300 MW亞臨界汽輪機(jī)通流改造研究

徐 星

(國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，南京 210046)

當(dāng)前，燃煤發(fā)電企業(yè)面臨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、資源約束、環(huán)境保護(hù)等多方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1-2]。為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排約束性目標(biāo)，政府制定了相關(guān)的政策措施，鼓勵(lì)和支持發(fā)電企業(yè)進(jìn)行節(jié)能減排的技術(shù)改造，采用節(jié)能環(huán)保的新設(shè)備、新工藝、新技術(shù)[3]。為了適應(yīng)新形勢(shì)，確保機(jī)組效率高、經(jīng)濟(jì)效益好，進(jìn)一步提高競(jìng)爭(zhēng)力，某廠(chǎng)300 MW亞臨界機(jī)組計(jì)劃實(shí)施汽輪機(jī)通流改造項(xiàng)目。

我國(guó)300 MW亞臨界汽輪機(jī)主要是通過(guò)對(duì)早期引進(jìn)機(jī)型進(jìn)行逐步消化吸收和國(guó)產(chǎn)優(yōu)化改進(jìn)等來(lái)不斷提升性能和效率。2014年以來(lái)，隨著技術(shù)不斷升級(jí)，汽輪機(jī)主要制造商結(jié)合當(dāng)前機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)，采用最新技術(shù)對(duì)300 MW亞臨界汽輪機(jī)進(jìn)行通流改造，改造后機(jī)組性能大幅提升，取得了良好效果[4]。筆者通過(guò)分析該廠(chǎng)300 MW亞臨界汽輪機(jī)存在的主要問(wèn)題，比較全面通流改造與部分通流改造兩種方案的技術(shù)指標(biāo)，針對(duì)通流改造中存在的問(wèn)題提出建議，為今后汽輪機(jī)通流改造工作提供參考。

1 機(jī)組概況

該廠(chǎng)裝機(jī)2臺(tái)300 MW機(jī)組，分別于2005年、2006年投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。汽輪機(jī)為亞臨界、中間一次再熱、兩缸兩排汽、凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為N320-16.7-537/537。

目前，2臺(tái)機(jī)組(1號(hào)、2號(hào)機(jī)組)汽輪機(jī)高、中、低壓缸效率下降較大，已遠(yuǎn)低于原設(shè)計(jì)值，通過(guò)常規(guī)大修難以恢復(fù)其經(jīng)濟(jì)性能，汽輪機(jī)中、低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性下降幅度更大，無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前深度調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)性要求。以1號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)為例，最近一次大修后性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 1號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)最近一次大修后性能狀況

THA工況時(shí)，修正后熱耗率比設(shè)計(jì)值7 905 kJ/(kW·h)高395 kJ/(kW·h)。機(jī)組熱耗率偏高，主要原因是汽輪機(jī)本體性能下降。中、低負(fù)荷熱耗率較設(shè)計(jì)值偏差較大，通流改造兼顧額定負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注中、低負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

經(jīng)測(cè)算，機(jī)組額定負(fù)荷工況修正后供電煤耗較國(guó)家要求的310 g/(kW·h)偏高約20 g/(kW·h)，機(jī)組供電煤耗指標(biāo)與國(guó)家要求差距較大，主要問(wèn)題在于汽輪機(jī)本體經(jīng)濟(jì)性下降導(dǎo)致機(jī)組熱耗率偏高，迫切需要進(jìn)行汽輪機(jī)通流改造。

2 通流改造調(diào)研

2.1 常規(guī)通流改造

目前，國(guó)內(nèi)制造廠(chǎng)家在通流改造方面技術(shù)日益先進(jìn)、成熟。上海汽輪機(jī)廠(chǎng)(簡(jiǎn)稱(chēng)上汽)運(yùn)用整體通流設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了亞臨界汽輪機(jī)技術(shù)改造升級(jí)，如上海外高橋發(fā)電廠(chǎng)3號(hào)和4號(hào)機(jī)組、華能陽(yáng)邏電廠(chǎng)1號(hào)和2號(hào)機(jī)組等。東方汽輪機(jī)廠(chǎng)(簡(jiǎn)稱(chēng)東汽)利用第三代優(yōu)化葉型、采用新結(jié)構(gòu)、優(yōu)化熱力系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)對(duì)已投運(yùn)亞臨界300 MW及600 MW機(jī)組進(jìn)行通流改造，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的飛躍，如國(guó)華三河電廠(chǎng)3號(hào)和4號(hào)機(jī)組等。哈爾濱汽輪機(jī)廠(chǎng)(簡(jiǎn)稱(chēng)哈汽)利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)研發(fā)設(shè)計(jì)了新一代亞臨界300 MW、600 MW機(jī)組，并對(duì)在役亞臨界300 MW機(jī)組進(jìn)行了技術(shù)改造升級(jí)，并于2015年底完成亞臨界600 MW大唐七臺(tái)河電廠(chǎng)4號(hào)機(jī)組的通流技術(shù)升級(jí)。ALSTOM由眾多公司不斷合并重組演變而來(lái)，其融合了ABB、TOSHIBA、GE等知名公司的先進(jìn)技術(shù)，近幾年，ALSTOM改造的300 MW亞臨界機(jī)組為深圳媽灣電廠(chǎng)3號(hào)和4號(hào)機(jī)組等。

對(duì)同機(jī)型已改造的A廠(chǎng)、B廠(chǎng)汽輪機(jī)通流改造后的性能進(jìn)行調(diào)研，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 部分汽輪機(jī)通流改造后性能狀況

從表2可以看出：經(jīng)過(guò)通流改造后，各臺(tái)機(jī)組熱耗率都有大幅下降，在THA工況下，熱耗率約為7 900 kJ/(kW·h)，較當(dāng)前300 MW亞臨界機(jī)組平均熱耗率(8 200～8 400 kJ/(kW·h))有了明顯改善，煤耗降低顯著；在75%THA工況下，各臺(tái)機(jī)組熱耗率可達(dá) 7 950～8 050 kJ/(kW·h)，較當(dāng)前300 MW亞臨界機(jī)組平均熱耗率(8 300～8 500 kJ/(kW·h))有了明顯改善，煤耗降低顯著。

2.2 提參數(shù)通流改造

目前，單提主蒸汽溫度或再熱蒸汽溫度的改造項(xiàng)目沒(méi)有實(shí)施案例。300 MW亞臨界雙提溫改造機(jī)組已投產(chǎn)的有東汽安陽(yáng)改造項(xiàng)目。上汽300 MW亞臨界提參數(shù)改造機(jī)組已投產(chǎn)的有諫壁改造項(xiàng)目。ALSTOM目前沒(méi)有亞臨界提參數(shù)改造的工程案例。

除常規(guī)通流改造范圍外，汽輪機(jī)側(cè)改造涉及高壓進(jìn)汽閥、中壓進(jìn)汽閥、旁路系統(tǒng)，鍋爐側(cè)改造涉及高溫過(guò)熱器(簡(jiǎn)稱(chēng)高過(guò))、高溫再熱器(簡(jiǎn)稱(chēng)高再)、頂棚受熱面以及相應(yīng)的集箱受熱面管夾等。與常規(guī)通流改造相比，提參數(shù)通流改造增加的成本主要來(lái)自鍋爐系統(tǒng)改造，總體改造成本大幅增加。目前，機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間不斷下降，延長(zhǎng)了亞臨界機(jī)組提參數(shù)改造的投資回收期，進(jìn)一步增加了投資風(fēng)險(xiǎn)。

常規(guī)通流改造范圍不大，投資相對(duì)較小，因此目前絕大多數(shù)的改造都是常規(guī)通流改造。單提溫改造、雙提溫改造的改造范圍擴(kuò)大到閥門(mén)、鍋爐受熱面、熱力系統(tǒng)等，收益比常規(guī)通流改造要好，但是投資也比較大。隨著機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間不斷降低，投資風(fēng)險(xiǎn)增大。

當(dāng)前我國(guó)已經(jīng)具有了自主設(shè)計(jì)、制造大型發(fā)電機(jī)組的能力，國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)制造廠(chǎng)以及ALSTOM具有豐富的通流改造經(jīng)驗(yàn)，其通流改造技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛、安全可靠。改造后，機(jī)組熱耗率降低、發(fā)電功率增加，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)保效益。上汽、東汽、哈汽、ALSTOM等汽輪機(jī)改造廠(chǎng)家技術(shù)成熟、先進(jìn)，各有特點(diǎn)。對(duì)于300 MW亞臨界機(jī)組通流改造，上汽、東汽有較多業(yè)績(jī)。

3 通流改造技術(shù)路線(xiàn)

研究對(duì)象機(jī)組運(yùn)行時(shí)間已超過(guò)10 a，機(jī)組老化導(dǎo)致性能下滑明顯，雖經(jīng)過(guò)歷次大修和節(jié)能改造，機(jī)組熱耗率暫時(shí)有所降低，但持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)且效果有限。由于原通流設(shè)計(jì)技術(shù)相比目前先進(jìn)技術(shù)落后，而且經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)際和國(guó)內(nèi)整體工業(yè)技術(shù)得到了提升，各設(shè)備制造商的技術(shù)也達(dá)到了新的水平，利用當(dāng)代的通流設(shè)計(jì)和機(jī)械制造水平，對(duì)現(xiàn)役機(jī)組進(jìn)行通流改造是提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的重要方法，通過(guò)通流改造可以大幅提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性與安全性。通流改造技術(shù)路線(xiàn)有以下幾點(diǎn)：

(1) 先進(jìn)的通流設(shè)計(jì)技術(shù)和體系，提高汽輪機(jī)通流效率和變負(fù)荷適應(yīng)性。

①采用先進(jìn)的靜、動(dòng)葉型線(xiàn)，降低葉型損失。

②優(yōu)化反動(dòng)度沿葉高的分布，使靜、動(dòng)葉間的能量轉(zhuǎn)換達(dá)到最優(yōu)。

③采用最佳速比設(shè)計(jì)提高通流級(jí)效率。

④采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的末級(jí)葉片。

(2) 先進(jìn)的本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性和安全性。

①優(yōu)化設(shè)計(jì)高、中、低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)，消除內(nèi)缸變形帶來(lái)的內(nèi)漏問(wèn)題。

②優(yōu)化進(jìn)汽和排汽流道，降低進(jìn)、排汽壓損。

(3) 采用先進(jìn)汽封結(jié)構(gòu)，降低漏汽損失。

(4) 在工藝、采購(gòu)、制造、檢驗(yàn)等生產(chǎn)環(huán)節(jié)采用先進(jìn)的質(zhì)量改進(jìn)措施和質(zhì)量管控體系，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

(5) 改造后機(jī)組在THA工況應(yīng)該能達(dá)到高壓缸效率不低于87%，中壓缸效率不低于93%，低壓缸效率不低于88.5%的目標(biāo)。

4 方案分析

根據(jù)改造范圍差異，通流改造可以分為部分通流改造和全面通流改造，部分通流改造對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性提升有限，全面通流改造效果明顯。

4.1 技術(shù)方案對(duì)比

全面通流改造方案以機(jī)組安全可靠性為前提，采用先進(jìn)通流改造技術(shù)，對(duì)高中壓缸及低壓缸進(jìn)行全面優(yōu)化改造，利用汽輪機(jī)通流現(xiàn)代化改造的成熟技術(shù)，達(dá)到節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟(jì)性的目的。

部分通流改造方案，即根據(jù)全面通流改造中高中壓缸通流改造的技術(shù)和措施，僅對(duì)汽輪機(jī)高中壓缸進(jìn)行通流改造，低壓缸不做通流改造。

對(duì)全面通流改造方案和部分改造方案進(jìn)行技術(shù)對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3。

4.2 性能指標(biāo)對(duì)比

對(duì)全面通流改造和部分通流改造方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 兩種改造方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

由表4可以看出：全面通流改造方案的THA工況熱耗率和加權(quán)工況熱耗率均較部分通流改造方案的熱耗率低120～130 kJ/(kW·h)。以現(xiàn)有鍋爐效率93.5%、廠(chǎng)用電率5%計(jì)算，全面通流改造后預(yù)計(jì)供電煤耗率達(dá)310 g/(kW·h)，部分通流改造后預(yù)計(jì)供電煤耗率達(dá)315 g/(kW·h)。因此，全面通流改造方案更能滿(mǎn)足機(jī)組性能指標(biāo)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

某廠(chǎng)300 MW亞臨界汽輪機(jī)存在較大的性能問(wèn)題，有必要對(duì)其實(shí)施通流改造。通過(guò)研究機(jī)組現(xiàn)狀、分析主要問(wèn)題、對(duì)比分析全面通流改造和部分通流改造兩種方案，提出全面通流改造方案的機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)，更能適應(yīng)未來(lái)發(fā)展形勢(shì)。