浙能蘭電600MW超臨界汽輪機(jī)增效擴(kuò)容改造

麻建中 （浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 蘭溪321100）

施浩勛 （浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州310003）

浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱浙能蘭電）裝備有4×600MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，自2006年4月至2007年5月間陸續(xù)投產(chǎn)。由于引進(jìn)的技術(shù)不夠先進(jìn)，機(jī)組自投產(chǎn)以來一直存在著運(yùn)行效率偏低的問題。4臺(tái)機(jī)組THA工況性能考核試驗(yàn)得出的汽輪發(fā)電機(jī)組熱耗率較大地偏離了設(shè)計(jì)值，分析認(rèn)為該型汽輪機(jī)的高、中、低壓缸效率都無法滿足設(shè)計(jì)要求，也達(dá)不到其他同類型汽輪機(jī)中的先進(jìn)效率水平。

借助阿爾斯通公司成功改造汽輪機(jī)的豐富經(jīng)驗(yàn)，浙能蘭電于2014年率先對(duì)3號(hào)汽輪機(jī)實(shí)施了增效擴(kuò)容改造并取得成功，并配套實(shí)施了熱一次風(fēng)道增容改造、鍋爐低溫再熱器、省煤器改造、主變?cè)鋈莞脑臁l(fā)電機(jī)增容改造等擴(kuò)容項(xiàng)目，機(jī)組銘牌功率增至660MW并大幅降低了煤耗，曾被國(guó)家能源局列為國(guó)家2014年煤電機(jī)組節(jié)能與改造示范項(xiàng)目。

1 改造前汽輪機(jī)狀況

1.1 汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要設(shè)計(jì)參數(shù)

浙能蘭電4臺(tái)汽輪機(jī)均為東方汽輪機(jī)廠引進(jìn)日本日立技術(shù)生產(chǎn)的單軸、三缸四排汽、超臨界、一次中間再熱、沖動(dòng)、雙背壓凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為N600－24.2／566／566。

該型汽輪機(jī)本體通流部分由1個(gè)高、中壓合缸和2個(gè)雙流低壓缸（A、B）3部分組成，3個(gè)缸均為雙層缸（內(nèi)缸和外缸），水平中分面結(jié)構(gòu)。汽輪機(jī)本體通流部分共有21級(jí)（42列），其中高壓缸包括1個(gè)單列調(diào)節(jié)級(jí)和7個(gè)壓力級(jí)；中壓缸有6個(gè)壓力級(jí)；低壓缸A有2×7個(gè)壓力級(jí)；低壓缸B有2×7個(gè)壓力級(jí)；末級(jí)葉片為1016mm。機(jī)組設(shè)計(jì)有8段（3個(gè)高加、1個(gè)除氧器和4個(gè)低加）回?zé)岢槠１P車裝置布置在低壓缸與發(fā)電機(jī)之間，盤車轉(zhuǎn)速為1.5r／min。汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)型式為HIACS－5000M高壓電液控制（抗燃油）。

汽輪機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：額定功率600MW，額定主蒸汽壓力／溫度為24.2MPa／566℃，額定再熱蒸汽壓力／溫度為3.976MPa／566℃；THA（熱耗率驗(yàn)收工況）設(shè)計(jì)額定蒸汽流量1705.2t／h，額定給水溫度282.4℃，額定工況熱耗7537kJ／ （kW·h），高、中、低壓缸效率86.3%、92.5%、93.2% ；VWO（閥門全開工況）設(shè)計(jì)最大蒸汽流量1903.23t／h，最大功率658MW，額定轉(zhuǎn)速3000r／min，額定背壓5.0～6.0kPa（平均5.5kPa）；設(shè)計(jì)循環(huán)冷卻水溫度23℃，最高循環(huán)冷卻水溫34℃，發(fā)電機(jī)額定功率因數(shù)0.9。

1.2 汽輪機(jī)存在的主要問題

1）高、中、低壓缸通流效率偏低 由于設(shè)計(jì)、制造技術(shù)方面的原因，浙能蘭電汽輪機(jī)通流效率偏低于設(shè)計(jì)值和當(dāng)前同類型汽輪機(jī)的先進(jìn)水平。4臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)初期，按照美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)《汽輪機(jī)性能驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程ASME PTC 6－1996》的要求而進(jìn)行了嚴(yán)格的性能考核試驗(yàn)，主要結(jié)果見表1。表1中的4臺(tái)機(jī)組在額定負(fù)荷THA工況的性能試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)組修正后熱耗率平均值為7804.9kJ／（kW·h），與設(shè)計(jì)值7537kJ／（kW·h）相比，偏高幅度達(dá)3.6%，試驗(yàn)結(jié)果反映了實(shí)際機(jī)組熱耗率與設(shè)計(jì)保證值之間有較大的差距。

表1 浙能蘭電4臺(tái)機(jī)組THA工況性能考核試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表

將表1中的缸效與設(shè)計(jì)值比較可知，額定負(fù)荷工況的高壓缸效率試驗(yàn)平均值為84.5%，比設(shè)計(jì)值86.3%偏低1.8%，影響整機(jī)效率約0.39%；試驗(yàn)中壓缸效率為91.4%，比設(shè)計(jì)值92.5% 偏低1.1%，影響整機(jī)效率約0.22%；試驗(yàn)低壓缸效率為86.3%，比設(shè)計(jì)值93.2% 偏低6.9%，影響整機(jī)效率約2.9%。綜合以上3項(xiàng)偏差，影響整機(jī)效率的總和為3.5%，這與機(jī)組試驗(yàn)修正后熱耗率與合同保證值的偏差幅度是基本吻合的。由此可知，導(dǎo)致汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行性能偏離于設(shè)計(jì)值的主要原因在于高、中、低壓缸通流效率的偏低。

2）變負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性不佳 由于設(shè)備招標(biāo)階段對(duì)于負(fù)荷率預(yù)計(jì)偏高，致使浙能蘭電汽輪機(jī)長(zhǎng)期處于大幅偏離低壓缸最佳容積流量的工況，而地處內(nèi)陸導(dǎo)致的高背壓又加劇了該狀況。

根據(jù)2010年1＃機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，1＃機(jī)組在全年運(yùn)行負(fù)荷率為78%。凝汽器壓力年平均運(yùn)行值為5.66kPa的運(yùn)行狀況下，推算得出的全年平均低壓缸排汽容積流量約為5400m3／s，而該型汽輪機(jī)低壓缸最高效率所對(duì)應(yīng)的“最佳排汽容積流量”約為7000m3／s，即實(shí)際平均工作容積流量的偏小幅度達(dá)到23%，由此而造成低壓缸工作效率與最高效率的差距約為1.1%。由于低壓缸的做功量占整個(gè)汽輪機(jī)功率的份額約為43%，由此而引起整機(jī)效率下降幅度約0.5%，折合機(jī)組供電煤耗率上升約1.5g／（kW·h）。

該型汽輪機(jī)低壓缸模塊選用1016mm的末級(jí)葉片，在低負(fù)荷率和高背壓的運(yùn)行工況下無法處于高效率區(qū)間，導(dǎo)致機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性不佳。經(jīng)測(cè)算，若采用末級(jí)葉片為909mm的低壓缸模塊代替現(xiàn)有模塊，在全年平均低壓缸排汽容積流量約為5400m3／s的情況下，低壓缸效率可提高1.1%。

3）高、中壓缸內(nèi)缸變形 投產(chǎn)后，于2007年始，4臺(tái)機(jī)組相繼進(jìn)行了第1次檢查性大修。汽輪機(jī)開缸后發(fā)現(xiàn)，4臺(tái)機(jī)組高中壓內(nèi)缸中分面均出現(xiàn)變形現(xiàn)象，內(nèi)缸出現(xiàn)內(nèi)張口，最大間隙幾乎在同樣位置，都在中壓進(jìn)汽室附近的2號(hào)軸封體位置，即19～20位置（見圖1）。自由狀態(tài)下（未緊螺栓）最大間隙均超過了3mm，最大達(dá)3.4mm，全冷緊后也達(dá)2mm左右，而檢修規(guī)程要求則是冷緊1／3螺栓后間隙在0.03mm以下。

針對(duì)該問題，浙能蘭電委托上海交通大學(xué)通過建模及數(shù)據(jù)分析，確定主要原因是高、中壓內(nèi)外缸夾層密封不嚴(yán)密，高壓缸排汽通過夾層漏入中壓缸，流動(dòng)的低溫蒸汽加劇了內(nèi)缸外壁的冷卻，造成汽缸熱應(yīng)力過大，最終致使缸體蠕動(dòng)變形。

2009年，制造廠曾就該問題在4＃機(jī)做了一些高壓內(nèi)外缸夾層密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)措施，內(nèi)缸內(nèi)外壁溫差最大自103℃降至86℃，但仍然偏高，效果不理想。

圖1 高中壓內(nèi)缸中分面的間隙測(cè)量位置標(biāo)示

2 改造目標(biāo)及原則

2.1 改造目標(biāo)

通過汽輪機(jī)通流改造，使機(jī)組效率達(dá)到同類機(jī)組的先進(jìn)水平，100%THA工況的機(jī)組熱耗率應(yīng)不大于7640kJ／（kW·h），供電煤耗下降6g／（kW·h）以上；機(jī)組增容至660MW；解決機(jī)組現(xiàn)存在的缸體變形等安全隱患，消除其他影響機(jī)組安全可靠運(yùn)行的缺陷，提高機(jī)組的安全可靠性和啟動(dòng)靈活性；能適應(yīng)深度調(diào)峰的要求，機(jī)組在通常變負(fù)荷范圍（50%～100%額定負(fù)荷）內(nèi)運(yùn)行時(shí)，具有較高的變負(fù)荷運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2.2 改造原則

①高、中壓缸和2只低壓缸通流全改；②汽輪機(jī)軸系、轉(zhuǎn)子跨度尺寸不變，旋轉(zhuǎn)方向不變；③主汽門、調(diào)門現(xiàn)有位置不變，各軸承座現(xiàn)有安裝位置不變；④汽輪機(jī)與軸承箱、發(fā)電機(jī)、主油泵、盤車裝置的接口不變；⑤機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)保持不變，汽輪機(jī)各管道接口與汽缸的相對(duì)位置不變，各抽汽口抽汽參數(shù)基本保持不變；⑥改造后汽輪機(jī)的軸向推力方向不變，推力數(shù)值能滿足各工況安全運(yùn)行的要求；⑦機(jī)組的基礎(chǔ)不動(dòng)，改造后基礎(chǔ)負(fù)載基本不變，設(shè)備滿足現(xiàn)場(chǎng)安裝要求。

3 改造方案

3.1 高、中壓模塊

更換轉(zhuǎn)子、內(nèi)缸及所有動(dòng)靜葉片；通流部分保留沖動(dòng)式設(shè)計(jì)，增加高壓缸級(jí)數(shù)至10級(jí)，中壓缸級(jí)數(shù)不變；高壓缸調(diào)節(jié)級(jí)后設(shè)置一段混合區(qū)，確保汽流均勻進(jìn)入第2級(jí)；根據(jù)速比優(yōu)化葉片的節(jié)圓直徑，葉片更長(zhǎng)，效率更高；動(dòng)葉葉型先進(jìn)，并采用整體圍帶，既利于頂部流道平滑，又利于在葉頂采用迷宮式汽封；加大高壓和中壓噴嘴，降低固體微粒沖蝕；高壓隔板采用具有先進(jìn)的三維型線的靜葉，靜葉具有整體加工的根部和頂部圍帶，圍帶被焊進(jìn)隔板內(nèi)外環(huán)；中壓缸既有自帶圍帶的靜葉也有裝在單獨(dú)圍帶中的二維型線靜葉，并與隔板內(nèi)外環(huán)焊接在一起。

3.2 低壓模塊

更換低壓轉(zhuǎn)子、低壓內(nèi)缸及所有動(dòng)靜葉片；采用阿爾斯通高性能反動(dòng)式通流設(shè)計(jì)，級(jí)數(shù)增至8級(jí)，末級(jí)葉片為RS37T（37英寸帶鰭葉片）；采用焊接式空心轉(zhuǎn)子；除了末級(jí)動(dòng)葉，其他葉片都是具有整體圍帶的全三維設(shè)計(jì)；末2級(jí)葉根采用縱樹型軸向安裝，其他動(dòng)葉采用雙T型葉根周向安裝；末級(jí)動(dòng)葉進(jìn)汽邊外緣采用感應(yīng)硬化處理，整個(gè)表面采用噴丸處理來進(jìn)一步提高其防水蝕、應(yīng)力開裂的特性和腐蝕疲勞強(qiáng)度。

4 改造效果

2014年3月至6月，浙能蘭電對(duì)3＃汽輪機(jī)進(jìn)行了增效擴(kuò)容通流改造。其后，委托浙江省電力科學(xué)研究院按照ASME規(guī)程要求進(jìn)行了3＃汽輪機(jī)通流改造后熱力性能試驗(yàn)，結(jié)果顯示3號(hào)機(jī)組滿足夏季工況下660MW運(yùn)行的要求，加權(quán)考核熱耗達(dá)到合同要求值，收到預(yù)期效果。

100%THA工況下，汽輪機(jī)高中低壓缸效率分別為88.63%、90.98%和90.70%，熱耗為7628.41 kJ／（kW·h）（合同為7630kJ／（kW·h））；75%THA工況下，汽輪機(jī)高中低壓缸效率分別為85.67%、91.11%和89.45%，熱耗為7804.24kJ／（kW·h）（合同為7814kJ／（kW·h））；加權(quán)為7716.32kJ／（kW·h）（合同為7722kJ／（kW·h）），熱耗指標(biāo)均達(dá)到了合同要求值。

與改造前相比，改造后滿負(fù)荷汽輪機(jī)熱耗降低了約176kJ／（kW·h），供電煤耗可下降6.5g／（kW·h）。若按負(fù)荷600MW、利用小時(shí)5000h、廠用電率5%計(jì)算，單臺(tái)機(jī)組年節(jié)約標(biāo)煤18525t；按目前蘭溪電廠年平均標(biāo)煤價(jià)800元／t計(jì)，單機(jī)年節(jié)約成本為1482萬元；折算減少SO2排放19.5t，減少氮氧化物排放25.6t（以脫硝改造后的排放計(jì)算），具有較好的節(jié)能降耗減排效益。若按負(fù)荷660MW計(jì)算，單機(jī)年可多發(fā)電量3×108kW·h，按單位邊際收益0.118元／kW·h計(jì)算，可增加發(fā)電利潤(rùn)3540萬元。2項(xiàng)收益總和可達(dá)5022萬元，經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。

［1］劉景春，高海，孫永斌 .汽輪機(jī)通流部分改造對(duì)機(jī)組效率的影響 ［J］.東北電力技術(shù)，2012（11）：20～23.

［2］查冰峰.200MW汽輪機(jī)通流部分改造及效果分析 ［J］.江西電力，2008，32（6）：49～51.

［3］浙江省電力設(shè)計(jì)院 .浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司600MW汽輪機(jī)增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目可行性研究報(bào)告 ［Z］.2012.

［4］浙江省電力公司電力科學(xué)研究院 .浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司＃3汽輪機(jī)組通流改造后熱力性能試驗(yàn)報(bào)告 ［Z］.2014.