600 MW超臨界汽輪機通流改造效果及適應性分析

張鵬

（江蘇省國信集團有限公司，江蘇 南京 210005）

0 前言

為加快推進能源生產和消費革命，進一步提升煤電高效清潔發展水平，國家發改委、環保部、能源局聯合制定了《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》，要求到2020年，現役60萬千瓦及以上燃煤機組（除空冷機組外）改造后供電煤耗應小于300g/kWh[1]。而對于在1998-2010年間投產的亞臨界、超臨界60萬千瓦級燃煤機組，供電煤耗要完成國家發改委的要求難度很大。根據熱經濟性分析，電廠能耗高的一個重要原因是汽輪機通流部分效率低。

經過近20年的發展，圍繞提高效率和效益、改善環境、降低成本，各大汽機生產商紛紛引用和消化了國外最先進的、成熟的三維氣動熱力設計技術，進行了有計劃、有規模的舊機組通流部分改造，以增加出力、降低能耗[2]。

1 系統概述

某電廠二期汽輪機為東方汽輪機廠生產制造的超臨界壓力、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓、純凝汽式汽輪機，型號為：N630-24.2/538/566，最大連續出力為634.234MW，額定出力630MW。

機組采用復合變壓運行方式，汽輪機具有八級非調整回熱抽汽。主蒸汽經汽輪機二個主汽閥、四個高壓調節閥到汽輪機噴嘴膨脹做功。再熱蒸汽經中壓聯合汽閥分為兩路進入中壓內缸到汽輪機噴嘴膨脹做功。中壓缸作功后的蒸汽再進入兩個低壓缸作功，乏汽排入雙背壓凝汽器。

高壓缸由一級調節級和7級沖動式壓力級組成，中壓缸由6個壓力級組成，高壓缸進汽為部分進汽。低壓缸為雙流對稱結構設計，由2×7個級組成，末級動葉高度為1016 mm。

2 汽輪機改造原理

東方汽輪機廠生產的D600C機型設計開發于21世紀初期。與現在的設計技術能力和制造工藝水平相比，差距很大，主要體現在兩方面：一是汽缸效率低，機組熱耗高，煤耗高，機組熱力性能差；二是通流部件的制造、安裝、運行質量方面質量控制不精細[3]。

汽輪機通流部分改造的原理是保留原有高中低壓外缸的基礎上，對內部通流進行模塊化升級改造，其中高中壓缸采用沖動式設計，低壓缸采用反動式設計。級間適當增加葉片級數，采用的是整體通流設計技術（AIBT），在高中壓通流中采用了先進的GA系列葉型動葉片、集成預扭的動葉圍帶、可控流Platform隔板，提高了級效率和強度；采用較大高壓和中壓的噴嘴有效降低固體微粒沖蝕損壞；隔板及徑向汽封采用的是迷宮密封，在可靠的安裝工藝下有效地降低了級間漏汽，提高了汽輪機的效率；低壓缸采用了進排汽優化技術，末級動葉為37英寸帶鰭葉片，可以在復雜的三維跨音速流動環境中運行，具有兼顧高負荷和部分負荷運行效率的特點，有效降低了排汽損失，提高了抗水蝕性能；同時通過升參數達到降低發電煤耗，提高全廠熱效率的目的[4]。

3 汽輪機通流改造方案

汽輪機通流改造將采用高中壓內缸及低壓缸改造方案，通過對汽輪機三缸通流部分進行改造，達到提高汽輪機熱效率、增加汽輪機銘牌出力至650MW的目的[5]。

在確保改造參數達標的前提下，盡可能利用原有設備。原汽輪機的高中壓、低壓三缸外殼體和汽輪機與主、再熱蒸汽管道連接保持不變；汽輪機與發電機連接位置不變；汽輪機基座、軸承及抽汽口、高壓主汽門、調門、中聯門及其導汽管位置均不變。高壓動葉從原來的8級增加到10級，中壓動葉6級未變，低壓轉子從原來的2×2×7級增加到2×2×8級。

3.1 高中壓缸通流改造方案

新的高中壓內缸，轉子和通流部分為全新設計，高壓缸為部分進汽設計，內缸設計與現有的外汽缸匹配[6]。高中壓內缸改造方案如圖1所示。

新的高壓通流級數為10級。第一級調節級加寬，調節級后設置了一段混合區，確保汽流均勻進入第二級。改造后的高中壓缸采用噴嘴調節，能夠對應不同負荷時改變部分噴嘴開度。在通流部分，優化了葉片的節圓直徑，動葉具有先進的葉型，整體圍帶，在葉頂采用迷宮式汽封。

高壓隔板采用了具有先進的三維型線的靜葉，靜葉具有整體加工的根部和頂部圍帶，圍帶被焊進隔板內外環。中壓通流設計結合了先進的自帶圍帶的靜葉和裝在單獨的圍帶中的二維型線靜葉，并與隔板內外環焊接在一起。

蒸汽通過與內缸鑄造為一體的進汽管，和活塞環一起，裝在有司太立襯套的外缸中。新的襯套和活塞密封環可解決該區域漏汽問題。進汽環室與內缸鑄造為一體，結合部分進汽的分隔板和一個導流板，導流裝置還作為擋熱板，防止中間汽封體直接處于主蒸汽溫度之下[7]。

圖1 汽輪機高中壓通流改造示意圖

3.2 低壓缸通流改造方案

新的低壓通流由2×2×8級組成，末級葉片為RS37T的新型自帶鰭高性能葉片。葉高為37＂，排汽面積為7.58平方米/流程，末級和次末級靜葉材料均為球墨鑄鐵，葉型為彎掠和傾斜設計。彎掠和傾斜使得質量沿葉片徑向分布的更均勻。優化的葉片設計使流動的模數分布更平滑，峰值更少，以此減小損失[8]。低壓內缸改造方案如圖2所示。

圖2 汽輪機低壓通流改造示意圖

低壓轉子為整鍛轉子鼓型結構，剛性好，轉動慣量大,對扭振以及動葉與軸的耦合方式具有固有的不敏感性。轉子發電機端的聯軸器將與現有的發電機轉子相匹配，轉子的現場平衡特性和平衡面位置將和原轉子一樣。動葉安裝在軸上的葉根槽里。在級間汽封的位置，汽封片安裝于軸上。軸的兩端和中間有平衡面，用來安裝固定平衡塊[9]。次末級動葉自帶圍帶，葉片采用傾斜加彎扭設計，從葉頂到葉型底部各處的型線都滿足局部的三維流動特性的要求[11]。

新內缸分為上下兩半，由鋼板和棒料焊接而成，然后經熱處理消除焊接應力，新內缸將設計的和原外缸配合，現有外缸上的支撐和導向無需改動。對排汽導流環進行優化，以減小排汽損失，進一步提高低壓缸效率。對低壓汽輪機的徑向軸承的載荷進行了校核，根據計算結果，提供新的低壓缸徑向軸承。聯軸器螺栓采用全新的液壓聯軸器螺栓[12]。

4 改造后性能試驗效果

機組經汽輪機通流改造后增加出力20MW,機組銘牌從630MW提高到650MW，并已獲省能源局批準。

4.1 試驗修正的主要因素

1）改造前為冬季，改造后為夏季，修正了真空影響因素。

2）試驗工況下低低溫省煤器退出運行，修正煤耗約2g/kWh。

3）改造前后廠用電率下降0.1%，修正煤耗約0.3 g/kWh。

4）鍋爐效率提升，修正煤耗約2.7 g/kWh。

4.2 改造后性能試驗效果分析

600MW工況試驗熱耗率為7828.95 kJ/kWh，修正后熱耗率為7686.28kJ/kWh。試驗發電煤耗率為286.87 g/kWh，修正后發電煤耗為282.21g/kWh，修正發電煤耗4.66g/kWh。修正主要原因是改造前后氣溫對真空的影響、試驗工況下低低溫省煤器退出運行、鍋爐效率的提升[13]。

試驗發電廠用電率為4.57%，試驗供電煤耗為300.60g/kWh，修正后供電煤耗為295.72g/kWh，修正供電煤耗4.88g/kWh，比發電煤耗多下降0.22g/kWh。主要原因是廠用電率下降。

改造前后給水溫度從287.21℃下降到278.28℃，下降約8.9℃。主要原因是汽輪機因抽汽級數改變及效率提升，使抽汽溫度和壓力下降。

凝汽器未進行改造，性能未下降。主要因改造前后環境溫度升高，凝汽器壓力提升很多，對真空影響因素進行修正[15]。

綜上所述，通過汽輪機通流改造，標準發電煤耗下降7.51 g/kWh，標準供電煤耗下降8.17g/kWh[14]。

汽輪機通流改造前后參數對比如表1所示。

表1 汽輪機通流改造前后參數

4.3 汽輪機通流改造后相關輔機的適應性

汽輪機通流改造不改變汽輪機的熱力系統，各級回熱抽汽口的參數基本不變，壓力和溫度變化范圍很小，可以完全保證各級加熱器不超壓、不超溫，加熱器的安全運行是完全可以保證的[15]。根據汽輪機改造后650MW實際運行的參數，得出的結論和建議如下：

1）凝結水系統：凝泵變頻運行，凝結水流量1430t/h左右，小于凝泵容量1631 t/h。凝泵投入變頻運行，電流105A左右，小于額定電流133A，尚有余量。

2）給水回熱系統：汽泵轉速5800r/min左右，處于正常調速范圍3100～5900r/min內；進口流量平均960t/h左右，小于額定流量1070t/h。前置泵電流108A左右，小于額定電流142A。汽泵及其前置泵各熱力運行參數均在限額范圍內。

3）閉冷水系統：閉冷水溫最高36℃左右，小于40℃的設計正常值，閉冷水母管壓力0.65MPa，與改造前接近。閉冷泵電流84A，小于額定電流93.1A。

4）循環水系統：循泵單臺運行，電流145A左右，小于額定電流183A。循泵各參數均在限額范圍內。

5 結束語

從試驗結果來看試驗機組高、中壓缸效率均有所提升，熱耗率有所降低，機組標準發電煤耗和標準供電煤耗顯著降低，分別為7.51 g/kWh、8.17 g/kWh。改造后的標準供電煤耗為295.72 g/kWh，已符合國家《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)》中規定的技術要求。利用先進的汽輪機通流設計技術，對機組進行增容提效技術改造，在保證機組長期安全穩定運行的前提下，實現節約成本、降低能耗以及提高機組20MW出力的目標。