1 000 MW超超臨界沖動式汽輪機通流改造及效益分析

張彬 趙金濤 胡雪梅

摘 要：TOSHIBA原型1 000 MW超超臨界汽輪機存在級間焓降過大、調(diào)節(jié)級效率偏低、中壓進汽部分需要冷卻、低壓缸采用非落地軸承等設(shè)計缺陷。在長期運行中，汽輪機隔板疲勞會導(dǎo)致宏觀裂紋，汽輪機熱耗偏離設(shè)計值至少200 kJ/（kW·h），低壓軸承在高真空下出現(xiàn)振動突增?；谏鲜鰡栴}，本文結(jié)合機組的實際運行情況，提出一套較為理想的汽輪機通流部分改造方案并進行經(jīng)濟性分析，在增量機組困難的現(xiàn)狀下，這對于百萬機組的經(jīng)濟性提升具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：通流改造;全周進汽;節(jié)流調(diào)節(jié);寬負(fù)荷葉片

中圖分類號：TM621文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）08-0128-03

Transformation and Benefit Analysis of 1 000 MW Ultra-supercritical Impulse Steam Turbine

ZHANG Bin ZHAO JintaoHU Xuemei

（Pingdingshan Power Generation Branch， Henan Electric Power Co.， Ltd. of SPIC，Pingdingshan Henan 467000）

Abstract： The TOSHIBA prototype 1 000 MW ultra-supercritical steam turbine has design defects such as excessive interstage enthalpy drop， low regulating stage efficiency， low-pressure steam inlet parts requiring cooling， and low-pressure cylinders using non-ground bearings. In long-term operation， the fatigue of the turbine diaphragm will cause macro cracks， the heat loss of the turbine will deviate from the design value by at least 200 kJ/（kW·h）， and the low-pressure bearing will experience a sudden increase in vibration under high vacuum. Based on the above problems， this paper combined with the actual operation of the unit， put forward a set of more ideal steam turbine flow-through reconstruction scheme and economic analysis， which had certain guiding significance for the economic improvement of millions of units under the current situation that the incremental unit was difficult.

Keywords： through-flow reformation;full-period intake steam;throttling adjustment;wide-load blade

根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會、原環(huán)境保護部和國家能源局聯(lián)合下發(fā)的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）的通知》（發(fā)改能源〔2014〕2093號）、《國家能源局綜合司關(guān)于分解落實煤電節(jié)能減排升級改造目標(biāo)任務(wù)的通知》（國能綜電力〔2014〕767號）要求，原則上，各單位每年技術(shù)改造資金中，在去除脫硫、脫硝、除塵器和灰壩等重大環(huán)保改造項目資金外，節(jié)能改造的投入應(yīng)達到其余技改資金的40%。對于汽機通流、供熱改造等重大節(jié)能改造項目，經(jīng)技術(shù)方案論證可行且資本金內(nèi)部收益率≥8%的應(yīng)盡早安排改造。因此，本次改造研究原則為：汽輪機原有基礎(chǔ)不變，各抽汽口參數(shù)變化不超過5%，抽汽級數(shù)不變，汽輪機旋轉(zhuǎn)方向不變[1-3]。

1 機組設(shè)備概況

1.1 汽輪機設(shè)備簡介

某電廠汽輪機型號為N1030-25/600/600，為超超臨界、一次中間再熱、沖動式、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機，汽輪機磨機葉片長度為1 219 mm，設(shè)計運行背壓為4.9 kPa。熱力系統(tǒng)采用常規(guī)的8段非調(diào)節(jié)抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)，即三高、四低、一除氧，高壓加熱器為單列布置。

1.2 機組缺陷情況

自2010年投產(chǎn)以來，機組（以1號機組為例）經(jīng)歷過3次大修，第一次大修為投產(chǎn)4年后，當(dāng)時檢查高、中壓隔板外觀及變形量均正常，僅有高中壓第一級噴嘴中分面出汽邊存在部分吹蝕現(xiàn)象;但次年同類型機組在運行中出現(xiàn)中壓反向第二級隔板脫落的事件，因此該機組大修后第二年又進行揭缸檢查，雖然未發(fā)現(xiàn)隔板宏觀裂紋，但仍然根據(jù)廠家意見，將高、中壓15級共21列隔板進行返廠，加固后，噴嘴流線發(fā)生變化;為檢驗加固效果，2017年再次開展揭缸檢查，對高中壓隔板進行相控陣檢測，發(fā)現(xiàn)隔板內(nèi)外環(huán)與靜葉之間的深焊縫存在大量焊接未融合的現(xiàn)象，高中壓隔板全部都有缺陷，未融合平均長度約為200 mm，最長的達870 mm。根據(jù)廠家意見，現(xiàn)場對深度在20 mm以內(nèi)的表面缺陷進行挖補冷焊處理。

同樣地，#2機組在2015年進行隔板加固，2019年進行B修復(fù)查，發(fā)現(xiàn)高中壓隔板表面均已存在明顯裂紋，部分隔板裂紋縫隙較大，高壓隔板更為嚴(yán)重，且主要集中在出汽邊內(nèi)外圍帶焊縫處。經(jīng)專家會診確認(rèn)，對隔板裂紋進行挖補冷焊處理無法保證隔板的安全性，需要返廠對隔板裂紋進行處理。隨后，高中壓共19級隔板全部返廠，進行車削、加焊、熱處理后重新安裝。該缺陷表層原因在于焊接性隔板的窄焊縫焊接水平未達到東芝的工藝要求，焊接未融合缺陷導(dǎo)致裂紋從內(nèi)到外延伸產(chǎn)生表面缺陷。深層原因為大容量、高參數(shù)汽輪機組隔板承受的壓力過大，大焓降的沖動式隔板設(shè)計不適用于大容量汽輪機組。

1.3 機組性能情況

該機型原設(shè)計熱耗率為7 310.9 kJ/（kW·h），然而機組實際運行熱耗為7 633.2 kJ/（kW·h），較設(shè)計值偏高4.41%，在高壓部分設(shè)計中，采用雙列調(diào)節(jié)級，效率降低0.3%，采用中壓轉(zhuǎn)子冷卻使機組熱耗增加25 kJ/（kW·h），隔板加固后，級效率降低0.3%，主汽閥組壓損5%。上述情況主要受當(dāng)時設(shè)計技術(shù)、制造加工能力因素的影響，具體包括：采用沖動式大焓降葉片通流設(shè)計理念，級效率偏低;高、中壓部套接配面過多，機組存在不同程度的內(nèi)漏;汽封間隙質(zhì)量控制不佳，影響漏汽損失;低壓內(nèi)缸存在變形和漏汽;高中壓焊接隔板結(jié)構(gòu)制造與設(shè)計存在一定偏差等。

2 通流部分改造研究

2.1 高壓部分改造方案

若高參數(shù)、大容量汽輪機采用沖動式設(shè)計，會導(dǎo)致隔板上的級間壓力及蒸汽焓降增加，因此將高壓缸整體更換，內(nèi)缸采用較為成熟的反動式套環(huán)或筒形缸，充分利用原有高壓部分空間，按照多級小焓降、變反動度設(shè)計理念，布置14～17級壓力。配套對壓損超過5%的四個主汽閥組進行更換，采用2主+2調(diào)+2過載閥方式，主汽閥全開壓損小于2%，補汽閥開啟點為THA工況，汽輪機原基礎(chǔ)、支撐方式不變，改造后，各工況高壓缸缸效不低于91%。

2.2 中壓部分改造方案

中壓外缸和中壓主汽門保留，僅更換內(nèi)缸和轉(zhuǎn)子。內(nèi)缸采用三段布置結(jié)構(gòu)，內(nèi)缸與外缸的配合按原機進行設(shè)計，中壓內(nèi)缸進汽仍采用底部進汽、通過插管連接的方式設(shè)計。改造后，現(xiàn)有機組的抽汽管道結(jié)構(gòu)將保留，無須進行改動，中壓內(nèi)缸采用中分面螺栓進行把合，轉(zhuǎn)子加裝平衡塊的位置和原來相同，平衡面的入口位置保持不變。

中壓缸進汽第一級采用切向進汽斜置靜葉結(jié)構(gòu)，并采用低反動度葉片級（約20%的反動度）設(shè)計方式;采用切向渦流冷卻技術(shù)，取消中壓轉(zhuǎn)子冷卻;采用變反動度設(shè)計的原則，即由最佳的汽流特性決定各級的反動度，使各級葉片均處在最佳運行狀態(tài)，提升機組的通流效率;改造后，中壓缸通流級數(shù)為2×（11～13），中壓缸效率在各工況下不低于92%。

2.3 低壓部分改造方案

保留低壓外缸，更換低壓內(nèi)缸和轉(zhuǎn)子。低壓內(nèi)缸設(shè)計中采用斜置撐板結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化設(shè)計內(nèi)缸溫度場，利用汽缸自身的熱脹達到運行狀態(tài)自密封，使低壓內(nèi)缸中分面具有更好的密封性，明顯緩解或者消除低壓段抽汽溫度偏高的問題。

低壓缸為座缸式軸承，不適合采用傳統(tǒng)反動式機組的整鍛轉(zhuǎn)子，因為該類轉(zhuǎn)子輪轂平均直徑大于沖動式轉(zhuǎn)子，自重往往偏大。為了避免自重的增加給低壓外缸和軸承帶來更大的負(fù)荷，引起潛在的安全問題，新的低壓轉(zhuǎn)子將采用輕量化的焊接設(shè)計思路，使得改造后低壓轉(zhuǎn)子作用在軸承座上的載荷基本不變，保證低壓缸運行安全穩(wěn)定。改造后，通流級數(shù)2×2×7～8，末3級為自由葉片，末級葉片長度為1 146 mm或1 200 mm，低壓缸效率在各工況下不低于90%。

2.4 熱力系統(tǒng)優(yōu)化方案

本次改造充分考慮機組靈活性，通流部分設(shè)計兼顧低負(fù)荷運行的經(jīng)濟性[4-5]，為寬負(fù)荷設(shè)計;考慮低負(fù)荷脫硝系統(tǒng)投入運行的安全性，本次改造增加#3高加外置蒸冷器，同步對#1高加進汽汽源進行改造，增加低負(fù)荷汽源，提升低負(fù)荷下給水溫度，其間至少提高15℃。

3 通流改造優(yōu)化

3.1 再熱阻力優(yōu)化

統(tǒng)計歷年的再熱器壓損情況，三年來，平均值為6.7%，在常規(guī)的汽輪機設(shè)計中，該數(shù)據(jù)均按照10%。本項目根據(jù)機組實際情況，按照7%的再熱器壓損進行設(shè)計，在中壓部分增加一級壓力級，有效提升機組能效，其間至少提升10 kJ/（kW·h）。

3.2 高壓部分優(yōu)化

原機組高壓缸效率在THA工況下只能保持87%，因此本次改造重點為該區(qū)域。本次利用沖動式汽輪機的較大跨距（5 810 mm），優(yōu)化設(shè)計高壓各級，并盡可能增加通流級數(shù)，減少每級焓降，重?zé)嵯禂?shù)高，通流效率提升。其間主要采取以下措施：采用圓形內(nèi)缸，整體在生產(chǎn)車間組裝完成，裝配質(zhì)量得到極大保證;隔板由鍛造合金鋼塊加工而成的單個葉片整圈裝配而成，葉片強度提高，采用反動式設(shè)計，承受荷載比沖動式小，其整體強度得到大幅提升;變反動度設(shè)計，使得各級葉片均處在最佳運行狀態(tài)，提升機組的通流效率;采用斜置靜葉成功解決了首級葉片強度問題，無汽隙激振;第一級采用低反動式葉片級，第一級靜葉后，溫度降低15 ℃，從而降低第一級葉輪和轉(zhuǎn)子表面的溫度，為高壓轉(zhuǎn)子提供有利的工作條件。

3.3 #1高加汽源優(yōu)化

在新建機組中，設(shè)置零號高加，可提高機組低負(fù)荷工況的經(jīng)濟性，但本機組在設(shè)計初期已進行場地優(yōu)化，高壓加熱器分三層布置，均在A排以外，因此現(xiàn)場無零號高加的安裝位置。為提高低負(fù)荷的經(jīng)濟性，保證深度調(diào)峰階段脫硝效率，本工程將#1高加增加一路高壓汽源（即零抽），在75%負(fù)荷以下投入運行，且系統(tǒng)做到無勿擾切換，避免零號高加頻繁啟停造成的設(shè)備疲勞。

4 效益分析

該電廠處于內(nèi)陸地區(qū)，按照以下條件進行效益分析：年利用小時數(shù)為4 300 h，標(biāo)準(zhǔn)煤單價為703.47元/t，100% THA、75% THA和50% THA三個工況負(fù)荷比例分配系數(shù)為2∶5∶3。

4.1 汽輪機本體改造效益分析

汽輪機本體改造前后，各工況指標(biāo)對比如表1所示。考慮汽輪機0.8%老化的影響，經(jīng)計算，年度節(jié)煤4.66 94萬t，節(jié)煤收益為3 284.8萬元。項目投資財務(wù)內(nèi)部收益率為18.22%，靜態(tài)投資回收期為4.64年。

4.2 #1高加新增汽源效益分析

#1高加增加高壓汽源各負(fù)荷階段熱耗率如表2所示。經(jīng)計算，節(jié)煤收益約為88.85萬元/年，財務(wù)內(nèi)部收益率為40.26%，靜態(tài)投資回收期為2.36年。該項目靜態(tài)總投資為200萬元，而增加0號高加需要靜態(tài)總投資1 400萬元，在財務(wù)內(nèi)部收益率和靜態(tài)投資回收期方面，采用#1高加增加高壓汽源方案更為優(yōu)越。

4.3 #3高加外置冷卻器效益分析

本機組三級抽汽溫度較高，達到450 ℃，過熱度較大，能級利用效率低，因此可以在三級抽汽進入加熱器前增設(shè)外置蒸冷器以提高給水溫度，可以進一步降低機組煤耗。由于增加外置蒸冷器，#3高加出現(xiàn)換熱面積不足，蒸冷段出口處干壁溫度低于設(shè)計值，容易引發(fā)安全性問題，人們需要進行現(xiàn)場局部處理。上述改造費用約為750萬元，改造后，可降低機組熱耗12～15 kJ/（kW·h），節(jié)煤收益約為137.32萬元/年，項目投資財務(wù)內(nèi)部收益率為14.97%，靜態(tài)投資回收期為6.04年。

5 結(jié)論

本工程實施后，機組發(fā)電煤耗有較大降低，相同發(fā)電量下，鍋爐耗煤量減小，同時實施環(huán)保改造，機組NOx、SO2、粉塵的年排放量下降，對改善區(qū)域環(huán)境有重大貢獻，有利于推進生態(tài)文明建設(shè)，打造美麗中國。

參考文獻：

[1]莫華，朱法華，王圣.火電行業(yè)大氣污染物排放對PM2.5的貢獻及減排政策[J].中國電力，2013（8）：1-6.

[2]陳牧.濕法脫硫后煙囪出口煙氣液滴夾帶問題分析及解決[J].電力建設(shè)，2010（10）：80-83.

[3]何仰朋，陶明，石振晶，等.噴淋脫硫塔內(nèi)除霧器運行特性研究[J].中國電力，2015（7）：124-128.

[4]許盼.火電超低排放可有效緩解大氣污染[N].中國電力報，2014-05-19.

[5]王圣，朱法華，王慧敏，等.基于實測的燃煤電廠細(xì)顆粒物排放特性分析與研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2011（3）：630-635.