300 MW亞臨界汽輪機通流改造研究

徐 星

(國電科學技術研究院有限公司，南京 210046)

當前，燃煤發電企業面臨著經濟增長方式轉變、市場競爭、資源約束、環境保護等多方面的嚴峻挑戰[1-2]。為實現節能減排約束性目標，政府制定了相關的政策措施，鼓勵和支持發電企業進行節能減排的技術改造，采用節能環保的新設備、新工藝、新技術[3]。為了適應新形勢，確保機組效率高、經濟效益好，進一步提高競爭力，某廠300 MW亞臨界機組計劃實施汽輪機通流改造項目。

我國300 MW亞臨界汽輪機主要是通過對早期引進機型進行逐步消化吸收和國產優化改進等來不斷提升性能和效率。2014年以來，隨著技術不斷升級，汽輪機主要制造商結合當前機組運行特點，采用最新技術對300 MW亞臨界汽輪機進行通流改造，改造后機組性能大幅提升，取得了良好效果[4]。筆者通過分析該廠300 MW亞臨界汽輪機存在的主要問題，比較全面通流改造與部分通流改造兩種方案的技術指標，針對通流改造中存在的問題提出建議，為今后汽輪機通流改造工作提供參考。

1 機組概況

該廠裝機2臺300 MW機組，分別于2005年、2006年投入商業運營。汽輪機為亞臨界、中間一次再熱、兩缸兩排汽、凝汽式汽輪機，型號為N320-16.7-537/537。

目前，2臺機組(1號、2號機組)汽輪機高、中、低壓缸效率下降較大，已遠低于原設計值，通過常規大修難以恢復其經濟性能，汽輪機中、低負荷經濟性下降幅度更大，無法滿足當前深度調峰的經濟性要求。以1號機組汽輪機為例，最近一次大修后性能試驗結果見表1。

表1 1號機組汽輪機最近一次大修后性能狀況

THA工況時，修正后熱耗率比設計值7 905 kJ/(kW·h)高395 kJ/(kW·h)。機組熱耗率偏高，主要原因是汽輪機本體性能下降。中、低負荷熱耗率較設計值偏差較大，通流改造兼顧額定負荷經濟性的同時要重點關注中、低負荷運行經濟性。

經測算，機組額定負荷工況修正后供電煤耗較國家要求的310 g/(kW·h)偏高約20 g/(kW·h)，機組供電煤耗指標與國家要求差距較大，主要問題在于汽輪機本體經濟性下降導致機組熱耗率偏高，迫切需要進行汽輪機通流改造。

2 通流改造調研

2.1 常規通流改造

目前，國內制造廠家在通流改造方面技術日益先進、成熟。上海汽輪機廠(簡稱上汽)運用整體通流設計技術實現了亞臨界汽輪機技術改造升級，如上海外高橋發電廠3號和4號機組、華能陽邏電廠1號和2號機組等。東方汽輪機廠(簡稱東汽)利用第三代優化葉型、采用新結構、優化熱力系統等先進技術對已投運亞臨界300 MW及600 MW機組進行通流改造，實現了國內汽輪機設計技術的飛躍，如國華三河電廠3號和4號機組等。哈爾濱汽輪機廠(簡稱哈汽)利用現代設計技術研發設計了新一代亞臨界300 MW、600 MW機組，并對在役亞臨界300 MW機組進行了技術改造升級，并于2015年底完成亞臨界600 MW大唐七臺河電廠4號機組的通流技術升級。ALSTOM由眾多公司不斷合并重組演變而來，其融合了ABB、TOSHIBA、GE等知名公司的先進技術，近幾年，ALSTOM改造的300 MW亞臨界機組為深圳媽灣電廠3號和4號機組等。

對同機型已改造的A廠、B廠汽輪機通流改造后的性能進行調研，結果見表2。

表2 部分汽輪機通流改造后性能狀況

從表2可以看出：經過通流改造后，各臺機組熱耗率都有大幅下降，在THA工況下，熱耗率約為7 900 kJ/(kW·h)，較當前300 MW亞臨界機組平均熱耗率(8 200～8 400 kJ/(kW·h))有了明顯改善，煤耗降低顯著；在75%THA工況下，各臺機組熱耗率可達 7 950～8 050 kJ/(kW·h)，較當前300 MW亞臨界機組平均熱耗率(8 300～8 500 kJ/(kW·h))有了明顯改善，煤耗降低顯著。

2.2 提參數通流改造

目前，單提主蒸汽溫度或再熱蒸汽溫度的改造項目沒有實施案例。300 MW亞臨界雙提溫改造機組已投產的有東汽安陽改造項目。上汽300 MW亞臨界提參數改造機組已投產的有諫壁改造項目。ALSTOM目前沒有亞臨界提參數改造的工程案例。

除常規通流改造范圍外，汽輪機側改造涉及高壓進汽閥、中壓進汽閥、旁路系統，鍋爐側改造涉及高溫過熱器(簡稱高過)、高溫再熱器(簡稱高再)、頂棚受熱面以及相應的集箱受熱面管夾等。與常規通流改造相比，提參數通流改造增加的成本主要來自鍋爐系統改造，總體改造成本大幅增加。目前，機組年運行時間不斷下降，延長了亞臨界機組提參數改造的投資回收期，進一步增加了投資風險。

常規通流改造范圍不大，投資相對較小，因此目前絕大多數的改造都是常規通流改造。單提溫改造、雙提溫改造的改造范圍擴大到閥門、鍋爐受熱面、熱力系統等，收益比常規通流改造要好，但是投資也比較大。隨著機組年運行時間不斷降低，投資風險增大。

當前我國已經具有了自主設計、制造大型發電機組的能力，國內汽輪機制造廠以及ALSTOM具有豐富的通流改造經驗，其通流改造技術成熟、應用廣泛、安全可靠。改造后，機組熱耗率降低、發電功率增加，具有明顯的經濟效益、社會效益和環保效益。上汽、東汽、哈汽、ALSTOM等汽輪機改造廠家技術成熟、先進，各有特點。對于300 MW亞臨界機組通流改造，上汽、東汽有較多業績。

3 通流改造技術路線

研究對象機組運行時間已超過10 a，機組老化導致性能下滑明顯，雖經過歷次大修和節能改造，機組熱耗率暫時有所降低，但持續時間不長且效果有限。由于原通流設計技術相比目前先進技術落后，而且經過多年的發展，國際和國內整體工業技術得到了提升，各設備制造商的技術也達到了新的水平，利用當代的通流設計和機械制造水平，對現役機組進行通流改造是提高機組經濟性的重要方法，通過通流改造可以大幅提高機組的經濟性與安全性。通流改造技術路線有以下幾點：

(1) 先進的通流設計技術和體系，提高汽輪機通流效率和變負荷適應性。

①采用先進的靜、動葉型線，降低葉型損失。

②優化反動度沿葉高的分布，使靜、動葉間的能量轉換達到最優。

③采用最佳速比設計提高通流級效率。

④采用優化設計的末級葉片。

(2) 先進的本體結構優化設計，提升汽輪機經濟性和安全性。

①優化設計高、中、低壓內缸結構，消除內缸變形帶來的內漏問題。

②優化進汽和排汽流道，降低進、排汽壓損。

(3) 采用先進汽封結構，降低漏汽損失。

(4) 在工藝、采購、制造、檢驗等生產環節采用先進的質量改進措施和質量管控體系，保證產品質量。

(5) 改造后機組在THA工況應該能達到高壓缸效率不低于87%，中壓缸效率不低于93%，低壓缸效率不低于88.5%的目標。

4 方案分析

根據改造范圍差異，通流改造可以分為部分通流改造和全面通流改造，部分通流改造對機組的經濟性提升有限，全面通流改造效果明顯。

4.1 技術方案對比

全面通流改造方案以機組安全可靠性為前提，采用先進通流改造技術，對高中壓缸及低壓缸進行全面優化改造，利用汽輪機通流現代化改造的成熟技術，達到節能降耗、提高經濟性的目的。

部分通流改造方案，即根據全面通流改造中高中壓缸通流改造的技術和措施，僅對汽輪機高中壓缸進行通流改造，低壓缸不做通流改造。

對全面通流改造方案和部分改造方案進行技術對比，結果見表3。

4.2 性能指標對比

對全面通流改造和部分通流改造方案的經濟指標進行比對，結果見表4。

表4 兩種改造方案經濟指標對比

由表4可以看出：全面通流改造方案的THA工況熱耗率和加權工況熱耗率均較部分通流改造方案的熱耗率低120～130 kJ/(kW·h)。以現有鍋爐效率93.5%、廠用電率5%計算，全面通流改造后預計供電煤耗率達310 g/(kW·h)，部分通流改造后預計供電煤耗率達315 g/(kW·h)。因此，全面通流改造方案更能滿足機組性能指標要求。

5 結語

某廠300 MW亞臨界汽輪機存在較大的性能問題，有必要對其實施通流改造。通過研究機組現狀、分析主要問題、對比分析全面通流改造和部分通流改造兩種方案，提出全面通流改造方案的機組經濟指標先進，更能適應未來發展形勢。