600 MW超臨界汽輪機通流改造效果及適應(yīng)性分析

張鵬

（江蘇省國信集團有限公司，江蘇 南京 210005）

0 前言

為加快推進能源生產(chǎn)和消費革命，進一步提升煤電高效清潔發(fā)展水平，國家發(fā)改委、環(huán)保部、能源局聯(lián)合制定了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》，要求到2020年，現(xiàn)役60萬千瓦及以上燃煤機組（除空冷機組外）改造后供電煤耗應(yīng)小于300g/kWh[1]。而對于在1998-2010年間投產(chǎn)的亞臨界、超臨界60萬千瓦級燃煤機組，供電煤耗要完成國家發(fā)改委的要求難度很大。根據(jù)熱經(jīng)濟性分析，電廠能耗高的一個重要原因是汽輪機通流部分效率低。

經(jīng)過近20年的發(fā)展，圍繞提高效率和效益、改善環(huán)境、降低成本，各大汽機生產(chǎn)商紛紛引用和消化了國外最先進的、成熟的三維氣動熱力設(shè)計技術(shù)，進行了有計劃、有規(guī)模的舊機組通流部分改造，以增加出力、降低能耗[2]。

1 系統(tǒng)概述

某電廠二期汽輪機為東方汽輪機廠生產(chǎn)制造的超臨界壓力、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓、純凝汽式汽輪機，型號為：N630-24.2/538/566，最大連續(xù)出力為634.234MW，額定出力630MW。

機組采用復(fù)合變壓運行方式，汽輪機具有八級非調(diào)整回?zé)岢槠?。主蒸汽?jīng)汽輪機二個主汽閥、四個高壓調(diào)節(jié)閥到汽輪機噴嘴膨脹做功。再熱蒸汽經(jīng)中壓聯(lián)合汽閥分為兩路進入中壓內(nèi)缸到汽輪機噴嘴膨脹做功。中壓缸作功后的蒸汽再進入兩個低壓缸作功，乏汽排入雙背壓凝汽器。

高壓缸由一級調(diào)節(jié)級和7級沖動式壓力級組成，中壓缸由6個壓力級組成，高壓缸進汽為部分進汽。低壓缸為雙流對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，由2×7個級組成，末級動葉高度為1016 mm。

2 汽輪機改造原理

東方汽輪機廠生產(chǎn)的D600C機型設(shè)計開發(fā)于21世紀(jì)初期。與現(xiàn)在的設(shè)計技術(shù)能力和制造工藝水平相比，差距很大，主要體現(xiàn)在兩方面：一是汽缸效率低，機組熱耗高，煤耗高，機組熱力性能差；二是通流部件的制造、安裝、運行質(zhì)量方面質(zhì)量控制不精細[3]。

汽輪機通流部分改造的原理是保留原有高中低壓外缸的基礎(chǔ)上，對內(nèi)部通流進行模塊化升級改造，其中高中壓缸采用沖動式設(shè)計，低壓缸采用反動式設(shè)計。級間適當(dāng)增加葉片級數(shù)，采用的是整體通流設(shè)計技術(shù)（AIBT），在高中壓通流中采用了先進的GA系列葉型動葉片、集成預(yù)扭的動葉圍帶、可控流Platform隔板，提高了級效率和強度；采用較大高壓和中壓的噴嘴有效降低固體微粒沖蝕損壞；隔板及徑向汽封采用的是迷宮密封，在可靠的安裝工藝下有效地降低了級間漏汽，提高了汽輪機的效率；低壓缸采用了進排汽優(yōu)化技術(shù)，末級動葉為37英寸帶鰭葉片，可以在復(fù)雜的三維跨音速流動環(huán)境中運行，具有兼顧高負荷和部分負荷運行效率的特點，有效降低了排汽損失，提高了抗水蝕性能；同時通過升參數(shù)達到降低發(fā)電煤耗，提高全廠熱效率的目的[4]。

3 汽輪機通流改造方案

汽輪機通流改造將采用高中壓內(nèi)缸及低壓缸改造方案，通過對汽輪機三缸通流部分進行改造，達到提高汽輪機熱效率、增加汽輪機銘牌出力至650MW的目的[5]。

在確保改造參數(shù)達標(biāo)的前提下，盡可能利用原有設(shè)備。原汽輪機的高中壓、低壓三缸外殼體和汽輪機與主、再熱蒸汽管道連接保持不變；汽輪機與發(fā)電機連接位置不變；汽輪機基座、軸承及抽汽口、高壓主汽門、調(diào)門、中聯(lián)門及其導(dǎo)汽管位置均不變。高壓動葉從原來的8級增加到10級，中壓動葉6級未變，低壓轉(zhuǎn)子從原來的2×2×7級增加到2×2×8級。

3.1 高中壓缸通流改造方案

新的高中壓內(nèi)缸，轉(zhuǎn)子和通流部分為全新設(shè)計，高壓缸為部分進汽設(shè)計，內(nèi)缸設(shè)計與現(xiàn)有的外汽缸匹配[6]。高中壓內(nèi)缸改造方案如圖1所示。

新的高壓通流級數(shù)為10級。第一級調(diào)節(jié)級加寬，調(diào)節(jié)級后設(shè)置了一段混合區(qū)，確保汽流均勻進入第二級。改造后的高中壓缸采用噴嘴調(diào)節(jié)，能夠?qū)?yīng)不同負荷時改變部分噴嘴開度。在通流部分，優(yōu)化了葉片的節(jié)圓直徑，動葉具有先進的葉型，整體圍帶，在葉頂采用迷宮式汽封。

高壓隔板采用了具有先進的三維型線的靜葉，靜葉具有整體加工的根部和頂部圍帶，圍帶被焊進隔板內(nèi)外環(huán)。中壓通流設(shè)計結(jié)合了先進的自帶圍帶的靜葉和裝在單獨的圍帶中的二維型線靜葉，并與隔板內(nèi)外環(huán)焊接在一起。

蒸汽通過與內(nèi)缸鑄造為一體的進汽管，和活塞環(huán)一起，裝在有司太立襯套的外缸中。新的襯套和活塞密封環(huán)可解決該區(qū)域漏汽問題。進汽環(huán)室與內(nèi)缸鑄造為一體，結(jié)合部分進汽的分隔板和一個導(dǎo)流板，導(dǎo)流裝置還作為擋熱板，防止中間汽封體直接處于主蒸汽溫度之下[7]。

圖1 汽輪機高中壓通流改造示意圖

3.2 低壓缸通流改造方案

新的低壓通流由2×2×8級組成，末級葉片為RS37T的新型自帶鰭高性能葉片。葉高為37＂，排汽面積為7.58平方米/流程，末級和次末級靜葉材料均為球墨鑄鐵，葉型為彎掠和傾斜設(shè)計。彎掠和傾斜使得質(zhì)量沿葉片徑向分布的更均勻。優(yōu)化的葉片設(shè)計使流動的模數(shù)分布更平滑，峰值更少，以此減小損失[8]。低壓內(nèi)缸改造方案如圖2所示。

圖2 汽輪機低壓通流改造示意圖

低壓轉(zhuǎn)子為整鍛轉(zhuǎn)子鼓型結(jié)構(gòu)，剛性好，轉(zhuǎn)動慣量大,對扭振以及動葉與軸的耦合方式具有固有的不敏感性。轉(zhuǎn)子發(fā)電機端的聯(lián)軸器將與現(xiàn)有的發(fā)電機轉(zhuǎn)子相匹配，轉(zhuǎn)子的現(xiàn)場平衡特性和平衡面位置將和原轉(zhuǎn)子一樣。動葉安裝在軸上的葉根槽里。在級間汽封的位置，汽封片安裝于軸上。軸的兩端和中間有平衡面，用來安裝固定平衡塊[9]。次末級動葉自帶圍帶，葉片采用傾斜加彎扭設(shè)計，從葉頂?shù)饺~型底部各處的型線都滿足局部的三維流動特性的要求[11]。

新內(nèi)缸分為上下兩半，由鋼板和棒料焊接而成，然后經(jīng)熱處理消除焊接應(yīng)力，新內(nèi)缸將設(shè)計的和原外缸配合，現(xiàn)有外缸上的支撐和導(dǎo)向無需改動。對排汽導(dǎo)流環(huán)進行優(yōu)化，以減小排汽損失，進一步提高低壓缸效率。對低壓汽輪機的徑向軸承的載荷進行了校核，根據(jù)計算結(jié)果，提供新的低壓缸徑向軸承。聯(lián)軸器螺栓采用全新的液壓聯(lián)軸器螺栓[12]。

4 改造后性能試驗效果

機組經(jīng)汽輪機通流改造后增加出力20MW,機組銘牌從630MW提高到650MW，并已獲省能源局批準(zhǔn)。

4.1 試驗修正的主要因素

1）改造前為冬季，改造后為夏季，修正了真空影響因素。

2）試驗工況下低低溫省煤器退出運行，修正煤耗約2g/kWh。

3）改造前后廠用電率下降0.1%，修正煤耗約0.3 g/kWh。

4）鍋爐效率提升，修正煤耗約2.7 g/kWh。

4.2 改造后性能試驗效果分析

600MW工況試驗熱耗率為7828.95 kJ/kWh，修正后熱耗率為7686.28kJ/kWh。試驗發(fā)電煤耗率為286.87 g/kWh，修正后發(fā)電煤耗為282.21g/kWh，修正發(fā)電煤耗4.66g/kWh。修正主要原因是改造前后氣溫對真空的影響、試驗工況下低低溫省煤器退出運行、鍋爐效率的提升[13]。

試驗發(fā)電廠用電率為4.57%，試驗供電煤耗為300.60g/kWh，修正后供電煤耗為295.72g/kWh，修正供電煤耗4.88g/kWh，比發(fā)電煤耗多下降0.22g/kWh。主要原因是廠用電率下降。

改造前后給水溫度從287.21℃下降到278.28℃，下降約8.9℃。主要原因是汽輪機因抽汽級數(shù)改變及效率提升，使抽汽溫度和壓力下降。

凝汽器未進行改造，性能未下降。主要因改造前后環(huán)境溫度升高，凝汽器壓力提升很多，對真空影響因素進行修正[15]。

綜上所述，通過汽輪機通流改造，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電煤耗下降7.51 g/kWh，標(biāo)準(zhǔn)供電煤耗下降8.17g/kWh[14]。

汽輪機通流改造前后參數(shù)對比如表1所示。

表1 汽輪機通流改造前后參數(shù)

4.3 汽輪機通流改造后相關(guān)輔機的適應(yīng)性

汽輪機通流改造不改變汽輪機的熱力系統(tǒng)，各級回?zé)岢槠诘膮?shù)基本不變，壓力和溫度變化范圍很小，可以完全保證各級加熱器不超壓、不超溫，加熱器的安全運行是完全可以保證的[15]。根據(jù)汽輪機改造后650MW實際運行的參數(shù)，得出的結(jié)論和建議如下：

1）凝結(jié)水系統(tǒng)：凝泵變頻運行，凝結(jié)水流量1430t/h左右，小于凝泵容量1631 t/h。凝泵投入變頻運行，電流105A左右，小于額定電流133A，尚有余量。

2）給水回?zé)嵯到y(tǒng)：汽泵轉(zhuǎn)速5800r/min左右，處于正常調(diào)速范圍3100～5900r/min內(nèi)；進口流量平均960t/h左右，小于額定流量1070t/h。前置泵電流108A左右，小于額定電流142A。汽泵及其前置泵各熱力運行參數(shù)均在限額范圍內(nèi)。

3）閉冷水系統(tǒng)：閉冷水溫最高36℃左右，小于40℃的設(shè)計正常值，閉冷水母管壓力0.65MPa，與改造前接近。閉冷泵電流84A，小于額定電流93.1A。

4）循環(huán)水系統(tǒng)：循泵單臺運行，電流145A左右，小于額定電流183A。循泵各參數(shù)均在限額范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

從試驗結(jié)果來看試驗機組高、中壓缸效率均有所提升，熱耗率有所降低，機組標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電煤耗和標(biāo)準(zhǔn)供電煤耗顯著降低，分別為7.51 g/kWh、8.17 g/kWh。改造后的標(biāo)準(zhǔn)供電煤耗為295.72 g/kWh，已符合國家《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)》中規(guī)定的技術(shù)要求。利用先進的汽輪機通流設(shè)計技術(shù)，對機組進行增容提效技術(shù)改造，在保證機組長期安全穩(wěn)定運行的前提下，實現(xiàn)節(jié)約成本、降低能耗以及提高機組20MW出力的目標(biāo)。