兩種300MW機組整體通流部分改造技術異同分析

史嘯曦，顧 敏

（1.上海外高橋發電有限責任公司，上海 200137；2.上海明華電力技術工程有限公司，上海 200090）

0 引言

外高橋電廠1號、2號機組是上汽廠引進型300MW，屬于第二批改進型（C156），3號、4號機組是上汽廠引進型300MW，屬于第三批改進型（F156）。經過十多年的運行，出現機組老化、葉片損壞等問題，對電廠的經濟性和可靠性帶來很大影響。目前機組主要存在以下問題：高壓噴嘴組損壞；低壓缸次末級葉片斷裂；高壓缸效率偏低；低壓缸中分面漏汽。

外高橋發電有限責任公司于2008年10月到2011年6月，對國產引進型300MW機組進行整體通流部分改造，其中1號、2號機組采用西屋公司的改造技術，3號、4號機組采用西門子公司百萬級大容量機組的改造技術。這次改造使機組的經濟性、可靠性及運行靈活性均達到國際先進水平。改造后的汽輪發電機組銘牌（額定）出力為的320MW，降低煤耗達10g／kWh以上，設備運行安全可靠，達到了改造目標。

1 兩種汽輪機通流部分整體改造技術的異同

1.1 改造目標的異同

1）改造目標的相同之處：

（1）改造后汽輪機銘牌（額定）出力不低于320MW。

（2）改造后機組在額定主蒸汽參數及再熱蒸汽參數、高加全部切除的條件下，額定背壓時能發出額定功率。

（3）改造后機組在熱耗率驗收工況（THA）下，在80%、60%、40%額定負荷運行時也能保持較低的熱耗率。

（4）改造后機組在閥門全開工況（VWO）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）改造后機組具有良好的變負荷性能，能采用復合變壓運行方式，并且能在120MW負荷下長期安全、穩定運行，50%～100%在額定工況下補水率為0的連續工況（T-MCR）增減負荷速率不小于5%／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）改造后汽輪機在技術性能方面，能滿足電網調峰要求以及具有二班制運行功能要求。

（7）通過改造消除機組存在的高壓噴嘴組損壞、低壓缸次末級葉片斷裂、高壓缸效率偏低、低壓缸中分面漏汽等主要問題，以提高機組的安全性和經濟性。

（8）改造后設備具有30年的使用壽命。

2）改造目標的不同之處，如表1所示。

表1 改造目標的不同之處

1.2 改造范圍

西屋技術、百萬級大容量技術的改造范圍全完相同，具體如下。

1）高、中、低壓缸通流部分。

2）高中壓轉子、低壓轉子。

3）高中壓內缸、低壓內缸。

4）其他部件中低壓缸連通管、聯軸器護罩和蓋板、盤車大齒輪、差脹指示儀及支架。

1.3 改造后的差異

1）各典型工況下機組出力和熱耗率的差異，如表2所示。

2）不同額定出力時汽輪發電機組熱耗率的差異，如表3所示。

表2 各典型工況下機組出力和熱耗率的差異

表3 不同額定出力時汽輪發電機組熱耗率差異

3）不同額定出力時汽輪機缸效率差異，如表4所示。

表4 不同額定出力時汽輪機缸效率差異 %

在表4中，高、中壓缸效率包括蒸汽閥門的損失；低壓缸效率包括排汽缸損失。

4）汽輪機的零部件（不包括易損件）的設計使用壽命不少于30年，在其壽命期內能承受下列工況：

（1）冷態起動（停機72h以上，且汽缸金屬壁溫已低于該測量點滿負荷時金屬壁溫值的40%以下）300次。

（2）溫態起動（停機10～72h，且壁溫為原值的40%～80%）1000次。

（3）熱態起動（停機10h以下，且壁溫為原值的80%以上）3000次。

（4）極熱態起動（停機小于1.5h，且壁溫接近原值）150次。

（5）負荷階躍（負荷變化大于10%）12000次。

這些總壽命消耗不大于汽輪機的零部件（不包括易損件）的設計使用壽命的75%。

1.4 主要改造措施的異同

1）高壓缸改進措施的異同，如表5所示。

表5 高壓缸改進措施的異同

2）中壓缸改進措施的異同，如表6所示。

表6 中壓缸改進措施的異同

3）低壓缸改進措施的異同，如表7所示。

表7 低壓缸改進措施的異同

4）其他改造措施的異同，如表8所示。

表8 其他改造措施的異同

2 兩種技術改造中主要新技術的應用

2.1 汽缸部分采用全三元流場設計

在改造過程中，高中壓汽缸部分和低壓汽缸部分都采用了最先進的全三元流場設計，是基于N-S全三元氣動計算技術設計，比原來兩元流場設計技術更能準確模擬不同工況之間的相對變化以及全場參數的分布規律，如圖1所示。

圖1 基于全三元氣動計算技術的流場設計

2.2 高效反動式全三維全馬刀動靜葉片

此新型葉片的設計也是基于全三元理論，減少了靜葉葉根部轉折角，沿葉高等反動度分布，如圖2所示。

圖2 全三維全馬刀動靜葉片

2.3 無中心孔轉子

隨著轉子材質和鍛造手段的改進，改造使用了無中心孔轉子，使最大應力下降50%，并且加快了冷態啟動時間，可縮短約3h，提高了高壓缸通流效率，如圖3所示。

圖3 無中心孔轉子

2.4 強化的樅樹形葉根型線

本次使用強化的樅樹形葉根型線，可以使應力集中下降50%，動應力下降10%～30%，提高了抗低周疲勞性能，滿足1號機組調峰運行的需要，如圖4所示。

圖4 強化的樅樹形葉根型線

2.5 自帶圍帶動葉

在高中壓缸部分的改造中使用了自帶圍帶動葉設計，與無圍帶動葉相比，具有降低振動應力、降低圍帶連接部分離心應力、抗蠕變破壞，抗腐蝕坑等優點，如圖5所示。

圖5 自帶圍帶動葉

2.6 采用了高性能的材料

在改造中，高壓及中壓第一級動葉和566～593℃的超臨界機組采用了具有600℃更高疲勞強度的新材料10705Z2。低壓末二級葉片采用比12Cr鋼具有更高抗腐蝕性的材料17-4PH。

2.7 應用了布萊登汽封

在改造中，1號機組在高壓側平衡活塞汽封、高壓排汽側平衡活塞汽封、中壓側平衡活塞汽封中使用布萊登汽封（見圖6），以達到減少汽封磨損，保持機組效率的作用。

圖6 布萊登汽封

2.8 汽缸端汽封應用了蜂窩汽封

在高中壓缸端汽封和低壓缸端汽封處使用了蜂窩汽封，蜂窩式密封在結構上是由厚為0.05～0.10mm的海斯特（Hasttelloy-X）高溫合金制成正六邊形的蜂窩狀，以取代梳齒式密封的梳齒，具有耐磨損、不傷軸、壽命長、密封效果好等優點。其密封機理使這種蜂窩狀結構能產生很強的渦流和屏障，從而形成很大的阻尼而達到阻止工質泄漏的密封效果。蜂窩式密封在最小的材料質量下能保證密封具有最大的強度；允許在高壓降下應用且不增加密封的尺寸；簡化了渦輪機組安裝和修理時的裝配工作，比梳齒密封具有更好的轉子動力學特性。

蜂窩狀密封比梳齒式密封減少泄漏量，節能效果顯著，如圖7所示。

圖7 蜂窩汽封結構

3 改進后的效果比較

3.1 改造前后熱耗比較

1）西屋技術改造前后的熱耗率比較，如表9所示。汽輪機通流部件改造后熱耗率平均下降約3.5%（相應降低機組煤耗率約3.5%）。需要指出的是，改造前熱耗率試驗是在汽輪機運行6年后（一個大修周期）進行，此時性能最差；改造后熱耗率試驗是在汽輪機為全新狀態下進行，此時性能最好。因此，表9中顯示的改造前后熱耗率差值為最大值。較為科學的比較方法為，采用汽輪機改造前和改造后運行6年（一個大修周期）的熱耗率平均水平進行比較，能較合理地反映汽輪機改造后的實際效果。依據汽輪機隨運行時間的老化規律，此方法確定的汽輪機改造前后的熱耗率差值比上述最大值減小0.5%～0.8%。

表9 西屋技術改造前后的熱耗率比較

2）百萬級大容量技術改造前后的熱耗率比較，如表10所示。

表10 百萬級大容量技術改造前后的熱耗率比較

3.2 改造后的煤耗比較

改造后的性能試驗表明，在300MW擴容到320MW的基礎上，改造后在負荷300MW時煤耗降低約11g／kWh，在負荷320MW時煤耗可降低約12g／kWh。達到改造的目標，提高了機組運行的經濟性和效率，取得了較好的效果。

1）西屋技術改造前后的煤率比較，如表11所示。

表11 西屋技術改造前后的煤率比較

由表11可知，在額定工況下，機組改造（大修）后的供電煤耗率約為309.5g／kWh，比改造（大修）前的供電煤耗率（324.4g／kWh）約降低了14.9g／kWh，下降了約4.6%。

2）百萬級大容量技術改造前后的煤率比較，如表12所示。

表12 百萬級大容量技術改造前后的煤率比較

由表12可知，機組改造（大修）前的供電煤耗率對機組負荷加權平均值為328.3g／kWh；而機組改造（大修）后的供電煤耗率對機組負荷加權平均值為316.1g／kWh，比改造（大修）前降低了12.2g／kWh，下降了約3.7%。

4 結語

1）從實際效果看，改造項目總體達到了降低煤耗、提高效率、消除安全隱患的良好效果，尤其是在目前節能環保的大環境下，對于一些老機組如何能煥發出新的生命力，具有一定的推廣價值和借鑒作用。

2）從1號、2號機組采用的西屋改造技術與3號、4號機組采用的百萬級大容量改造技術相比，百萬級大容量改造技術更具有潛力并且代表了新的改造技術方向。

3）通過運用目前最先進的汽輪機通流部分改造技術手段，使得機組的煤耗降低了10g／kWh以上，設備運行安全可靠，達到了改造的目標。