國產引進型300 MW汽輪發電機組汽機優化工作和高中壓缸改造的可行性分析

(黑龍江辰能新能源開發股份有限責任公司,哈爾濱 150090)

0 引 言

我國于1990年前后引進美國西屋公司技術生產300 MW汽輪發電機組，某公司前期投產的機組均發現其經濟性與設計值差距較大，特別是高壓缸效率明顯偏低，平均比設計值偏低7.5%左右。要解決這一重大高能耗問題，首先要分析清楚機組的經濟指標與設計值偏差的原因；其次是要確定切實可行的處理辦法。這不僅是國家能源政策決策部門重點關心的問題，在同行業交流中議論較多的問題，也是公司領導比較關心的問題。

某公司對這一國內同類型機組存在的重大問題列為工作重點之一,進行了長期的分析、試驗、研究，做了大量的工作。通過組織實施《高壓缸排汽溫度高原因分析》科技項目、《#1機組熱力系統優化》、《#2機組熱力系統優化》二個技改項目和《汽輪機高中壓缸改造的可行性評估》科技項目，大幅度提高了機組的經濟性，使公司二臺機組的經濟指標處于國內領先水平。對汽輪機高中壓缸改造的可行性進行科學的評估，得出重要結論，使這一研究成果也處于國內領先水平。

1 #1、#2汽輪機優化工作概況和經濟效益分析

1.1 #1、#2汽輪機優化工作概況

(1)提高機組安全性的措施有：在汽輪機高中壓缸新增溫度測點5點；在高中壓缸夾層下半部增加阻汽片；原強迫冷卻空氣到中壓缸冷卻蒸汽管改到#3抽。#1機取消了取消外置式疏水擴容器；

(2)汽機本體優化措施項有：高壓平衡汽封、高壓排汽平衡汽封、中壓平衡汽封、高壓軸封內擋、中壓軸封內擋共12道汽封改為布萊登汽封；減小高壓調節級徑向葉頂和葉根汽封間隙；減小高壓噴嘴組之間的膨脹間隙；取消中壓缸冷卻蒸汽管。#1機取消了中壓外缸中部疏水手動閥、中壓缸排汽端疏水手動閥、高中壓平衡管手動疏水閥等。

(3)簡化和取消多余的熱力系統：取消主汽到軸封調節閥旁路閥、高排通風管閥、爐5%旁路至凝汽器管閥、冷再供軸封系統和輔汽供軸封門后電動總閥。#1機取消了#1、#2高壓導管放汽閥。

(4)合并富裕的疏水系統：高排逆止門后機爐側疏水、冷再至小機疏水3路合并。#1機將#1、#2高壓主汽門前疏水合并； 二根高壓導管疏水合并；#1、#2中壓主汽門前氣動疏水閥合并；#1、#2中壓導汽管疏水2點合并。

(5)改進不合理的熱力系統：各主汽門、調門門桿1擋漏汽由到冷再改接到同側的中壓主汽門前；#4抽汽到除氧器進汽電動閥前疏水與#4抽電動門后疏水合并；軸封溢流調節閥更換增大通徑，增加一路管道接至#7低加汽側；取消輔汽疏擴。#1機：高中壓平衡管的疏水管接到#4抽逆止門前抽汽管上；增加軸封供汽疏水母管，原軸封9處疏水直接進疏水母管，并加自動疏水器旁路。#2機：將軸封溢流調節閥移位；主汽到軸封調節閥后疏水增加自動疏水器旁路及其前后隔離閥；軸封供汽聯箱減溫水后疏水電動疏水閥加裝自動疏水器旁路及其前后隔離閥；輔汽供軸封主、旁路閥前后增加自動疏水器旁路及其前后隔離閥。

(6)取消多余的疏水系統：取消#1、#3、#4、#5、#6抽逆止門與電動門之間的疏水閥、高排逆止門前、逆止閥后疏水袋底部放水閥。#1機取消了主蒸汽母管疏水；

(7)部分熱備用熱力系統的疏水采用自動疏水器。

(8)疏水擴容器優化布置排列，熱負荷合理分配：用高排通風閥和5%旁路閥的設計余量，將主再熱蒸汽二路疏水布置到高加事故疏擴。其他疏水恢復到背包式疏擴，使熱負荷分散均衡。

(9)輔助設備改進：凝結水泵取消一級葉輪；軸封加熱器更換，換熱面積由64 m2增加到100 m2。

1.2 經濟性分析

1.2.1 #1機組

根據西安熱工研究院、浙江中試所的對比試驗和運行統計數據分析，扣除大修常規收益和其他改造收益，#1機優化的收益為12～14 g/kWh左右。大修后高壓缸效率提高5.35%。扣除常規大修，汽輪機本體優化收益約為4～5 g/kWh左右，熱力系統優化的效益約為8～9 g/kWh左右。

#1機組大修后到當年年底共運行約4 166 h，發電10.212 42億度。按12 g/kWh計算，節約標準煤12.255萬t，按340元/t計算，節約發電成本416.65萬元，折算到全年(按近三年的年平均運行小時數計算)可節約成本794.1萬元。

#1機優化項目實際投入166.524 8萬元，產出794.1萬元/年，投入產出比為1∶4.77。

1.2.2 #2機組

根據西安熱工研究院、浙江中試所的對比試驗和運行統計數據分析，扣除大修常規收益和其他改造收益，#2機優化的收益約為11 g/kWh左右。大修后高壓缸效率提高3.8%，扣除常規大修，汽輪機本體優化收益約為3 g/kWh左右，熱力系統優化的效益約為8 g/kWh左右。

#2機組大修后到當年年底共運行約6 484 h，發電15.149 8億度。按11 g/kWh計算，節約標準煤16.66萬t，按340元/t計算，節約發電成本566.6萬元，折算到全年可節約成本693.83萬元。

#2機優化項目實際投入148.77萬元，產出693.83萬元/年，投入產出比為1∶4.66

機組大修后經歷了機組冷態啟動、溫態啟動和極熱態啟動各種運行方式的考驗，疏水系統工作正常，由于增加了一系列安全措施，為運行人員提供了可靠的監視和調整手段，確保了機組安全啟停。在#1機組實現了省公司300 MW以上機組大修全優“零”的突破， #2機組大修后再創全優，最長連續運行時間超過#1機組創下的153天的紀錄。創連續運行250天的新記錄。

汽機優化項目的實施產生了效益是巨大的，為公司供電煤耗連續二年向前跨了二大步的過程中起到關鍵作用，是公司成立以來效益最好的技改項目。

2 汽輪機高中壓缸改造的可行性評估

2.1 高壓缸效率偏低原因分析

2.1.1制造廠熱力計算書提供的設計值存在誤差

委托西安熱工院對制造廠提供的熱力計算書進行校核計算，見下表。

項 目設計值校核計算值差值調節級效率7269.72.3壓力級效率89.2789.72-0.45高壓缸通流效率87.1285.961.16高壓缸綜合缸效率87.1285.261.86

產生誤差的原因主要有：

(1)第1壓力級的進口壓力直接取調節級的出口壓力，而沒有考慮調節級與壓力級反相布置，汽流轉向時因撞擊而產生的較大的余速損失和磨擦損失。

(2)各壓力級之間，上一級出口存在余速損失，下一級進口存在撞擊損失。所以上一級的出口蒸汽參數，不等于下一級進口的蒸汽參數。制造廠熱力計算書取同一值，存在一定計算誤差。另外每一級的沒有作功的汽封漏汽，與通過每級作過功的蒸汽在級后混合后，也將抬高下一級的進口蒸汽溫度。

(3)制造廠提供的高壓缸效率，一般是高壓缸通流效率，即相對內效率。根據本機組設計的結構，調節級后經高壓平衡活塞和高壓缸夾層到高壓排汽的漏汽，使冷再溫度比高排溫度抬高，使高壓缸實際缸效率低于高壓缸通流效率。而考核高壓缸實際性能的應是高壓缸綜合效率。

(4)部分系數的取值比較理想化，也使計算值偏高。

制造廠熱力計算書提供的設計計算值偏高，這有利于制造廠商業抄作和市場競爭。這是機組運行實際運行指標比設計值偏低的一個原因，擴大了與設計值的差距。

2.1.2 通流間隙設計值和實際間隙偏大

(1)汽輪機通流間隙設計值偏大

汽輪機通流間隙設計的原則，是在保證安全的前提下，滿足機組的經濟性。首先考慮的是在機組起停過臨界時，轉子的最危險點不發生動靜部分磨擦。對高中壓合缸機組來說，轉子的最危險點是高壓平衡汽封和高壓、中壓的前幾級，這恰是壓力等級較高、汽封漏汽對機組經濟性影響較大的幾級。一般設計計算在進行轉子熱繞曲計算時，還要放一定的安全余量，降低了其經濟性。且本機型的設計比其他機型的設計間隙都大：例如調節級設計徑向間隙，125 MW機組為1～1.45 mm；200機組為0.9～1.4 mm；而本機組為2.5 mm。

(2)檢修實際間隙比設計值偏大

很多檢修單位為保證檢修后能夠啟動一次成功，往往在檢修調整中把實際間隙控制比設計值偏大，有的取設計上限。

通流間隙偏大是高壓缸效率偏低的主要原因，這使高壓缸效率偏低5%左右。現通過實施#1、#2機組優化措施，取得了這部分收益。

2.1.3 部分蒸汽不作功導致直接損失

(1)高壓缸夾層冷卻蒸汽

高壓缸夾層冷卻蒸汽從調節級后引出，經高壓缸夾層流向高壓排汽口，這部分沒有作功的高溫蒸汽，與經高壓缸通流部分以作過功的蒸汽混合后，提高了冷再蒸汽溫度，使得高壓缸實際效率(即高壓缸綜合效率)降低。另外由于結構設計上問題，上下缸冷卻蒸汽量不均勻，容易導致上下缸溫差大等不安全隱患。

(2)中壓缸冷卻蒸汽

除高中壓缸之間的平衡汽封漏汽進入中壓缸外，還從高壓缸夾層引出一路蒸汽，用于冷卻中壓轉子首級葉根。從實際效果看，這一設計不僅是多余的，浪費了作功能力，反而帶來一些不安全隱患。在實施汽機優化項目時，已取得一定的節能效果。

(3)機組運行工況偏離額定工況，導致高壓缸效率降低

機組負荷根據電網需求進行調整，平均負荷偏離設計工況，是高壓缸效率偏低的一個原因。根據制造廠提供的設計曲線，主蒸汽流量從額定工況908 t/h下降到825 t/h。高壓缸效率將下降1%左右。加上熱力系統、回熱系統上其他偏離設計的因素，高壓缸效率將下降值還要大一些。從實時決策輔助系統中查高壓缸效率曲線：從負荷300 MW降到250 MW，高壓缸效率下降約2.5%左右。

2.2 汽輪機專業的理論發展

汽輪機技術的重點是通流部分設計，在汽輪機技術發展的初級階段，機組容量很小，采用一元流動和理想氣體理論，蒸汽參數相對較低，葉片一般是短葉片、直葉片，葉型也較簡單，缸效率一般只有40%～50%左右；隨著機組容量和參數不斷提高，汽輪機理論發展到二元流動和粘性氣體理論，葉型采用流線型，汽缸效率提高到70%左右；在三四十年前汽輪機技術就發展到三元流動理想，各種風動實驗室建立為汽輪機設計提供了大量的數據，葉型采用流線型變截面葉片、扭葉片、長葉片等，汽封技術也不斷發展，汽缸效率又有一定提高，目前中壓缸效率可達到93%左右，高壓缸效率(含調節級和調速汽門)可達到88%～89%左右。因近二三十年已達到全三維設計的最高水平，并趨向成熟，基本上沒有理論突破的空間，再提高高壓缸效率相當困難。

2.3 汽輪機設計制造水平

目前國內三大主機廠均與國外大公司合作，采用先進的設計制造技術。以上汽廠為例：該廠利用“Blade”CAD軟件包進行計算機優化設計，采用葉片力的全三元流場設計計算系統、N-S全三元粘性氣動求解分析系統，對汽輪機通流部分進行優化系列設計，主要技術或產品有：調節級及噴嘴組優化設計的三叉三銷三聯體調節級動葉；高效率的反動式可控渦扭轉葉片系列；第四代馬刀型反動式動靜葉片系列；低壓末三級馬刀型靜葉系列；高強度新型葉根和輪槽系列、自帶圍帶動葉、整圈自鎖型長葉片(ILB)；低壓缸長葉片系列、無中心孔轉子等。在總體設計上采用積木塊優化組合方式等對軸系技術進行改進；在加工上采用世界上最先進的加工和實驗設備，進行精密鑄造、三維精加工、表面防沖蝕、熱處理、混合調頻、高速動平衡和成套組裝。

目前這些技術目前只在新設備制造上已大量采用，提高了機組的設計和制造質量。對在運行老機組尚沒有完整的成熟方案。

2.4 老機組改造情況

根據國家能源和產業政策，50 MW以下的中小機組屬限制發展和淘汰范圍，為適應電力市場需要，各電廠對在裝的100、125、200 MW和老的國產型300 MW機組進行不同方式的改造，有的只對通流部分進行改造，有的更換汽缸。均取得一定效果，但投入也是十分巨大的。

這些改造工作都有其共同特點：都建立運作暢通有序的組織管理體系，確保對改造工程的領導和實施；對改造的技術方案進行反復技術論證，在確保安全的前提下，選擇最佳方案和承包單位；對實施的制造企業的加工能力和質量保證進行重點考察，落實可靠的加工企業；對實施的檢修企業的安裝能力和資職進行重點考察，落實理想的檢修企業，以保證改造的質量；對改造的工期進行周密安排，以在最短的時間內完成改造任務；對改造的投入產出進行科學論證，以取得最大經濟效益。

他們有的是直接請上汽、哈汽、東汽或北重等主要生產廠家，采用廠家的改造方案，有的是請北京全三維公司制訂方案，進行反復論證委托相關制造廠進行。

2.5 引進型300 MW汽輪機高中壓缸改造的潛力評估

2.5.1 汽機優化的效果收回了大部分與設計的差距

根據99年前全國同類型22臺機組的調查統計，高壓缸綜合效率平均偏低7.5%。將高壓缸內效率與設計值的差距進行排位，我公司二臺機組分別為5.26%和5.77%，位于第4和第6位，排在第6位的#2機比排在第1位的石橫#2機只偏差1.85個百分點。當時基本上處在全國的前列。

2001和2002年我公司在大修中采取了大量的優化措施，取得較好的效果，大修后二臺機高壓缸效率比大修前分別提高了5.35%和3.73。與設計值(校核計算值，下同)之差平均為2.43%。收回了近70%的差距。

大修后中壓缸效率分別為92.36%和91.14%，比大修前分別提高0.11%和0.53%。基本上在設計(92.36%)范圍內。

據了解，在汽輪機完善化工作上，我公司已走在前面，實施的二臺機組汽機優化措施，比其他電廠的改進力度都大，取得的效果明顯高于其他廠的完善效果。所以初步估計，我公司二臺機組高壓缸效率在處于國內同類型機組的領先水平。

2.5.2 高壓缸進一步改造或完善的潛力

根據以上分析：高壓缸進一步改造或完善的潛力(包括提高設計值)約為3%左右。改造的潛力不大。中壓缸已基本達到了設計值，而國內外其他機組的中壓缸效率基本上在這一范圍內，已沒有改造或完善的潛力。

2.6 投資風險

現在采取優化措施后的高壓缸效率只比設計值低2.5%左右，而中壓缸效率與設計值基本接近，如同時對高中壓缸進行改造，費用可能高達一千萬元以上，不僅造成現在的中壓缸報廢，高壓缸部分能否達到預期效果(2.5%)較難預料。投入產出十分低，也可能沒有產出。不僅造成原固定資產浪費(含中壓缸的優質資產)，還造成新的投資浪費。

2.7 實施汽輪機高中壓缸改造在技術上面臨的問題

制造目前采用的先進設計、制造技術只在新設備制造上大量采用，提高了機組的設計和制造質量。部分125 MW和200 MW機組改造也采用過。對在裝引進型300 MW機組的改造，各制造廠尚沒有完整的成熟方案。各電廠主要進行的是與我廠基本相似的局部優化完善工作，這方面我公司已走在前面，取得的效果明顯高于其他廠的完善效果。目前尚沒有電廠考慮對其進行如更換汽缸的重大改造，主要原因還有：

(1)引進型300 MW機組采用高中壓合缸結構，軸向推力和軸封結構是統一設計的，不可能單獨對高壓缸進行改造。

(2)進行通流部分改造有較大風險，尚沒有成熟的可行性方案

因在裝引進型300 MW機組改造的收益小，風險大。各制造廠對改造能否成功均沒有把握，沒有把這一問題立項，更沒有成熟的改造方案。

北京全三維公司在全國進行過多臺汽輪機組改造，在全國是比較有名的，他們目前進行的只受理200 MW以下機組和老的國產型300 MW機組的改造。沒有考慮承接在裝引進型300 MW機組改造。

西安熱工院對國內外汽輪機技術的發展、設備運行狀態比較了解，通過與我公司合作進行“#1、#2機汽機優化”技改項目和“汽輪機高中壓缸改造的可行性評估”科技項目，在評估報告中得出結論“針對國產引進型300 MW汽輪機，對高壓缸采用全部通流部分改造，投入成本大，并不能達到預期效果。”

3 結束語

目前尚不易實施對高中壓缸實施重大改造工作。