亞臨界煤電機(jī)組增容提效技術(shù)及 性能考核試驗(yàn)

趙 斌，孔垂茂，肖卓楠，黃章俊，龍玉鳳，邊技超

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源動(dòng)力與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114； 2.河北國(guó)華滄東發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 滄州 061113； 3.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；4.北京電力設(shè)備總廠有限公司，北京 102401）

近年來，為達(dá)到節(jié)能和減排2個(gè)約束性目標(biāo)，在“上大壓小”政策下，我國(guó)電力工業(yè)逐步關(guān)停和淘汰高能耗的小型火電機(jī)組，600 MW及以上的大容量、高參數(shù)的發(fā)電機(jī)組已逐漸成為主流的電力生產(chǎn)設(shè)備[1]。然而，目前我國(guó)的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗與國(guó)際先進(jìn)水平比還存在著較大差距[2-3]。汽輪機(jī)是燃煤火力發(fā)電廠中的關(guān)鍵設(shè)備，汽輪機(jī)本體及輔機(jī)的性能是影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性水平的重要因素[3]。在當(dāng)前“雙碳”背景下，火電機(jī)組通流部分改造及輔機(jī)節(jié)能改造技術(shù)的綜合應(yīng)用，對(duì)于近一步提升煤電機(jī)組整體運(yùn)行效率、降低供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗有著十分重要的作用。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)役汽輪機(jī)組經(jīng)過多年的運(yùn)行，普遍出現(xiàn)了機(jī)組缸效率低、輔機(jī)能耗高等問題。國(guó)外關(guān)于火力發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)及輔機(jī)節(jié)能改造技術(shù)的研究己長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)：20世紀(jì)七八十年代，日立公司就開始對(duì)汽輪機(jī)改造進(jìn)行了研究；通用電氣公司、西屋電氣公司更是對(duì)運(yùn)行中的汽輪機(jī)改造技術(shù)做了大量的基礎(chǔ)研究，取得了較高的效益[4-7]。自1987年聯(lián)合國(guó)對(duì)中國(guó)實(shí)施燃煤電站節(jié)能改造援助項(xiàng)目起，國(guó)內(nèi)的機(jī)組改造技術(shù)才開始快速發(fā)展，改造后機(jī)組的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都得到了極大改善，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)[8-10]。進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)內(nèi)引進(jìn)并自主研發(fā)了多項(xiàng)先進(jìn)的汽輪機(jī)改造技術(shù)，通流部分的設(shè)計(jì)工藝[11]也實(shí)現(xiàn)了較大的發(fā)展。

本文以一臺(tái)600 MW煤電機(jī)組增容提效改造為例，針對(duì)具體的改造目標(biāo)，采用先進(jìn)的AIBT通流技術(shù)、輔機(jī)節(jié)能技術(shù)對(duì)該臺(tái)機(jī)組實(shí)施改造，并對(duì)增容改造后的汽輪機(jī)組進(jìn)行性能考核試驗(yàn)，對(duì)比分析改造前后機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

1 機(jī)組增容提效改造目標(biāo)

1.1 需求分析

我國(guó)煤電機(jī)組年發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗與發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)比如圖1所示。從20世紀(jì)90年代開始，隨著先進(jìn)技術(shù)逐步應(yīng)用，我國(guó)煤電機(jī)組發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗持續(xù)降低，但與世界先進(jìn)水平比還存在一定差距[12-13]。

圖1 我國(guó)煤電機(jī)組年發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗與發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)比Fig.1 Comparison of annual power generation standard coal consumption of coal-fired units between China and developed countries

國(guó)內(nèi)某電廠1臺(tái)600 MW機(jī)組采用20世紀(jì) 90年代由上海汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的亞臨界汽輪機(jī)組。經(jīng)過多年的運(yùn)行，該機(jī)組實(shí)際運(yùn)行參數(shù)已嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值，機(jī)組安全性降低、經(jīng)濟(jì)性變差。

此外，限于該煤電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)的技術(shù)水平，發(fā)電機(jī)組大多數(shù)輔機(jī)的設(shè)計(jì)裕度大、節(jié)能技術(shù)水平相對(duì)較低。

1.2 改造目標(biāo)

在改造過程中，通常把對(duì)煤電機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)性影響因素大、效果顯著的項(xiàng)目作為機(jī)組改造重點(diǎn)工作。針對(duì)亞臨界600 MW煤電機(jī)組，以最大限度利用原有設(shè)備和管道、降低改造成本為優(yōu)化原則，采用成熟、先進(jìn)的技術(shù)，改善機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及安全可靠性。具體改造目標(biāo)如下：

1）通過對(duì)汽輪機(jī)通流部分改造，機(jī)組增容至630 MW；

2）通過提升高、中、低壓缸效率，機(jī)組熱耗率降至7775 kJ(kW·h)，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗比改造前降低5%以上；

3）采用變頻改造、永磁調(diào)速改造、射汽抽真空改造等技術(shù)，提升輔機(jī)節(jié)能技術(shù)水平。

2 機(jī)組增容提效改造技術(shù)

2.1 汽輪機(jī)本體

汽輪機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性與通流部分直接相關(guān)，而汽輪機(jī)各級(jí)效率是影響汽輪機(jī)組內(nèi)效率的主要因素，因此提升汽輪機(jī)各級(jí)效率是提高熱經(jīng)濟(jì)性的有效途徑。針對(duì)蒸汽理想焓降減小的汽輪機(jī)，要提高各級(jí)效率，必須減少級(jí)內(nèi)和級(jí)外各項(xiàng)損失。因此減少汽輪機(jī)各項(xiàng)損失是汽輪機(jī)本體增容提效的重要研究方向[14-17]。

采用AIBT通流技術(shù)對(duì)原汽輪機(jī)組各汽缸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改造，達(dá)到增加汽輪機(jī)出力、降低汽輪機(jī)組熱耗、提高機(jī)組運(yùn)行安全性的目的。汽輪機(jī)各汽缸改造方案匯總見表1[18]。先進(jìn)通流技術(shù)主要針對(duì)汽輪機(jī)組通流部分、調(diào)節(jié)級(jí)葉柵和葉片進(jìn)行優(yōu)化改造，降低各結(jié)構(gòu)處損失，提高汽輪機(jī)組內(nèi)效率。各結(jié)構(gòu)對(duì)汽輪機(jī)組內(nèi)效率的影響分析及優(yōu)化措施見表2[19-20]。

表1 汽輪機(jī)組各汽缸改造方案匯總Tab.1 Summary of reform schemes for each cylinder of steam turbine unit

表2 汽輪機(jī)組各結(jié)構(gòu)對(duì)效率的影響分析及優(yōu)化措施Tab.2 Impact analysis of efficiency and measures optimization for steam turbine structure

1）通流結(jié)構(gòu)優(yōu)化 根據(jù)AIBT通流技術(shù)設(shè)計(jì)機(jī)組，并優(yōu)化整體布置結(jié)構(gòu)。經(jīng)通流技術(shù)改造后，使得高壓缸實(shí)現(xiàn)了光滑圓弧的進(jìn)汽結(jié)構(gòu)，蒸汽經(jīng)過調(diào)節(jié)級(jí)后直接在首級(jí)的噴嘴做功，與原進(jìn)汽結(jié)構(gòu)相比，一定程度提高了調(diào)節(jié)級(jí)的做功能力。改造前后高壓缸通流部分結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖2所示。

圖2 汽輪機(jī)高壓缸通流部分改造前后結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.2 Structure comparison of flow path part of steam turbine high pressure cylinder before and after retrofit

2）調(diào)節(jié)級(jí)葉柵優(yōu)化 在通流技術(shù)改造前，調(diào)節(jié)級(jí)二次流損失較大，通過實(shí)施子午面收縮改造技術(shù)，二次分配調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)汽通道載荷，可有效降低調(diào)節(jié)級(jí)內(nèi)損失，進(jìn)而提高汽輪機(jī)組內(nèi)效率。

3）葉片優(yōu)化 彎扭聯(lián)合成型葉片直徑小、級(jí)數(shù)多，采用各級(jí)高低多齒的汽封設(shè)計(jì)和T型葉根的設(shè)計(jì)，同時(shí)葉片根據(jù)汽缸內(nèi)的汽流特性合理設(shè)計(jì)反動(dòng)度，降低了漏汽損失。汽輪機(jī)T型葉根結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 汽輪機(jī)T型葉根結(jié)構(gòu)示意Fig.3 The T-type blade root structure for steam turbine

2.2 電廠輔機(jī)

1）凝結(jié)水泵變頻改造 鑒于目前600 MW級(jí)火電機(jī)組參與調(diào)峰已是行業(yè)內(nèi)大勢(shì)所趨，因此確定對(duì)凝結(jié)水泵采用永磁或變頻改造。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置狀況，制定加裝變頻設(shè)備的改造方案。額定工況下，變頻凝結(jié)水泵的廠用電率由0.40%降低到0.18%。

2）冷卻水泵永磁調(diào)速改造 冷卻水泵采用調(diào)節(jié)閥門的方式來控制輸出流量，造成冷卻水泵的運(yùn)行效率低?？紤]到變頻改造成本，采用成本與節(jié)能兼顧的永磁調(diào)速改造方案。額定工況下，改造后的冷卻水泵節(jié)能效果達(dá)到18.6%以上。

3）抽真空系統(tǒng)改造 煤電機(jī)組抽真空系統(tǒng)配置3臺(tái)水環(huán)式真空泵，可滿足設(shè)計(jì)背壓為4.9 kPa的要求。在較好的冷源環(huán)境下，為進(jìn)一步提高機(jī)組真空，降低廠用電，布置蒸汽噴射器抽真空系統(tǒng)，降低機(jī)組背壓至4.0 kPa。額定工況下，改造后機(jī)組熱耗率降低了29 kJ/(kW·h)，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗約降低了 1 g/(kW·h)。

4）循環(huán)水系統(tǒng)增容改造 煤電機(jī)組額定功率由600 MW升級(jí)為630 MW后，在現(xiàn)有循環(huán)水泵的基礎(chǔ)上，保留外筒體及泵軸、導(dǎo)葉體等，重新制作更換葉輪，增大循環(huán)水泵容量；循環(huán)水泵電機(jī)配合其參數(shù)的修改，進(jìn)行局部改造。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行時(shí)靈活調(diào)節(jié)，用雙速電機(jī)替換循環(huán)水泵電機(jī)。

3 機(jī)組改造后性能考核試驗(yàn)

為驗(yàn)證煤電機(jī)組整體改造效果，對(duì)改造后的機(jī)組進(jìn)行了熱力性能考核試驗(yàn)。

3.1 測(cè)點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)采集

1）試驗(yàn)測(cè)點(diǎn) 按照ASME PTC6—2004試驗(yàn)規(guī)程要求布置性能試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)（圖4）。溫度測(cè)點(diǎn)、壓力測(cè)點(diǎn)和流量測(cè)點(diǎn)分別布置51個(gè)、45個(gè)和7個(gè)；電功率測(cè)點(diǎn)布置了2組，水位測(cè)點(diǎn)布置了3組。

圖4 機(jī)組性能試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 The arrangement of measuring points for unit performance test

2）數(shù)據(jù)采集 試驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)按照ASME PTC6—2004標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理，所有采集數(shù)據(jù)按單獨(dú)工況下的時(shí)間段，計(jì)算出各測(cè)量段的平均值。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 熱耗率

通過對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行通流改造，降低驗(yàn)收工況（簡(jiǎn)稱THA）下的熱耗率，提高機(jī)組內(nèi)效率和額定工況（簡(jiǎn)稱TRL）出力，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的增容、提效的目標(biāo)。

三閥全開（three valve wide open，3VWO）和兩閥全開（two valve wide open，2VWO）2個(gè)試驗(yàn)工 況的機(jī)組負(fù)荷分別接近THA和75%THA。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程，為降低誤差，對(duì)測(cè)定三閥全開工況、75%額定負(fù)荷以及50%額定負(fù)荷下熱耗率進(jìn)行了重復(fù)性試驗(yàn)。汽輪機(jī)組三閥全開工況試驗(yàn)（3VWO-1、3VWO-2）結(jié)果見表3。

表3 汽輪機(jī)組改造后THA工況試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 THA test results of steam turbine after retrofit

在三閥全開工況下進(jìn)行2次試驗(yàn)，經(jīng)過修正后，熱耗率分別為7729.09、7722.97 kJ/(kW·h)。2次試驗(yàn)修正后平均熱耗率為7726.03 kJ/(kW·h)，比改造目標(biāo)值7775 kJ(kW·h)降低了48.97 kJ/(kW·h)；2次試驗(yàn)結(jié)果相差0.08%，滿足ASME PTC6—2004標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性試驗(yàn)要求。2次試驗(yàn)修正后機(jī)組平均負(fù)荷為628.25 MW。因此三閥全開工況下機(jī)組熱耗率優(yōu)于設(shè)計(jì)值。

3.2.2 供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗

汽輪機(jī)組在負(fù)荷為470 MW（75%THA）和 315 MW （50%THA）工況下的試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 汽輪機(jī)組改造后變工況試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Variable working condition test results after steam turbine unit retrofit

由表4可知，改造后630 MW負(fù)荷工況下進(jìn)行的第2次試驗(yàn)，機(jī)組廠用電率為3.13%，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為291.38 g/(kW·h)，修正后供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗值為289.68 g/(kW·h)，達(dá)到了機(jī)組改造的預(yù)期目標(biāo)。

3.2.3 熱經(jīng)濟(jì)性

根據(jù)表4的試驗(yàn)結(jié)果，得到汽輪機(jī)組熱耗率隨負(fù)荷的變化曲線，如圖5所示。由圖5可見，通流改造后的機(jī)組熱耗率隨負(fù)荷增加而降低，機(jī)組在負(fù)荷470 MW工況下熱耗率變化較快。分析表明改造后的機(jī)組在75 %額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，節(jié)能最為明顯。汽輪機(jī)組改造前后主要熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對(duì)比見表5。

圖5 汽輪機(jī)組熱耗率隨負(fù)荷的變化關(guān)系Fig.5 The relationship between heat consumption rate of steam turbine unit with load

由表5可知：汽輪機(jī)組改造后出力增加了30 MW；在630 MW額定負(fù)荷下，改造后的熱耗率為 7726.03 kJ/(kW·h)，比改造前最后一次大修的修后試驗(yàn)值8226.20 kJ/(kW·h)降低了500.17 kJ/(kW·h)；機(jī)組經(jīng)改造后，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗由311.42 g/(kW·h)降至289.68 g/(kW·h)，降低了7.5 %。若照機(jī)組年平均利用小時(shí)數(shù)為5000 h計(jì)算，折合標(biāo)準(zhǔn)煤?jiǎn)蝺r(jià)選取600元/t，年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤41265 t，年可節(jié)省燃料成本2476萬元，投資回收期約為5年。

表5 汽輪機(jī)組改造前后熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對(duì)比Tab.5 Comparison of thermal economic indicators before and after steam turbine unit retrofit

4 結(jié)論

1）采用AIBT通流改造技術(shù)優(yōu)化汽輪機(jī)高壓缸噴嘴組及高、中、低壓各級(jí)動(dòng)葉、靜葉，提高機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)性。

2）采用變頻、永磁調(diào)速、射汽抽真空等技術(shù)，對(duì)煤電機(jī)組相關(guān)輔機(jī)進(jìn)行改造，可有效降低機(jī)組廠用電率。

3）汽輪機(jī)組改造后額定功率由600 MW增容至630 MW。在額定負(fù)荷工況下，經(jīng)過2次試驗(yàn)修正后的熱耗率優(yōu)于設(shè)計(jì)值，平均熱耗率為7726.03 kJ/(kW·h)，比改造前降低了500.17 kJ/(kW·h)，比改造目標(biāo)值 7775 kJ/(kW·h)低48.97 kJ/(kW·h)。在THA工況下，通流改造后機(jī)組的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為289.68 g/(kW·h)，比改造前的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗311.42 g/(kW·h)降低了7.5%。

4）分析汽輪機(jī)通流部分及相關(guān)輔機(jī)改造對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組增容提效的影響，對(duì)煤電機(jī)組安全節(jié)能改造提供參考依據(jù)。