能技術(shù)改造。

1 省內(nèi)火電機組能耗現(xiàn)狀

近年，雖然湖南省內(nèi)各燃煤火電廠圍繞節(jié)能減排開展了一系列工作，但總體能耗指標(biāo)和污染物排放水平與國家節(jié)能減排最新要求仍有較大差距。省內(nèi)火電機組受利用小時數(shù)、低負荷運行時間等因素影響，與其他發(fā)達地區(qū)和行業(yè)先進水平相比，我省火電機組供電煤耗總體上仍處于相對落后水平，節(jié)能減排形勢依然十分嚴峻。

湖南省火電機組利用小時數(shù)在全國處于靠后位置，且近幾年火電利用小時數(shù)呈逐年下降趨勢，直接影響了火電機組的負荷率。

湖南省亞臨界和超臨界機組有較大的節(jié)能降耗空間。汽輪機熱耗是影響機組供電煤耗的關(guān)鍵指標(biāo)。

省內(nèi)汽輪機THA工況修正后熱耗普遍高于設(shè)計值200 kJ/kWh，此外，湖南省火電機組受水電、氣候等因素影響，火電機組利用小時數(shù)嚴重偏低，負荷率只有70%左右，機組實際運行熱耗又高于THA修正后熱耗150 kJ/kWh。

2 汽輪機熱耗影響分析

影響汽輪機熱耗的因素一是管理因素，包括運行管理、檢修管理、技術(shù)管理等；二是存在于設(shè)備本身的固有因素，主要有設(shè)備的設(shè)計、制造水平、機組的老化程度等因素。下面就汽輪機熱耗影響較大的幾個方面進行簡單分析。

2.1 負荷率對熱耗影響分析

負荷率對汽輪機熱耗影響很大，這一因素并不被發(fā)電廠所左右，主要受電量的社會需求狀況和調(diào)度因素的影響。湖南省火電機組受利用小時數(shù)低、啟停機頻繁、機組負荷率低等因素影響，特別是大型超臨界火電機組參與電網(wǎng)深度調(diào)峰具有機組負荷變化范圍大、負荷變動率高、調(diào)峰能力強的優(yōu)勢而受到電網(wǎng)調(diào)度青睞，但是低負荷運行會大大降低超臨界機組、超超臨界機組的經(jīng)濟性。湖南省火電機組平均負荷率約70%左右，并且電網(wǎng)負荷的峰谷差很大。各電廠機組經(jīng)常調(diào)峰，早班經(jīng)常維持50%額定負荷運行，機組負荷率偏低使得機組供電煤耗增加。負荷率對汽輪機熱耗率的影響如圖1所示。

圖1 負荷率與汽輪機熱耗的關(guān)系

當(dāng)機組負荷率低于75%時，汽輪機熱耗率大幅上升。當(dāng)機組負荷率低于50%時，汽輪機熱耗率上升了5%～8%，亞臨界機組受影響更大。

2.2 汽輪機背壓(真空)對熱耗影響分析

汽輪機背壓每高于設(shè)計值1 kPa，在100%額定負荷汽輪機熱耗率上升70～80 kJ/kWh。但是，當(dāng)機組背壓低于設(shè)計值，汽輪機的熱耗率降低卻較少，并且汽輪機的背壓也不是越低越好，而是有一個最佳值。即使機組背壓已經(jīng)達到最佳真空，在額定負荷時汽輪機所降低的熱耗率總量也只有30～40 kJ/kWh。

汽輪機背壓變化主要受循環(huán)水溫度影響，而循環(huán)水溫度又直接受環(huán)境溫度影響。從圖2可以看出循環(huán)水溫度越高，對背壓的影響也越大，結(jié)果導(dǎo)致汽輪機熱耗增加越多。當(dāng)循環(huán)水溫達到25℃時汽輪機熱耗率將比在循環(huán)水溫設(shè)計值(20℃)增加100～120 kJ/kWh。

圖2 循環(huán)水溫與背壓的關(guān)系

湖南省火電機組汽輪機冷卻系統(tǒng)主要包括閉式循環(huán)和開式循環(huán)兩種形式。開式循環(huán)水進水溫度主要受地理位置以及河水水量等情況影響較大，如湖南省石門、鯉魚江、耒陽等地區(qū)水溫較低，機組真空相對較好，但地處湘江邊上的株洲、湘潭、長沙等電廠循環(huán)水溫從4月底至11月中旬均超過設(shè)計值(20℃)，其中8月份平均水溫更是超過30℃。夏季高溫天氣使機組的背壓達到9 kPa以上，機組真空相對偏低。閉式循環(huán)水系統(tǒng)由于受湖南天氣夏季溫度高影響，夏季機組真空也比較差，因此自然環(huán)境也是制約湖南省汽輪機熱耗降低的原因之一。

2.3 汽輪機本體對熱耗影響分析

汽輪機的實際熱耗高于設(shè)計熱耗，主要原因是機組實際情況與設(shè)計存在偏差。特別是早期投產(chǎn)的機組普遍存在這個問題。按照目前國內(nèi)三大汽輪機廠家采用最新設(shè)計技術(shù)，300 MW亞臨界機組熱耗率可達到7 900 kJ/kWh左右，已經(jīng)投產(chǎn)十多年的機組熱耗率原設(shè)計值在7 900 kJ/kWh以下，這也是這些機組自從投產(chǎn)以來汽輪機熱耗率始終達不到設(shè)計值的主要原因。另外機組老化嚴重(投產(chǎn)多年的機組)、通流部分效率低于設(shè)計值、熱力循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)、外漏、汽動給水泵組效率偏低、運行參數(shù)低于設(shè)計值、汽輪機進汽存在節(jié)流損失等因素也是導(dǎo)致機組熱耗率達不到設(shè)計值的原因。

目前，投產(chǎn)較長時間的機組高、中、低壓缸效率較設(shè)計值明顯偏低，具體情況如下:

a)高壓缸效率偏低3%～6%，影響熱耗50～100 kJ/kWh；

b)中壓缸效率偏低2%～4%，影響熱耗50～100 kJ/kWh；

c)低壓缸效率偏低2%～4%，影響熱耗70～150 kJ/kWh。

3 汽輪機節(jié)能潛力分析

作為節(jié)能降耗的重點，如何提高汽輪機通流效率，降低汽輪機熱耗成為當(dāng)務(wù)之急。目前，省內(nèi)部分投產(chǎn)時間較長的300 MW亞臨界機組已經(jīng)進行了通流部分技術(shù)改造，并取得了較好的效果。但是還有部分投產(chǎn)時間較長的機組高、中、低壓缸效率較設(shè)計值明顯偏低，老化嚴重和通流部分存在嚴重缺陷。對于這類機組，可根據(jù)現(xiàn)代設(shè)計理念，采用全三維熱力設(shè)計技術(shù)，對高、中、低壓缸通流部分進行改造。如果改造效果較好，目前300 MW亞臨界機組在100%額定負荷熱耗率可以達到7 900 kJ/kWh左右水平，600MW亞臨界機組可以達到7 850 kJ/kWh水平，煤耗預(yù)計可降低約6～8 g/kWh。

當(dāng)前，600 MW等級超臨界機組已開始進行通流部分改造的前期工作。阿爾斯通及國內(nèi)三大汽輪機廠均有較為成熟的改造方案，600 MW超臨界機組改造后可以達到7 610 kJ/kWh水平。對一些熱耗較高的機組，改造后煤耗預(yù)計可降低約7～8 g/kWh。各燃煤電廠可以結(jié)合自身機組情況進行系統(tǒng)優(yōu)化和設(shè)備升級改造。

根據(jù)當(dāng)前汽輪機技術(shù)最新發(fā)展，分析表明，經(jīng)過技術(shù)改造升級可達到:

a)高壓噴嘴配汽(含調(diào)節(jié)級)高壓缸效率高達87%；

b)高壓缸通流效率達到89%；

c)中壓缸通流效率達到93.5%；

d)低壓缸效率相當(dāng)，達到89%～92%先進水平。

根據(jù)省外各廠改造經(jīng)驗以及汽輪機制造廠提供的改造方案，汽輪機通流改造的目標(biāo)見表1。

表1 湖南省汽輪機熱耗改造目標(biāo)kJ/kWh

4 汽輪機節(jié)能改造原則與思路

4.1 汽輪機改造原則

首先，采用優(yōu)化的汽輪機節(jié)能評價方法對設(shè)備制造廠提供的改造技術(shù)進行全面評價論證，再結(jié)合對機組現(xiàn)有主輔設(shè)備升級改造的適配性論證上，確定升級改造目標(biāo)。

汽輪機制造廠為用戶提供的只有比較粗的額定工況下的綜合指標(biāo)(汽機熱耗率)和分項指標(biāo)(高、中、低壓缸效率)，沒有考慮機組的實際運行條件。因此，在改造中首先應(yīng)考慮部分負荷下汽輪機的熱耗的保證值，可以適當(dāng)犧牲在滿負荷的經(jīng)濟性來換取低負荷經(jīng)濟性的提高；其次，應(yīng)根據(jù)多年來的環(huán)境溫度重新考慮機組的背壓設(shè)計值，從而為低壓缸末級葉片以及凝汽器改造等提供更合理的改造方案；最后，改造除了將通流部分的葉型優(yōu)化之外，更應(yīng)該在結(jié)構(gòu)設(shè)計和汽封配置方面進行科學(xué)合理的組合和優(yōu)化完善，這對提高汽輪機改造的綜合技術(shù)指標(biāo)是非常有必要的。

4.2 汽輪機改造思路

老化嚴重和通流部分存在嚴重缺陷的機組，要積極采用先進成熟的新技術(shù)進行汽輪機通流部分改造，以提高機組的安全可靠性、經(jīng)濟性和機組的出力。針對近幾年汽輪機改造的一些成功經(jīng)驗，歸納提出以下幾點建議:

1)汽輪機參數(shù)提升改造。針對亞臨界600 MW，300 MW機組的升級改造，提出了一種提升汽輪機進汽參數(shù)的改造方法，即由16.67 MPa/ 538℃/538℃提升為16.67 MPa/566℃/566℃，可降低熱耗120 kJ/kWh。汽輪機本體需要進行大范圍改造:高中壓外缸、高中壓主汽門、調(diào)門均需更換，只有低壓外缸可以保留。鍋爐本體需要進行大范圍改造:鍋爐受熱面需進行改造，需增加過熱器、再熱器等受熱面面積。

2)以往300 MW，600 MW機組為高中壓合缸布置，由于受限于轉(zhuǎn)子長度，中壓缸通流級數(shù)不能太多，所以只能選取較高的中壓缸排汽壓力。在最新的改型設(shè)計中，通過將中壓缸葉片級數(shù)增加一級，低壓缸去掉一級等方法，將中、低壓分缸壓力由原先的1 MPa大幅度降低為0.65 MPa，順應(yīng)了目前汽輪機技術(shù)的主流發(fā)展方向。

3)以往汽輪機普遍采用了高壓調(diào)節(jié)級，高壓缸缸效率與節(jié)流配汽(無調(diào)節(jié)級)機組相比差距明顯，主要原因是實際運行中機組調(diào)節(jié)級效率偏離設(shè)計值較大，以后改造可參考無調(diào)節(jié)級的汽輪機形式。

4)汽缸變形較為嚴重。高、中壓缸之間密封不嚴密導(dǎo)致高壓缸排汽漏入中壓缸，內(nèi)缸外壁冷卻加劇，熱應(yīng)力增加和汽輪機的效率下降，同時機組啟機時缸內(nèi)外壁承受的應(yīng)力較大。在最新的改型設(shè)計中，高壓內(nèi)缸采用的是無水平中分面法蘭，上下缸為半圓筒形結(jié)構(gòu)，用紅套箍緊。安裝方法是將高壓轉(zhuǎn)子平置于內(nèi)缸中，將緊圈用環(huán)形火焰加熱至200℃左右，利用液壓千斤頂快速更換支承，依次將緊圈紅套內(nèi)缸，冷卻后使內(nèi)缸具有足夠的密封緊力，以確保高壓內(nèi)缸中分面在任何工況下運行時無蒸汽泄漏。這種高壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)輕巧，內(nèi)外缸直徑明顯減小，無應(yīng)力集中，受熱均勻，汽缸無扭曲，變工況性能優(yōu)良，適應(yīng)參與電網(wǎng)調(diào)峰運行。

5)從前幾年汽輪機大修前后低壓缸間隙調(diào)整值與效率測試對比來看，低壓缸通流效率對安裝間隙的控制并不敏感，其效率主要決定于設(shè)計水平和制造工藝。綜合考慮安全、經(jīng)濟性及末級葉片除濕效果，可考慮隔板汽封選擇蜂窩汽封，軸端選擇側(cè)齒或接觸式汽封。

6)高中壓缸過橋汽封漏汽量大小對汽輪機效率有較大影響。名義中壓缸效率高于設(shè)計值，間接反映了過橋汽封漏汽量大，經(jīng)過多臺機組測試結(jié)果表明過橋汽封實際漏汽量在3%～4%，遠遠高于2%的設(shè)計漏汽量。今后的大修中可考慮過橋汽封采用美國布萊登汽封作為優(yōu)選方案。目前上汽廠600MW超臨界汽輪機出廠時即在高中壓缸間軸封采用了布萊登汽封，從多臺機組的試驗數(shù)據(jù)來看，其效果較好。但布萊登汽封的材質(zhì)好壞直接影響布萊登汽封的應(yīng)用效果，因此在采購中一定要注意。

7)在目前機組平均負荷率明顯偏低的運行條件下，低壓缸模塊采取末級葉片長度是否合理值得專題研究。如東方汽輪機廠有909 mm與1 016 mm兩種末級葉片，低壓缸排汽流量與葉片長度存在最佳組合關(guān)系，如偏離較大，可考慮末級葉片換型。

8)低壓內(nèi)缸優(yōu)化，新型整體蝸殼進汽鑄鐵內(nèi)缸。五段和六段抽汽溫度偏高是目前機組的共性問題，由于低壓缸為三層缸結(jié)構(gòu)，由低壓外缸、1號內(nèi)缸、2號內(nèi)缸以及隔板套組成，雖然設(shè)計中已將溫度梯度平緩化，但由于密封配合面較多，螺栓分布存在不合理性，密封配合面漏汽嚴重。檢修時，某些電廠中分面間隙達到0.7～0.9 mm。優(yōu)化后的低壓缸可降低中低壓分缸壓力，改善低壓缸工作環(huán)境；采用蝸殼配橫置靜葉進汽結(jié)構(gòu)，進汽損失??；采用整體鑄造內(nèi)缸，結(jié)構(gòu)簡單、流動損失小、變形小；現(xiàn)場實測中分面最大間隙0.02～0.05 mm。據(jù)改造后測試表明整體蝸殼式低壓缸相對以往形式的低壓缸降低熱耗約50 kJ/kWh。

9)中低壓連通管。取消導(dǎo)流葉柵，解決連通管可靠性問題，避免流通內(nèi)產(chǎn)生湍流、振動、噪聲等問題；采用熱壓彎頭，減少流動損失。

10)將焊接隔板升級為裝配式隔板。由于焊接隔板熱處理工藝不過關(guān)，容易出現(xiàn)變形，焊接質(zhì)量差，喉部尺寸達不到設(shè)計要求，通道面積難以保證。如葉片損壞，更換成本高。

11)熱力系統(tǒng)優(yōu)化。通過熱力系統(tǒng)整體優(yōu)化，進一步降低汽輪機熱耗。如采用增設(shè)0號高加、增設(shè)外置式蒸汽冷卻器、增加回?zé)峒墧?shù)、采用1× 100%給水泵汽輪機、增加低溫省煤器等改造措施。

12)汽輪機本體及管道保溫治理。省內(nèi)某些投產(chǎn)較早的機組保溫存在部分老化，熱力設(shè)備和管道保溫效果不理想，散熱損失大，達不到國家有關(guān)標(biāo)準要求，直接影響整臺機組的經(jīng)濟性。改造中應(yīng)使用質(zhì)量優(yōu)良的保溫材料，同時將熱力系統(tǒng)保溫列入日常檢查和檢修的重點檢查管理內(nèi)容，超標(biāo)的要及時處理。

5 結(jié)語

降低汽輪機熱耗是一項長期、細致、繁瑣的工作。除了進行汽輪機通流部分改造，很難大幅度提高汽輪機經(jīng)濟性，即便有些機組進行了通流改造，在改造后仍需對大量細小、瑣碎的問題進行處理。

文中雖然總結(jié)了汽輪機節(jié)能方面存在的問題和技術(shù)改造措施，但還是看到，節(jié)能工作不只朝夕，節(jié)能技術(shù)改進工作也在不斷創(chuàng)新。

Present Situation and Modification Ideas of Energy Saving of Steam Turbine in Hunan Province

LI Xu，YU Xinggang，JIANG Beihua，HAN Yanguang
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

This paper introduces the energy consumption of coal-fired power units in Hunan Province，analyzes the causes of the economic operation of the steam turbine from the aspects of load rate，vacuum，and structure of the main body，etc.In view of the latest development and successful experience of turbine design and manufacture，energy-saving ideas and direction of the turbine are put forword.

steam turbine；energy saving modification；heat rate

TM621

B

1008-0198(2017)04-0024-04

李旭(1980)，男，碩士，高級工程師，主要從事大型汽輪機組調(diào)試與試驗等技術(shù)工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.04.008

2017-02-09 改回日期:2017-03-20