600MW超臨界燃煤機組節能提效改造研究

華電電力科學研究院有限公司 唐秀能 張東興 陳廣偉 于鵬峰

根據國家發展和改革委員會、國家能源局聯合發布的《全國煤電機組改造升級實施方案》，到2025年，全國火電平均供電煤耗降至300g 標準煤/kWh 以下，目前國內發電機組普遍存在鍋爐效率低、熱耗偏高等問題，供電煤耗距離國家要求尚有差距，為進一步提升煤電機組清潔高效水平，保障“雙碳”目標的實現，提升企業裝備競爭力，各發電企業都在加快對現役機組的節能提效改造[1-3]。本文以某600MW 超臨界燃煤機組為研究對象，進行能耗診斷試驗，發現機組存在空預器漏風率高、鍋爐效率偏低、汽輪機熱耗高、缸效低等諸多問題，結合機組實際提出節能提效改造方案，通過改造有效降低了機組供電煤耗，提高機組運行經濟性，為同類機組節能改造提供借鑒。

1 研究對象

某電廠鍋爐為600MW 超臨界壓力變壓運行、單爐膛、一次中間再熱、尾部雙煙道Π 型布置燃煤直流鍋爐。設計煤種為淮北礦業集團公司祁南礦煙煤。汽輪機為上海汽輪機有限公司設計制造的超臨界凝汽式汽輪機。

2 存在的問題

為了掌握機組性能狀況，進行了性能診斷試驗，根據試驗結果及現場相關調研，機組存在的主要問題如表1所示。

表1 機組存在的問題

3 鍋爐部分

3.1 燃燒器優化改造

考慮對鍋爐提效，采用超低NOx 旋流煤粉燃燒器及燃燒系統對原燃燒系統進行優化改造。與現燃燒器相比，本次改造特點在于：采用新型徑向雙級煤粉濃縮器，實現煤粉氣流的高效濃縮，獲得外濃內淡的煤粉氣流，高濃度的煤粉濃度導致較高的燃燒效率；另外為提高燃燒器低負荷穩燃性能、燃燒效率和抑制NOx 的生成，采用穩焰齒、一二次風導向錐等技術措施。

改造具體內容如下：原前后墻6層24只煤粉燃燒器總數量和布置位置保持不變，更換20只煤粉燃燒器為新型超低NOx 旋流煤粉燃燒器；等離子層（前墻下層4只）等離子煤粉燃燒器本體不改造，更換其二、三次風配風組件；更換改造區域燃燒器水冷壁開孔；更換燃燒器外二次風門執行器，采用連續調節型；增加燃燒器冷卻風系統，采用熱一次風冷卻；更換原點火油槍（啟動油槍取消）及爐前燃油系統，采用氣泡霧化油槍；增加燃燒器固定裝置；改造后燃燒器結構示意圖如圖1所示。

圖1 改造后燃燒器結構示意圖

3.2 貼壁風改造

通過貼壁風改造，改善壁面的還原性氣氛，緩解由于燃用高硫煤帶來的腐蝕問題。具體方案：在前后墻燃燒器層區域，靠近側墻合適位置增設3層共12只貼壁風噴口（風量手動調節），噴口按下傾一定角度設計。在鍋爐兩側墻靠近爐膛中心區域各增加四層側墻貼壁風噴口，上兩層每層布置4只噴口，下兩層每層布置2只噴口，采用手動調節方式，風源取自熱二次風。為保證達到較好的配風效果，前后墻貼壁風風源采用增壓熱二次風（增加風機）。

3.3 二次風系統流場優化

對二次風系統流場進行優化改造。具體措施如下：一是采用導流板結構優化燃燒器風箱設計，獲得更為均衡的燃燒器風量。二是更換現外二次風門用執行器，采用調節型（原設計為開關型），增加每個燃燒器的風量分配調節手段；三是增加風箱入口二次風道導流板，從結構上盡可能消除各層風室的風量分配不均，同時通過各層風室入口調節擋板來進行必要的風量調節。

3.4 空預器漏風治理

根據密封片接觸形式空預器密封形式分為固定式密封、刷式密封、可調式密封和柔性密封等密封技術[4]，柔性密封最大補償量可達70mm，可彌補熱態下空預器熱端三角漏風區域，進而大幅降低漏風率，對扇形板無磨損，不增加運行電流，因此本次改造采用柔性密封技術進行改造。

4 汽機部分

4.1 汽機通流改造

針對汽輪機缸效低、熱耗高的問題，目前國內普遍采用通流改造技術改造以達到節能效果。本次改造對高、中壓各級進行優化設計，采用增加通流級數的方式來提高通流效率。高壓通流級數從原來的Ⅰ+11級增加至Ⅰ+13級，葉根槽采用T 形葉根；中壓通流級數從原來的8級增加至9級，葉根槽采用T 形葉根。高中壓通流部分動、靜葉片采用強度好、動應力低、抗高溫蠕變性能好的整體圍帶彎扭馬刀葉型；汽輪機轉子采用整鍛轉子，整鍛轉子無中心孔。采取有效措施增強高中壓轉子的穩定性；動靜葉片采用先進的氣動設計，優化葉型，提高每級通流效率。

改造前、后汽輪機高、中壓缸通流部分剖面圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 改造前機組高壓缸剖面圖

圖3 改造后機組高壓缸剖面圖

對低壓部分進行通流優化設計，針對根據機組冷端背壓較高的特點，以及降低寬低負荷排汽損失的要求，末級采用排汽面積較小的915mm 長葉片。此外，合理增加通流級數以提高低壓缸整體通流效率。低壓通流級數從原來的2×2×7級增加至2×2×9級。改造前后低壓缸剖面圖如圖4、圖5所示。

圖4 改造前機組低壓缸剖面圖

圖5 改造后機組低壓缸剖面圖

4.2 抽真空系統改造

機組抽真空系統配備三臺水環真空泵，二運一備方式（水環式真空泵A、C 運行，水環式真空泵B 備用）。改造后，機組正常運行時由2套高效羅茨真空泵組維持機組真空，抽真空系統為兩運三備方式（即2套羅茨真空泵組運行，三臺水環式真空泵備用）。既可有效解決水環泵汽蝕、抽氣性能下降的問題，同時通過減少過大的設計裕量，可以節電60%～80%。

4.3 冷卻塔改造

冷卻塔冷卻性能對發電廠熱力循環效率有重要影響[5-8]，針對冷卻塔冷卻能力下降的問題，對冷卻塔實施風水匹配強化換熱整體改造，結合現場實測數據對冷卻塔進行超高網格網CFD 數值計算，對冷卻塔內空氣動力場、水溫場、濕度場進行實測和計算；把淋水填料的熱力和阻力特性納入計算模型；不斷組合淋水填料高度及半徑配比以找到一組最優數據。

4.4 閥門內漏治理

根據對機組熱力系統的摸底排查，機組閥門內漏現象較為嚴重。針對摸底試驗中發現的內漏閥門，采取重點治理策略，提高熱力系統運行的經濟性。

5 改造效果

改造后，對機組進行性能考核試驗，表2為機組THA 工況主要技術指標。

表2 改造前后THA 工況主要技術指標

從表2得出，機組改造后各項性能指標優于改造前，供電煤耗由改造前的307g/kWh 降低到294g/kWh，年可節約標煤2.64萬t，可減少CO2排放7.76萬t，減少SO2排放0.24萬t，減少NOx 排放0.11萬t，節能減排效果顯著。

6 結語

通過全面的摸底試驗，分析600MW 超臨界直流機組存在的問題，經過對先進改造技術調研、方案比選，提出適合本機組的節能提效改造方案并實施，改造后鍋爐效率提升，汽機熱耗明顯降低，有效降低了機組供電煤耗，達到“60萬kW 及以上機組改造后平均供電煤耗達到300g/kWh”的要求，不僅提升電廠的技術裝備水平和競爭力，也為同類型機組改造提供借鑒。