300 MW發電機組增容改造的實踐

林閩城

（浙能溫州發電有限公司，浙江溫州325602）

發電技術

300 MW發電機組增容改造的實踐

林閩城

（浙能溫州發電有限公司，浙江溫州325602）

在300 MW發電機組增容改造中，采用2種不同汽輪機通流設計技術，使汽輪機高中壓缸效率得到提高，同時對鍋爐、發電機、主變壓器等主設備也進行了相應的改造，改造后性能試驗表明：機組發電標煤耗下降7g/kWh以上,年節約標煤約1.2萬t，機組出力增加至330 MW，機組運行經濟性大大提高。

300 MW；增容；通流改造；性能試驗

燃煤火力發電企業為社會發展和經濟發展提供電力能源的同時也在大量消耗一次能源和水資源。隨著近幾年我國和全球經濟、能源和環保形勢的發展，火力發電企目前面臨的節能降耗需求越來越迫切。

由此，分別采用兩種節能降耗技術對3號與5號汽輪機的流通部分以及鍋爐、發電機、主變壓器等進行了增容改造，取得了顯著的增容、節能效果。

1 改造前機組概況

1.1 機組主設備簡介

汽輪機為上海汽輪機廠生產的N300-16.7/ 538/538型亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽、單軸、反動式凝汽式汽輪機，引進美國西屋技術的改進優化H156型。通流部分設計共有35級，其中：高壓缸包括1個調節級和11個壓力級；中壓缸有9個壓力級；低壓缸采用分流對稱布置，共2×7個壓力級；末級葉片為905 mm。該機組設計有8段回熱抽汽，即3個高壓加熱器（簡稱高加）、1個除氧器和4個低壓加熱器（簡稱低加）。

鍋爐為上海鍋爐廠引進美國ABB－CE公司技術制造的SG-1025/18.3-M843型亞臨界中間一次再熱控制循環汽包爐。

發電機為上海電機廠引進美國西屋技術制造的QFSN2-300-2型水－氫－氫發電機。

3號機組主變壓器為保定天威保變電氣股份有限公司制造，型號為SFP-370000/242。5號機組主變壓器型號為SFP-370000/220，由常州東芝變壓器有限公司制造。

1.2 機組改造前狀況

3，5號機組2011年全年供電煤耗分別為329.44 g/kWh，327.29 g/kWh，經濟性指標處于國內較領先的水平，比國產300 MW機組的平均供電煤耗平要低12 g/kWh左右，但與進口亞臨界300 MW機組的最先進水平還有10 g/kWh的差距。表1為3，5號機組熱力性能試驗結果。

表1 機組投產及檢修前熱力性能試驗結果

從表1中的試驗數據可以看出：3，5號汽輪機的高、中壓缸效率明顯低于設計值4%和2%左右，比反動式300 MW進口機組的先進水平要分別低6%和2.5%左右；汽輪機的熱耗水平（參數修正后）要比設計值低2%～3%。

2 汽輪機性能偏差分析

H156型300 MW機組汽輪機主要有以下幾個性能特點：

（1）設計完成于上世紀90年代中期，雖然采取可控渦理論進行設計，但與目前的全四維流場計算精度比較明顯較差，其高中壓缸效率明顯低于設計值。

（2）高壓通流結構設計為反流結構。高壓調節級與高壓壓力級蒸汽流向相反，存在反流損失和繞流損失。

（3）調節級效率偏低。額定工況下調節級功率約占高壓缸總功率的20%，調節級設計效率為64.36%，實測效率通常不到50%，調節級效率每降低1%，高壓缸效率則降低0.2%。

（4）高、中、低壓缸通流徑向間隙大。由于反動式機組的鼓形轉子結構，汽封處轉子直徑較大，汽封間隙稍大一點漏汽面積相應增加越多，漏汽損失越大。

（5）高壓缸夾層漏汽量偏大。由于高壓缸外缸與高壓缸隔板套之間未設置汽封，高壓進汽插管漏汽及高壓平衡活塞汽封漏汽至夾層，導致高壓缸排汽溫度升高，使高壓缸效率降低。

（6）H156機型在結構設計上仍然存在A156—F156機型中的一些“遺傳性”缺陷，比較典型的是各級回熱抽汽超溫和超壓，主要原因是進汽插管、高中壓內缸及持環中分面漏汽、平衡活塞汽封漏汽等。

3 汽輪機改造可行性分析

3.1 安全性

主要從以下幾點分析改造的安全可行性：

（1）材料。汽輪機改造各部件所需的材料均為在600 MW等級以上機組中已成熟應用的材料。高中壓轉子材質采用30Cr1Mo1V；高壓缸葉片材料采用19CrMoNbVN11-1；中壓葉片材料采用X19CrMoNbVN11-1和X20Cr13。

（2）轉子。高中壓轉子采用無中心孔、徹底消除殘余內應力的整鍛轉子；在強度設計方面采用先進的有限元結構設計分析軟件進行轉子強度的設計、分析和校核。

（3）葉片。在葉片的結構設計方面，借鑒西門子1 000 MW超超臨界機組的成功經驗，采用最新強化設計，確保葉片在強度和振動方面具有更大的安全裕度。

（4）抗固體粒子沖蝕設計。對高壓缸的通流部分，特別是第一級的噴嘴及動葉采取整鍛后電脈沖加工或銑制的措施，以防止顆粒侵蝕，增強葉片抗SPE（固體粒子沖蝕）性能。

（5）軸系。在軸系振動方面，采用專業的轉子動力學軟件對轉子和軸系的強度、不平衡響應、軸系穩定性、軸系扭振進行分析；不論是單個轉子的各臨界轉速或是軸系各臨界轉速，都充分遠離允許的轉速變化范圍，各臨界轉速避開額定轉速的±15%區間，軸和軸系的失穩轉速大于額定轉速的125%。在出廠前進行汽輪機轉子的高速動平衡試驗，試驗精度達到小于1.0 mm/s，將轉子和軸系振動減小到最小。

3.2 經濟性

3.2.1 汽輪機通流結構優化

汽輪機通流結構優化后，高壓部分調節級蒸汽流向由反流改為順流，六閥全開狀態下相對效率提高1．6%；高壓通流級數由原來的1+11級調整為1＋13級，中壓部分由原來的9級調整為10級，優化高中壓各級葉片焓降分配，提高了級效率；高壓內缸、持環等做成整體缸，減少了漏汽。

3.2.2 葉片型線優化

根據全三元流場設計，所有的高、中、低壓葉片級（除末三級）均采用3DS彎扭動、靜葉片，采用變反動度（30%～60%）設計優化通流，提高了級效率。

3.2.3 調節級子午面流道優化

調節級動葉和噴嘴子午面流道進行優化，采用新型葉型，做到優良匹配，減小噴嘴弧段之間的間隙，增加汽封齒數，進一步減小了二次流損失，最大限度地提高調節級效率。

3.2.4 動葉采用自帶圍帶

所有動葉片采用自帶圍帶結構及T型葉根，全切削加工，強度好、動應力低，抗高溫蠕變性能好，漏汽損失小。

3.2.5 汽封系統優化

所有動葉片均為自帶冠結構，增加葉頂汽封齒數；增加調節級葉頂汽封齒，減小其徑向間隙；通流部分采用多齒數鑲嵌式迷宮式汽封，在高中壓軸端汽封、高中壓間汽封采用蜂窩式汽封或布萊登汽封等新型汽封，以提高密封性能，減少蒸汽泄漏。

3.2.6 進汽和抽汽插管的結構改進

高壓進汽插管和抽汽插管彈性密封進行結構改進，增加密封環數量或采用堆疊式，以減少高壓進汽插管處漏汽，降低漏汽損失。

3.3 技術選擇

目前國內上海汽輪機廠（簡稱上汽廠）和北京全四維動力科技有限公司（簡稱全四維）兩家單位都能提供針對H156汽輪機的全缸改造技術方案，并均有多個發電廠類似機組的實施業績。綜合考慮后，溫州發電廠決定對3號和5號機組分別采用全四維和上汽廠的通流改造技術。

3.4 改造的總體目標和原則

改造后機組要達到以下幾點要求：

（1）汽輪機銘牌出力不低于330 MW；VWO（調閥全開）工況出力不低于340 MW。

（2）機組在額定主蒸汽參數及再熱蒸汽參數、高加全部退出下，額定背壓時能達到額定功率。

（3）高壓缸效率、中壓缸效率分別不低于87%，92%。

（4）機組在VWO工況出力運行時，各通流部分的部件滿足強度要求，調節級及各抽汽壓力不超過設計最大值。

（5）機組具有良好的變負荷性能，能采用復合變壓運行方式，并能在120 MW負荷長期安全、穩定地運行，40%～100%BMCR（鍋爐最大出力工況）增減負荷速率不小于3%/min；閥門管理功能滿足單閥、順序閥以及各種閥點的滑壓運行要求。

（6）汽輪機在技術性能方面能滿足電網調峰要求和具有二班制運行功能要求。

（7）設備使用壽命不少于30年。

機組改造過程要遵循以下幾點原則：

（1）在不影響安全和改造效果的前提下，盡可能利用原有設備，減少改造工作量。

（2）要求改造后的汽輪機設備利用率高，維護成本低，機組運行經濟性明顯提高。

（3）保持現有熱力系統配置不變，現有的熱力參數基本保持不變（變動范圍不超過±5%），不影響未改造設備的安全運行。

（4）高中壓外缸殼體，內缸及持環的原支撐方式，各管道接口位置，轉子跨度、軸系、汽輪機高壓轉子與主油泵短軸接口和位置，汽輪機與發電機連接方式和位置、現有的汽輪機基礎，汽輪機各軸承座、高中壓進汽閥門等都保持不變，改造后對基礎負荷應無影響。

4 機組增容改造

4.1 汽輪機改造

考慮到低壓缸效率接近87%，故暫不對低壓通流進行改造，其他通流部分的改造情況見表2。

上汽廠與全四維改造在結構設計上的最大區別就是上汽廠高壓缸通流級數設計為1＋13級，全四維設計為1＋12級；上汽廠的改造將原高壓內缸、高壓靜葉持環、高壓進汽測平衡活塞3個部件整合為整體內缸，且對原中壓內缸出現的變形現象進行重新設計缸壁加厚、緊固螺栓加粗；在汽封設計上普遍采用四門子鑲齒式技術，安裝調整較方便；全四維在插管密封上改進為堆疊式結構，密封性能較好，而上汽廠僅僅增加密封環數量。

4.2 鍋爐改造

根據熱平衡圖中TMCR（機組最大出力工況）下的數據，針對鍋爐蒸發量的提高進行了安全與性能評估，主要包括鍋爐汽水阻力、煙風阻力、爐膛及各受熱面、水冷系統、安全閥排量等熱力數據的變化影響。最終確定的改造方案如下：

（1）3號鍋爐經擴容改造后能滿足在最大蒸發量為1 050 t/h的工況下長期連續安全運行的要求，僅將汽水分離器由原來的56只增加到60只，重新布置安裝。

（2）5號鍋爐經擴容改造后能滿足在最大蒸發量為1 087.3 t/h的工況下長期連續安全運行的要求，改造內容：汽包內汽水分離器由原來的56只增加到60只，重新布置安裝；更換5只安全閥彈簧，即汽包2只、過熱器出口2只、再熱器進口1只；末級再熱器部分改造，爐內出口段約3.5 m高度的管子材料改為SA213-TP347H，爐外出口連接管材料改為SA213-T91。

4.3 發電機改造

二臺機組增容改造涉及的發電機部分改造內容相同，具體如下：

（1）發電機定子線圈端部加固，在定子線圈端部漸伸線間以絕緣材料及粘結膠填滿，連接線之間以絕緣材料墊實，發電機定子線圈槽內部分不作改動。

（2）發電機容量增大后的耗損發熱量增大，經核算后加大氫冷器換熱面積，更換為翅片式氫冷器（材質升級為BFe30銅管），換熱功率由2 530 kW增加至2 950 kW。

（3）更換發電機設備銘牌，額定容量由為353 MVA增到367 MVA，額定功率由300 MW增至330 MW，發電機定子電流由10 189 A增至10 585 A，功率因數由0.85改為0.9。

4.4 主變壓器改造

二臺機組增容改造涉及的主變改造由于制造廠不同，內容有所區別，具體如下：

（1）3號主變壓器改造內容為：更換5組冷卻器，包括：冷卻器本體、風扇、油泵、進出口油管、油流繼電器、蝶閥、法蘭、螺栓、控制箱、端子箱及內部配線；為保證變壓器帶負荷能力，更換了低壓引線及其導線夾；更換設備銘牌，額定容量由370 000 kVA增加到396 000 kVA。

表2 汽輪機通流部分改造內容

（2）5號主變壓器改造內容為：5組AEF-3.15S4 -2CR（210 kW）冷卻器全部更換為5組新型高效AEF-3.15T6-2CR（250 kW）；完成冷卻器變壓器油及繞組溫升核算；更換設備銘牌，額定容量由370 000 kVA增加到400 000 kVA。

5 機組增容改造效果

3號和5號機組汽輪機通流改造完成后進行了通流改造性能考核試驗和提高銘牌出力試驗，主要工況試驗數據見表3。

表3 機組通流改造后的性能試驗數據

5.1 改造后的試驗

5.1.1 汽輪機72 h滿負荷連續試運行

機組各工況下和滿負荷連續72 h運行期間，各監視段參數無異常，各個參數值均在機組的安全許可范圍內，滿足機組安全性指標，可長期安全穩定地運行。

5.1.2 發電機進相和溫升試驗

發電機增容后當有功負荷為332 MW，無功負荷160 Mvar工況下運行時，定子出線、定子繞組、定子鐵心所測量的最高溫度均在限額之內并有較大裕度，發電機可安全穩定運行；對發電機共進行3個工況下的進相試驗，各工況下所測得的電氣量、功角和各部位穩定溫度數據表明，3號與5號發電機均具備一定的進相運行能力。

5.1.3 AGC調節范圍擴大化試驗

機組增容至額定出力330 MW后，通過對原有的AGC（自動發電控制）控制范圍進行擴大化試驗，以覆蓋機組新增的發電能力，AGC聯調試驗結果：二臺機組協調控制系統及AGC投運滿足要求，300～330 MW負荷段9 MW/min指令變動時協調控制品質良好。

5.1.4 機組一次調頻功能試驗

以“CCS（協調控制系統）協調投入、DCS（分散控制系統）側和DEH（數字電液控制系統）側一次調頻功能投入”的運行方式，在不同頻差下進行一次調頻試驗，整個試驗過程中汽輪機處于多閥運行方式，汽包水位自動維持在±30 mm以內，主蒸汽溫度變化在±3℃以內，EH（抗燃油）油管路未發現明顯振動，汽輪機各主要監測參數，如振動、瓦溫、軸向位移均無異常變化。機組在新增的發電能力范圍內，一次調頻動作時能正確有效的動作，具備了一次調頻的投入功能。

5.2 試驗結論

3號、5號汽輪機組主輔設備及系統在負荷330 MW負荷下，可長期、安全、穩定、經濟運行。改造后與機組原300 MW負荷運行相比，供電煤耗分別下降7.28 g/kWh和7.51 g/kWh，年節約標煤約1.2萬t以上，運行經濟性明顯優于改造前。

6 改造后發現的問題

6.1 高排汽溫降低

通流改造后試驗期間，在工況調整的過程中發現再熱汽溫很難達到額定值，分析認為與通流改造后高壓缸效率提高而高壓缸排汽（簡稱高排）溫度下降有一定的關系，在鍋爐燃燒不進行調整的前提下，導致再熱汽溫下降，影響了機組的經濟運行。表4為通流改造前后機組主參數的比較。

在鍋爐受熱面未進行改造的情況下，建議運行人員采用燃燒調整、吹灰優化等手段來提高再熱汽溫，以保證機組高效、經濟運行。

6.2 5號機1號軸承振動

表4 通流改造前后THA工況下機組主參數變化

5號機改造后出現1號軸承X方向軸振達到120 μm，接近報警值127 μm，并有緩慢爬升的趨勢，特別是機組負荷在250 MW左右時，1號軸承Y方向軸振最大值達到140 μm。第一次停機檢查發現高壓轉子偏心度偏大，初步分析是由于制造加工周期短，轉子在毛坯及粗加工階段熱處理時間不夠，造成初始運行中應力釋放導致轉子彎曲產生的振動。重新開機，在高壓轉子調閥端和發電機端加重平衡塊2 800 g后，目前1號軸承振動基本穩定在11 μm左右。

7 結語

利用先進的汽輪機通流設計技術，完成了3號與5號機組300 MW汽輪機高中壓通流部分的技術改造。由于采用不同的設計技術、制造工藝的偏差以及安裝水平的高低等原因，改造結果會有差異，但總體來說，改造后二臺機組高中壓缸通流效率基本達到了合同保證值，與設計缸效之間偏差不大。在不影響機組長期安全穩定運行的前提下，達到節能降耗、提高機組銘牌出力和經濟性的目的。

[1]孔凡平，張文遜．國產300 MW汽輪機通流改造及經濟性分析[J]．發電設備，2003（4）∶15－17．

[2]趙偉光，王耀忱，李濤．國產300 MW汽輪機增容改造經濟性評價[J]．東北電力技術，2009（7）∶6－10．

[3]洪昌少，段小云．國產引進型300 MW汽輪機的通流改造[J]．華電技術，2011，33（5）∶47－50．

（本文編輯：陸瑩）

Practice of Compatibilization Reconstruction of 300 MW Units

LIN Min-cheng
（Zheneng Wenzhou Power Generation Co.，Ltd.，Wenzhou Zhejiang 325602，China）

The high pressure cylinders and medium pressure cylinders are greatly improved in the efficiency by the adoption of two kinds of through flow design technology of steam turbines.At the some time，the boilers，generators，main trarsformers and other main equipments are accordingly reformed.Performance test after the transformation demonstrates that coal consumption of the units for power generation reduces by more than 7 g/kWh；the annual save of standard coal amounts to 12 thousand tons;output of the units grows to 330 MW and the operation reliability is improved.

300 MW；compatibilization；through flow retrofit；performance test

TK262

：B

：1007-1881（2013）05-0031-06

2012-10-09

林閩城(1972-)，男，浙江溫州人，高級工程師，長期從事發電廠設備管理工作。