蘇龍電廠高效改造型抽汽式330 MW汽輪機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

張曉霞，唐新江

(1.上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海 200240；2.江陰蘇龍熱電有限公司，江陰 214400)

蘇龍熱電三期2臺330 MW汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠(上汽廠)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的亞臨界中間再熱凝汽式汽輪機(jī)，于2004年投產(chǎn)運(yùn)行。隨著機(jī)組服役年限的增加，機(jī)組因老化，效率衰減明顯，至2017年12月機(jī)組熱耗相比于投運(yùn)初期升高值超過230 kJ/kW。

蘇龍熱電地處江陰工業(yè)區(qū)，周邊熱用戶用汽需求不斷增大。2014年該2臺機(jī)組運(yùn)行方式由純凝發(fā)電模式變換為熱電聯(lián)產(chǎn)模式，單機(jī)供熱流量 為100 ～350 t/h ，供熱壓力為1.4～1.6 MPa(a)。因原機(jī)組為常規(guī)純凝機(jī)型，僅能采用冷再與熱再抽汽經(jīng)減溫減壓方式供熱。大流量蒸汽被減壓降溫，這使機(jī)組熱量能級損失較大，影響機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

三期機(jī)組是承擔(dān)該廠供熱任務(wù)的主力機(jī)組，全年以抽汽供熱模式運(yùn)行。該機(jī)組供熱蒸汽量大、參數(shù)高，已偏離了最初的純凝運(yùn)行設(shè)計(jì)模式。本文采用最新的汽輪機(jī)通流及本體設(shè)計(jì)技術(shù)對機(jī)組進(jìn)行改造，在消除機(jī)組老化的同時(shí)，按抽汽機(jī)組最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式制定實(shí)施改造方案，這對于全面提升機(jī)組抽汽工況運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和調(diào)度響應(yīng)的靈活性非常有必要。

本文對蘇龍電廠汽輪機(jī)改造方案進(jìn)行了介紹，旨在為同類大功率抽汽式汽輪機(jī)結(jié)合熱、電負(fù)荷運(yùn)行模式進(jìn)行設(shè)計(jì)選型提供示范和借鑒。

1 總體改造設(shè)計(jì)要求

汽輪機(jī)高中、低壓通流采用最新整體通流及本體先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)行全新改造。機(jī)組按壽命期全年長期抽汽供熱方式運(yùn)行進(jìn)行設(shè)計(jì)，并確定以機(jī)組額定供熱工況運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最佳為方案選擇的重要指標(biāo)。改造后，單機(jī)具有最大達(dá)350 t/h的穩(wěn)定可靠供熱運(yùn)行能力，并且機(jī)組抽汽工況電負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍更寬，能夠滿足電網(wǎng)考核要求。汽輪機(jī)改造前后主要設(shè)計(jì)參數(shù)對比如表1所示。

原汽輪機(jī)出廠編號K156，為高中壓合缸、低壓雙流的二缸二排汽機(jī)型。從性價(jià)比角度考慮，此項(xiàng)目計(jì)劃重點(diǎn)改造制約機(jī)組性能與供熱能力的汽輪機(jī)通流與本體核心部件，汽輪機(jī)閥門、軸承及基礎(chǔ)等均不動，外缸僅做局部改造。

2 通流及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)

2.1 進(jìn)汽方式

蘇龍熱電全年帶供熱運(yùn)行，熱負(fù)荷在100～350 t/h區(qū)間內(nèi)波動。近3年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，機(jī)組年均熱負(fù)荷為130 t/h，年均電負(fù)荷為250 MW(76%負(fù)荷率)。綜合考慮機(jī)組全負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，并兼顧供熱機(jī)組在調(diào)節(jié)響應(yīng)等方面的更大靈活性等因素，改造設(shè)計(jì)沿用噴嘴配汽設(shè)調(diào)節(jié)級的方式。改造后機(jī)組最大進(jìn)汽能力為1 073 t/h，可使機(jī)組具有更佳的寬負(fù)荷調(diào)節(jié)性。

2.2 通流葉片級

高中壓、低壓壓力級通流設(shè)計(jì)采用上汽廠先進(jìn)的整體通流葉片技術(shù)[1](Advanced Integrated Blade Technology，AIBT)，該技術(shù)包含了整體流道的通流設(shè)計(jì)，按效率最高、強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的要求自動完成通流跨距下的級數(shù)選型，以及彎扭葉片型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)、差脹間隙設(shè)計(jì)、葉頂圍帶和葉根優(yōu)選的設(shè)計(jì)。應(yīng)用該技術(shù)，可大幅提高機(jī)組通流設(shè)計(jì)效率，有效縮短設(shè)計(jì)周期。

AIBT技術(shù)主要特點(diǎn)如下：

1)遵循小直徑、多級數(shù)設(shè)計(jì)理念，各級均有鑲片式迷宮汽封，可有效降低通流部分的漏汽損失；

2)采用3D彎扭馬刀型動靜葉片，可有效減少二次流損失，并應(yīng)用了變反動度設(shè)計(jì)方法，以最優(yōu)的氣流特性確定各級反動度，使各級全三維葉片均處在最佳氣動狀態(tài)，提高整缸通流效率；

3)采用整體圍帶葉片，葉片均單片銑制、全切削加工而成，加工精度高，強(qiáng)度好，動應(yīng)力低，抗高溫蠕變性能好。

改造后高壓缸級數(shù)由原來的1級調(diào)節(jié)級加14級壓力級增加為1級調(diào)節(jié)級加15級壓力級；中壓缸級數(shù)由原來的8級增加到10級；低壓缸級數(shù)由原來的2×7級增加到2×8級。在通流部分跨距不變的條件下，在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了通流優(yōu)化升級設(shè)計(jì)，高、中壓缸設(shè)計(jì)效率分別達(dá)到了87.5%和93%以上的水平。

機(jī)組改造后以抽汽方式長期運(yùn)行，全年電負(fù)荷率預(yù)計(jì)為75%～80%。按此運(yùn)行模式，在供熱量130～350 t/h區(qū)間內(nèi)，與相同電負(fù)荷率條件下純凝運(yùn)行模式相比，機(jī)組低壓側(cè)排汽流量將減少約9%～30%。因此選擇綜合經(jīng)濟(jì)性更佳的末級長葉片，對改造后機(jī)組的高效運(yùn)行非常關(guān)鍵。改造方案低壓模塊采用了7 m2級末葉片，不但充分考慮了抽汽工況運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，也使機(jī)組在大流量抽汽時(shí)具有更高的可靠性和靈活性。

2.3 新型內(nèi)缸結(jié)構(gòu)

高中壓采用新設(shè)計(jì)的整體內(nèi)缸結(jié)構(gòu)，將原高壓內(nèi)缸、高壓靜葉持環(huán)及中壓1號持環(huán)合并，形成一個新的整體內(nèi)缸。整體內(nèi)缸的設(shè)計(jì)并非簡單地將原部件進(jìn)行整合，而是通過三維實(shí)體汽缸強(qiáng)度及密封性能的考核計(jì)算，來優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在滿足安全性的前提下，該結(jié)構(gòu)能夠提高汽缸的剛度，減小汽缸運(yùn)行過程中產(chǎn)生的變形。同時(shí)優(yōu)化汽缸壁厚，使機(jī)組啟停和變負(fù)荷運(yùn)行更加快捷安全。采用高中壓整體內(nèi)缸可以極大減少現(xiàn)場安裝調(diào)整的工作量，有效消除原裝配接合面內(nèi)漏等問題。

低壓缸采用新型斜撐式整體內(nèi)缸形式，應(yīng)用先進(jìn)的有限元算法對內(nèi)缸進(jìn)行三維模擬仿真計(jì)算設(shè)計(jì)，采用新型抽汽腔室和螺栓法蘭布置，解決了原機(jī)組內(nèi)缸變形和內(nèi)漏超溫的問題。與原機(jī)組采用的直撐式低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)相比，改造后低壓內(nèi)缸采用了漸縮的進(jìn)汽流道、特殊的抽汽腔室、變截面抽汽口優(yōu)化，以及更加便于檢修運(yùn)輸?shù)钠鸬醪贾玫?，使整個內(nèi)缸更加合理。

3 抽汽及熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)節(jié)能技術(shù)

3.1 級間抽汽技術(shù)

本項(xiàng)目供汽參數(shù)為1.4～1.6 MPa(a)，與中壓缸三抽壓力相近，因此采用三抽供汽，比改造前采用的高排與熱再供汽方式更為經(jīng)濟(jì)。在三抽處采用非調(diào)整抽汽方式供汽時(shí)，抽汽壓力將隨抽汽量增大或電負(fù)荷減小而降低，不能在較寬的負(fù)荷區(qū)間內(nèi)滿足供汽品質(zhì)要求。為了使級間抽汽(即中壓第1級組后三抽處抽汽)滿足60%以上負(fù)荷區(qū)間額定供熱經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求，此次改造將實(shí)行以下措施。

3.1.1 提高三抽壓力

采用在中壓級間抽汽的方式進(jìn)行供熱，若三抽壓力仍保持與原機(jī)型相同，則需在90%以上負(fù)荷運(yùn)行，抽汽壓力才能達(dá)到供熱要求。由于本項(xiàng)目要求機(jī)組在較寬負(fù)荷區(qū)間達(dá)到1.5 MPa、130 t/h以上蒸汽供熱，因此優(yōu)化提高三抽壓力非常有必要，并且將非常有效。改造后，三抽額定壓力提升至2.33 MPa，這樣可使機(jī)組采用非調(diào)整級間供熱方式，在負(fù)荷75%以上時(shí)滿足用汽參數(shù)要求。

3.1.2 中低壓連通管設(shè)調(diào)壓蝶閥

提高三抽壓力后，可以使75%～90%負(fù)荷區(qū)間三抽壓力滿足供汽品質(zhì)要求，但在75%負(fù)荷以下運(yùn)行時(shí)，三抽壓力仍低于供汽要求。為了提高低負(fù)荷抽汽運(yùn)行時(shí)的三抽壓力，在中低壓連通管裝設(shè)調(diào)壓蝶閥，通過調(diào)整蝶閥開度提高四抽 (中排)壓力的方式來間接提高三抽壓力，這樣可以使三抽供熱壓力達(dá)到參數(shù)要求。

原機(jī)組中壓通流為8級，為提高通流效率，改造后充分利用通流布置空間，中壓級數(shù)增加為10級。常規(guī)設(shè)計(jì)中，三抽供熱壓力的調(diào)整一般會考慮在中壓缸內(nèi)布置旋轉(zhuǎn)隔板或調(diào)壓閥進(jìn)行調(diào)壓，但因該改造機(jī)型軸向跨距和高中壓外缸基本均不變，有限的空間限制了中壓缸進(jìn)一步布置調(diào)整抽汽裝置。機(jī)組三抽抽汽口與中排之間僅有1個級組，中排壓力的變化將間接影響三抽壓力，按此思路，設(shè)計(jì)人員巧妙地在中低壓連通管上布置蝶閥，用于調(diào)整中排壓力，從而間接地將三抽壓力調(diào)整至目標(biāo)值。該方案的空間設(shè)計(jì)不但簡潔可靠，而且不會給通流部分排布和中壓缸效率帶來不利影響。

采用中低壓連通管布置調(diào)壓蝶閥的方式，有效解決了60%～75%負(fù)荷區(qū)間下抽汽運(yùn)行時(shí)級間抽汽參數(shù)偏低的問題。在該負(fù)荷區(qū)間采用級間抽汽時(shí)，雖然三抽下游級組流量大幅減少，但核算結(jié)果顯示中排前級組仍有較大安全流量，而且中排溫度在安全范圍內(nèi)，因此該方案可確保機(jī)組穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

3.1.3 增設(shè)大流量工業(yè)抽汽口

原機(jī)組在中壓第1級組后設(shè)第3段回?zé)岢槠?，此抽汽口布置于外缸下部，僅可供約50 t/h回?zé)嵊闷?，不具備額外供應(yīng)100 t/h以上蒸汽的能力。為滿足在此處供應(yīng)大流量抽汽的能力，在該處高中壓外缸上半增設(shè)了抽汽口，突破了原型機(jī)的抽汽口布置方式。

從改造性價(jià)比考慮，本項(xiàng)目外缸利用舊設(shè)備，因此需在原高壓外缸上半采用打孔方式，增設(shè)工業(yè)用汽抽汽口，如圖1所示。該抽汽口與三抽腔室相通，將工業(yè)用汽從上缸引出。該方案在原上部外缸上開孔，需避開中壓排汽口、持環(huán)腰帶、持環(huán)定位銷等結(jié)構(gòu)上的限制，通過對內(nèi)外缸部件結(jié)構(gòu)空間的優(yōu)化布置，滿足了最大達(dá)350 t/h的供汽量要求。

3.2 熱力系統(tǒng)優(yōu)化

本機(jī)組改造沿用原機(jī)型配置的8級回?zé)岢槠?3高+4低+1除氧)系統(tǒng)。為滿足改造后機(jī)組在抽汽工況下高效運(yùn)行的要求，對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化配置。改造前后高中壓各檔抽汽口的參數(shù)對比如表2所示。

從表2可見，此次改造對高排、三抽、中排參數(shù)均進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使機(jī)組抽汽工況運(yùn)行效率得到了大幅提升，并使機(jī)組在較寬負(fù)荷區(qū)間具有級間抽汽100～350 t/h的能力。

熱力系統(tǒng)重點(diǎn)節(jié)能措施包括：

1)優(yōu)化再熱壓力。在75%以下負(fù)荷三抽供汽工況下，中低壓連通管蝶閥需投入調(diào)節(jié)，此時(shí)三抽壓力和中排壓力升高，中排溫度將同步提高。從安全運(yùn)行角度考慮，機(jī)組中排運(yùn)行溫度有最高限制值。提高再熱壓力(即中壓進(jìn)口壓力)，可使中壓缸焓降增大，有利于降低中壓缸排汽溫度，從而使機(jī)組能夠在更寬運(yùn)行范圍內(nèi)保持抽汽工況可靠運(yùn)行。改造后，在鍋爐安全允許范圍內(nèi)，再熱壓力比之前提升了約3.6%，這使汽輪機(jī)運(yùn)行具有了更高的靈活性和可靠性。

2)優(yōu)化中低壓分缸壓力。機(jī)組實(shí)施級間抽汽技術(shù)改造后，為了使機(jī)組抽汽工況經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間拓寬至60%負(fù)荷，中低壓分缸壓力略有提升(約5%)。此外，因改造后三抽壓力提升幅度較大，對四抽(即中排)壓力進(jìn)行了同步提升，這樣可使加熱器溫升分配更均勻，有利于循環(huán)效率提高，同時(shí)也可使三抽壓力具有更佳的可調(diào)性。

3.3 2種抽汽方式按序靈活切換

采用中壓級間抽汽方式供熱，當(dāng)中低壓連通管蝶閥參與調(diào)節(jié)，提高中排及三抽壓力時(shí)，中排溫度將同步升高。根據(jù)中排安全運(yùn)行溫度要求，在額定抽汽量下供熱時(shí)，機(jī)組最低可在65%VWO進(jìn)汽量(約60%負(fù)荷)工況下滿足此限制要求。圖2是主蒸汽進(jìn)汽流量與中壓級間允許的最大供熱量的關(guān)系曲線。由此曲線可知，級間允許的最大供熱量隨進(jìn)汽流量的增加而增大，在接近VWO流量時(shí)，最大可達(dá)350 t/h。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，還可通過適當(dāng)降低再熱溫度的方式，使機(jī)組在相應(yīng)的進(jìn)汽量下有更大的級間抽汽供熱能力。此時(shí)中排溫度仍可控制在安全范圍內(nèi)。

當(dāng)機(jī)組在65%VWO進(jìn)汽量以下運(yùn)行，或抽汽流量需求大于圖2曲線對應(yīng)最大級間抽汽量時(shí)，機(jī)組供熱方式需切換至高排與熱再間抽汽供熱。對于蘇龍三期機(jī)組，原來已設(shè)置高排與熱再間抽汽管路，此次改造有效利用了原有管路，可保留此路供汽功能。

綜上分析，本機(jī)組在60%負(fù)荷以上區(qū)間運(yùn)行，且抽汽量不大于圖2曲線時(shí)，宜優(yōu)先采用經(jīng)濟(jì)性更佳的級間供熱方式；機(jī)組在60%負(fù)荷以下區(qū)間運(yùn)行，或不能滿足抽汽量要求時(shí)，可切換至高排與熱再間供熱方式。2種抽汽方式可在線靈活切換，使機(jī)組具有更佳的變工況抽汽運(yùn)行適應(yīng)性和高效經(jīng)濟(jì)性。

4 改造節(jié)能效果評價(jià)

蘇龍三期機(jī)組全年帶供熱運(yùn)行，年平均供熱流量約為 130 t/h，主要在310 MW和250 MW 兩個電負(fù)荷點(diǎn)附近區(qū)間運(yùn)行。因此本機(jī)組不以純凝工況為性能核算工況，而以310 MW和250 MW兩個電負(fù)荷供熱工況點(diǎn)作為改造方案經(jīng)濟(jì)性核算工況，且權(quán)重均為50%。

以下從級間抽汽供熱方式的節(jié)能效果和改造前后綜合經(jīng)濟(jì)性效果兩方面對典型運(yùn)行工況的節(jié)能指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)。

4.1 中壓級間抽汽供熱節(jié)能效果

改造前后兩種供熱方式的經(jīng)濟(jì)性對比如表3所示，其中改造后方案為方式1，改造前方案為方式2。該機(jī)型額定再熱壓力為3.6 MPa，溫度為538 ℃。按原機(jī)組在冷、熱再位置抽汽供熱(方式2)，蒸汽經(jīng)減溫減壓到壓力為1.4～1.6 MPa后供工業(yè)用汽。此供熱方式高品質(zhì)蒸汽低效使用，機(jī)組供熱經(jīng)濟(jì)性不佳。對于大流量抽汽工況，采用改造后的中壓級間抽汽供熱(方式1)，抽汽參數(shù)與工業(yè)用汽參數(shù)匹配度較好，減少了節(jié)流降溫?fù)p失，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性相對更好。

表3 兩種供熱方式的經(jīng)濟(jì)性對比

由表3可見，采用中壓級間供熱方式，機(jī)組綜合運(yùn)行熱耗可降低91 kJ/(kW·h)，在部分負(fù)荷供熱工況、大抽汽量供熱工況下，降耗效果更佳，可達(dá)116 kJ/(kW·h)。

4.2 綜合改造總體節(jié)能效果

2019年初，蘇龍三期5號、6號機(jī)于改造前進(jìn)行了供熱工況性能摸底試驗(yàn)，2臺機(jī)滿負(fù)荷供熱工況的試驗(yàn)熱耗修正平均值為7 935 kJ/(kW·h)[2]，按此計(jì)算，改造后機(jī)組滿負(fù)荷供熱工況熱耗可降低438 kJ/(kW·h)。若機(jī)組不進(jìn)行通流改造，僅實(shí)施常規(guī)大修，按熱耗可降低約80 kJ/(kW·h)計(jì)，則通流供熱改造可使機(jī)組額定供熱工況(THA1)熱耗降低值超過350 kJ/(kW·h)，在250 MW供熱工況(THA2)下熱耗降低值可超過400 kJ/(kW·h)，機(jī)組全年綜合平均運(yùn)行熱耗預(yù)計(jì)可降低約375 kJ/(kW·h)，對應(yīng)發(fā)電煤耗降低約13.9 g/(kW·h)。

按年利用小時(shí)數(shù)5 500 h、平均電負(fù)荷率75%計(jì)算，在扣除機(jī)組常規(guī)揭缸檢修的節(jié)能效果條件下，改造后機(jī)組每年可節(jié)省標(biāo)煤約1.9×104t。以標(biāo)煤價(jià)格600元/t計(jì)算，改造后機(jī)組可節(jié)省燃料成本1 140萬元/年。因此，此改造項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益和社會效益都十分顯著。

蘇龍三期5號機(jī)改造后于2020年12月進(jìn)行了性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)組THA1和THA2兩個考核工況熱耗均優(yōu)于性能保證值，加權(quán)綜合熱耗較改造前降低414.68 kJ/(kW·h)，試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了改造的實(shí)際效果。

5 結(jié) 論

本文介紹了蘇龍三期亞臨界330 MW機(jī)組高中、低壓缸全新通流改造方案，采用的技術(shù)包括先進(jìn)的整體通流葉片技術(shù)、熱力系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)、級間抽汽間接調(diào)壓技術(shù)[3]和抽汽方式切換技術(shù)等。改造的實(shí)施可顯著降低機(jī)組長期運(yùn)行在供熱工況區(qū)間時(shí)的熱耗，同時(shí)也消除了原機(jī)組能耗高、供熱工況可調(diào)性差等缺陷，有效提高了機(jī)組運(yùn)行的可靠性和靈活性。

此外，該項(xiàng)目以長期運(yùn)行的典型抽汽工況節(jié)能效果來評價(jià)改造效益，打破了目前國內(nèi)燃煤電站機(jī)組普遍以純凝工況作為性能評價(jià)指標(biāo)的模式。此評價(jià)方法最大限度地考慮了改造設(shè)計(jì)方案中抽汽工況性能最優(yōu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，使設(shè)計(jì)更貼合機(jī)組運(yùn)行實(shí)際情況。此評價(jià)模式可以給同類長期供熱運(yùn)行機(jī)組的指標(biāo)分析提供示范指導(dǎo)。