超臨界600 MW機組汽輪機升參數改造

陳顯輝， 鄧 宇， 雷曉龍， 張小波

(東方汽輪機有限公司， 四川德陽 618000)

為響應國家提出的節能減排[1]、降低汽輪機組熱耗水平、提高企業競爭力，某電廠采用國內某汽輪機制造廠自主研發的第三代高效沖動式汽輪機通流技術，結合提升主蒸汽參數、進排汽流道優化和密封結構優化等措施，對3臺超臨界600 MW機組汽輪機組進行了提效改造，可為后續在役機組提效改造及新建機組提供參考。

1 改造前狀況

改造前汽輪機為國產引進型超臨界、三缸四排汽汽輪機，型號為N600-24.2/538/566。

該機組于2005年至2006年相繼投產發電，采用了某汽輪機制造廠第一代通流技術，三缸效率達不到設計值，主要表現在：(1)第一代葉型損失大，葉片流型設計不夠先進；(2)宏觀熱力參數(速比、焓降)不在最佳范圍；(3)進、排汽流道(動、靜葉以外)壓損偏大；(4)動葉為鉚接圍帶形式，動葉葉頂汽封齒數少；(5)中、低壓缸分缸壓力和溫度偏高，低壓結構設計技術落后，導致低壓內缸變形；(6)高壓內缸材料檔次低，易造成內張口，缸內內漏嚴重；(7)中壓葉輪冷卻蒸汽、平衡孔、高壓缸排汽通風閥、事故排放閥等存在內漏。

2015年底改造前，采用ASME標準對該機組進行的高精度性能試驗結果顯示：3臺汽輪機在600 MW工況下的熱耗率均為7 950 kJ/(kW·h)左右，與目前國內同型汽輪機先進水平相比，相差350 kJ/(kW·h)以上。

2 改造方案

現代大功率汽輪機采用的高壓配汽方式主要有噴嘴配汽(有調節級)和節流配汽(無調節級)兩種方式，節流配汽可細分為全滑壓、節流運行及旁通配汽(帶補汽閥)。理論上，在低負荷工況下，由于循環參數較高，噴嘴配汽經濟性優于節流配汽；但是在高負荷工況下，由于調節級部分進汽等原因，節流配汽經濟性優于噴嘴配汽[2]。

針對改造前汽輪機存在的問題，在不更換高中壓外缸及高壓閥組的情況下，綜合考慮電廠年平均負荷率在80%以上的客觀實際情況，汽輪機通流改造最終采用技術路線為：無調節級、主蒸汽溫度由538 ℃提升至566 ℃的沖動式通流。

改造后，汽輪機額定功率增至650 MW，主蒸汽溫度由538 ℃提升至566 ℃，再熱蒸汽溫度保持在566 ℃，改造后高壓缸通流級數增加了3級，取消了有部分進汽損失的調節級，中、低壓缸通流級數保持不變。改造后汽輪機縱剖面圖見圖1，改造前、后高中壓缸及低壓缸通流部分對比分別見圖2和圖3(改造前為下半部分，改造后為上半部分)。

圖1 改造后機組縱剖面圖

圖2 改造前、后高中壓缸通流對比圖

圖3 改造前后低壓缸通流對比圖

3 通流改造技術

3.1 先進的葉型開發

采用高度后加載靜葉和大剛度動葉相匹配的第三代高效沖動式葉型技術，其具有型線損失小、壓力分布靠后和端部二次流損失小等優點。與第一代引進型葉型最高輪周效率相比，第三代高效葉型輪周效率最高點提升了約0.72百分點，效率提升顯著。級輪周效率相對收益(改進后葉型效率與改進前葉型效率的差值)見圖4，根部速比(級動葉根部圓周速度與級理想滯止等熵焓降對應的速度比)為通流級設計的特征參數。

圖4 級輪周效率相對收益與根部速比的關系

3.2 高效的通流級設計

采用小焓降、多級數的設計理念，在軸承跨距不變的情況下，盡量增加級數，提高動靜葉片的絕對高度和相對高度，減少動靜葉頂部和根部二次流損失所占級損失的百分比。

3.3 邊界層抽吸設計

合理布置平衡孔，盡量減小沖動式汽輪機隔板漏汽對主流的干擾，減少摻混損失，使級效率提高了約0.5百分點。

3.4 進、排汽流道優化

對汽輪機各進、排汽流道進行優化，可大幅降低進、排汽壓損。

3.4.1 高壓缸進汽室優化

采用進汽室與內缸合體結構(見圖5)。該結構有以下優點：(1)消除漩渦，使流線光順，減小紊流損失，優化后壓損僅為原來的50%左右；(2)進汽腔室與內缸合二為一，減少可能存在的漏汽點；(3)出汽口均勻，進汽腔室到高壓缸首級壓損也相應減小。

圖5 高壓進汽室優化結構模型

3.4.2 低壓缸排汽流道優化

采用全三元優化技術對低壓導流環進行優化，提高排汽缸靜壓恢復系數。

3.5 高壓內缸結構優化

高壓內缸結構采取如下措施進行優化：

(1) 進汽室與內缸鑄為一體，相對于原來的獨立噴嘴室結構，消除內漏，提高高壓缸效率。

(2) 優化中分面法蘭結構、螺栓大小和螺栓位置，減小熱應力，增加汽密性，消除內漏。

(3) 高壓缸內缸材質由ZG15Cr1Mo1V升級為ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，提高高溫下內缸的持久強度，保證內缸在使用壽命周期內不發生變形。

(4) 高壓內缸外壁增設隔熱罩(見圖6)，減小內缸內外壁溫差，防止出現內張口。

圖6 高壓內缸隔熱罩示意圖

3.6 低壓內缸結構優化

低壓內缸進汽采用斜置持環結構，將進汽部分整體焊接到低壓缸上，取消單獨的進汽室，消除裝配結構引起的蒸汽內漏，從而有效解決低壓各級抽汽溫度偏高的問題。優化后示意圖見圖7。

圖7 優化后低壓內缸結構示意圖

3.7 汽封優化

針對原高中壓過橋汽封齒數偏少，過橋汽封漏汽量偏大的現象，改造后過橋汽封圈增加3圈，共增加21個汽封齒。

根據汽輪機各缸運行參數及各類汽封形式的優缺點，對高壓缸前四級采用東方先進型(DAS)汽封和防旋相結合的組合汽封形式。

DAS汽封可在機組啟停過程中，保護常規尖齒不被磨損，從而保證長期運行后，汽封間隙基本保持安裝初期水平，提高機組長期運行經濟性。防旋汽封可以使流過的蒸汽在圓周方向更加均勻，防止轉子發生汽流激振的作用。具體結構見圖8。

圖8 DAS加防旋汽封示意圖

動葉片頂部采用自帶冠結構，冠部加工高、低城墻齒，增加齒數，能有效減少動葉頂部漏汽，提高各級效率。具體結構見圖9。

圖9 動葉片頂部汽封示意圖

3.8 增加密封結構

在汽輪機本體內外缸結合面處，增加密封結構，減少夾層內漏；高壓1段抽汽管與內缸的連接方式由插管改為法蘭連接；高壓內缸定位肩胛、中壓內缸定位肩胛處增加盤根和汽封齒密封。

3.9 系統結構優化

取消高中壓外缸上半部過橋汽封處動平衡裝置和中壓1級轉子葉輪冷卻裝置(見圖10)，以及高中壓外缸下半部事故排放閥裝置(見圖11)，并進行封堵。高壓缸排汽通風閥前增設一道電動閥，在滿足汽輪機啟停的情況下，減少高排漏汽。

圖10 原過橋汽封處動平衡和中壓1級轉子葉輪冷卻裝置

圖11 原高中壓外缸下半部事故排放閥裝置

4 效果分析

為考核汽輪機通流改造后的經濟性，按高精度ASME PTC—2004試驗標準[3]先后進行了3臺汽輪機的性能考核試驗。

4.1 試驗結果

電廠3臺汽輪機通流改造后，在額定負荷下的試驗結果見表1。

表1 改造后額定負荷工況性能試驗結果

以電廠3臺汽輪機試驗結果平均值為基準，在額定負荷下考核性能試驗結果為：高壓缸效率比設計值高0.19百分點；中壓缸效率比設計值高0.34百分點；實測高中壓過橋漏汽占再熱蒸汽流量的比為1.9%，小于設計比2.2%；低壓缸效率有效能終點效率比設計值高0.44百分點；修正后熱耗率為7 572.0 kJ/(kW·h)，比設計值7 594.0 kJ/(kW·h)低22 kJ/(kW·h)。

4.2 經濟性分析

對于超臨界600 MW等級高中合缸通流改造機組，該廠與國外C電廠4臺機組汽輪機改造后性能試驗結果對比見表2(VWO為閥門全開工況)。

表2 國內外廠家改造后性能試驗結果對比

在高壓調節閥全開狀態下，該廠高壓缸效率平均值和國外電廠相當，中壓缸效率比國外電廠高了約0.67百分點，熱耗率與國外電廠同類型汽輪機改造后相當。

5 結語

采用國內某汽輪機制造廠第三代沖動式汽輪機通流技術，結合多種優化措施對某熱耗率偏高、汽缸效率偏低機組的汽輪機進行了提效、增容改造。改造后高精度性能考核試驗結果表明：該汽輪機熱耗率比改造前降低了378 kJ/(kW·h)左右，熱力性能指標優于設計值。通過與國外廠家改造后的熱耗率對比，改造效果已達到了國內先進水平，對同類改造和新建機組都具有借鑒作用。