張鵬

（江蘇省國(guó)信集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210005）

0 前言

為加快推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，進(jìn)一步提升煤電高效清潔發(fā)展水平，國(guó)家發(fā)改委、環(huán)保部、能源局聯(lián)合制定了《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》，要求到2020年，現(xiàn)役60萬(wàn)千瓦及以上燃煤機(jī)組（除空冷機(jī)組外）改造后供電煤耗應(yīng)小于300g/kWh[1]。而對(duì)于在1998-2010年間投產(chǎn)的亞臨界、超臨界60萬(wàn)千瓦級(jí)燃煤機(jī)組，供電煤耗要完成國(guó)家發(fā)改委的要求難度很大。根據(jù)熱經(jīng)濟(jì)性分析，電廠能耗高的一個(gè)重要原因是汽輪機(jī)通流部分效率低。

經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，圍繞提高效率和效益、改善環(huán)境、降低成本，各大汽機(jī)生產(chǎn)商紛紛引用和消化了國(guó)外最先進(jìn)的、成熟的三維氣動(dòng)熱力設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)行了有計(jì)劃、有規(guī)模的舊機(jī)組通流部分改造，以增加出力、降低能耗[2]。

1 系統(tǒng)概述

某電廠二期汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)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(jī)，型號(hào)為：N630-24.2/538/566，最大連續(xù)出力為634.234MW，額定出力630MW。

機(jī)組采用復(fù)合變壓運(yùn)行方式，汽輪機(jī)具有八級(jí)非調(diào)整回?zé)岢槠?。主蒸汽?jīng)汽輪機(jī)二個(gè)主汽閥、四個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥到汽輪機(jī)噴嘴膨脹做功。再熱蒸汽經(jīng)中壓聯(lián)合汽閥分為兩路進(jìn)入中壓內(nèi)缸到汽輪機(jī)噴嘴膨脹做功。中壓缸作功后的蒸汽再進(jìn)入兩個(gè)低壓缸作功，乏汽排入雙背壓凝汽器。

高壓缸由一級(jí)調(diào)節(jié)級(jí)和7級(jí)沖動(dòng)式壓力級(jí)組成，中壓缸由6個(gè)壓力級(jí)組成，高壓缸進(jìn)汽為部分進(jìn)汽。低壓缸為雙流對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由2×7個(gè)級(jí)組成，末級(jí)動(dòng)葉高度為1016 mm。

2 汽輪機(jī)改造原理

東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的D600C機(jī)型設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)于21世紀(jì)初期。與現(xiàn)在的設(shè)計(jì)技術(shù)能力和制造工藝水平相比，差距很大，主要體現(xiàn)在兩方面：一是汽缸效率低，機(jī)組熱耗高，煤耗高，機(jī)組熱力性能差；二是通流部件的制造、安裝、運(yùn)行質(zhì)量方面質(zhì)量控制不精細(xì)[3]。

汽輪機(jī)通流部分改造的原理是保留原有高中低壓外缸的基礎(chǔ)上，對(duì)內(nèi)部通流進(jìn)行模塊化升級(jí)改造，其中高中壓缸采用沖動(dòng)式設(shè)計(jì)，低壓缸采用反動(dòng)式設(shè)計(jì)。級(jí)間適當(dāng)增加葉片級(jí)數(shù)，采用的是整體通流設(shè)計(jì)技術(shù)（AIBT），在高中壓通流中采用了先進(jìn)的GA系列葉型動(dòng)葉片、集成預(yù)扭的動(dòng)葉圍帶、可控流Platform隔板，提高了級(jí)效率和強(qiáng)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(jí)間漏汽，提高了汽輪機(jī)的效率；低壓缸采用了進(jìn)排汽優(yōu)化技術(shù)，末級(jí)動(dòng)葉為37英寸帶鰭葉片，可以在復(fù)雜的三維跨音速流動(dòng)環(huán)境中運(yùn)行，具有兼顧高負(fù)荷和部分負(fù)荷運(yùn)行效率的特點(diǎn)，有效降低了排汽損失，提高了抗水蝕性能；同時(shí)通過(guò)升參數(shù)達(dá)到降低發(fā)電煤耗，提高全廠熱效率的目的[4]。

3 汽輪機(jī)通流改造方案

汽輪機(jī)通流改造將采用高中壓內(nèi)缸及低壓缸改造方案，通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)三缸通流部分進(jìn)行改造，達(dá)到提高汽輪機(jī)熱效率、增加汽輪機(jī)銘牌出力至650MW的目的[5]。

在確保改造參數(shù)達(dá)標(biāo)的前提下，盡可能利用原有設(shè)備。原汽輪機(jī)的高中壓、低壓三缸外殼體和汽輪機(jī)與主、再熱蒸汽管道連接保持不變；汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)連接位置不變；汽輪機(jī)基座、軸承及抽汽口、高壓主汽門(mén)、調(diào)門(mén)、中聯(lián)門(mén)及其導(dǎo)汽管位置均不變。高壓動(dòng)葉從原來(lái)的8級(jí)增加到10級(jí)，中壓動(dòng)葉6級(jí)未變，低壓轉(zhuǎn)子從原來(lái)的2×2×7級(jí)增加到2×2×8級(jí)。

3.1 高中壓缸通流改造方案

新的高中壓內(nèi)缸，轉(zhuǎn)子和通流部分為全新設(shè)計(jì)，高壓缸為部分進(jìn)汽設(shè)計(jì)，內(nèi)缸設(shè)計(jì)與現(xiàn)有的外汽缸匹配[6]。高中壓內(nèi)缸改造方案如圖1所示。

新的高壓通流級(jí)數(shù)為10級(jí)。第一級(jí)調(diào)節(jié)級(jí)加寬，調(diào)節(jié)級(jí)后設(shè)置了一段混合區(qū)，確保汽流均勻進(jìn)入第二級(jí)。改造后的高中壓缸采用噴嘴調(diào)節(jié)，能夠?qū)?yīng)不同負(fù)荷時(shí)改變部分噴嘴開(kāi)度。在通流部分，優(yōu)化了葉片的節(jié)圓直徑，動(dòng)葉具有先進(jìn)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(jìn)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(jìn)隔板內(nèi)外環(huán)。中壓通流設(shè)計(jì)結(jié)合了先進(jìn)的自帶圍帶的靜葉和裝在單獨(dú)的圍帶中的二維型線靜葉，并與隔板內(nèi)外環(huán)焊接在一起。

蒸汽通過(guò)與內(nèi)缸鑄造為一體的進(jìn)汽管，和活塞環(huán)一起，裝在有司太立襯套的外缸中。新的襯套和活塞密封環(huán)可解決該區(qū)域漏汽問(wèn)題。進(jìn)汽環(huán)室與內(nèi)缸鑄造為一體，結(jié)合部分進(jìn)汽的分隔板和一個(gè)導(dǎo)流板，導(dǎo)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(jī)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(jí)組成，末級(jí)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(jí)和次末級(jí)靜葉材料均為球墨鑄鐵，葉型為彎掠和傾斜設(shè)計(jì)。彎掠和傾斜使得質(zhì)量沿葉片徑向分布的更均勻。優(yōu)化的葉片設(shè)計(jì)使流動(dòng)的模數(shù)分布更平滑，峰值更少，以此減小損失[8]。低壓內(nèi)缸改造方案如圖2所示。

圖2 汽輪機(jī)低壓通流改造示意圖

低壓轉(zhuǎn)子為整鍛轉(zhuǎn)子鼓型結(jié)構(gòu)，剛性好，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大,對(duì)扭振以及動(dòng)葉與軸的耦合方式具有固有的不敏感性。轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)端的聯(lián)軸器將與現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相匹配，轉(zhuǎn)子的現(xiàn)場(chǎng)平衡特性和平衡面位置將和原轉(zhuǎn)子一樣。動(dòng)葉安裝在軸上的葉根槽里。在級(jí)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(lái)安裝固定平衡塊[9]。次末級(jí)動(dòng)葉自帶圍帶，葉片采用傾斜加彎扭設(shè)計(jì)，從葉頂?shù)饺~型底部各處的型線都滿(mǎn)足局部的三維流動(dòng)特性的要求[11]。

新內(nèi)缸分為上下兩半，由鋼板和棒料焊接而成，然后經(jīng)熱處理消除焊接應(yīng)力，新內(nèi)缸將設(shè)計(jì)的和原外缸配合，現(xiàn)有外缸上的支撐和導(dǎo)向無(wú)需改動(dòng)。對(duì)排汽導(dǎo)流環(huán)進(jìn)行優(yōu)化，以減小排汽損失，進(jìn)一步提高低壓缸效率。對(duì)低壓汽輪機(jī)的徑向軸承的載荷進(jìn)行了校核，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提供新的低壓缸徑向軸承。聯(lián)軸器螺栓采用全新的液壓聯(lián)軸器螺栓[12]。

4 改造后性能試驗(yàn)效果

機(jī)組經(jīng)汽輪機(jī)通流改造后增加出力20MW,機(jī)組銘牌從630MW提高到650MW，并已獲省能源局批準(zhǔn)。

4.1 試驗(yàn)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(yàn)工況下低低溫省煤器退出運(yùn)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(yàn)效果分析

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

試驗(yàn)發(fā)電廠用電率為4.57%，試驗(yàn)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(fā)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(jī)因抽汽級(jí)數(shù)改變及效率提升，使抽汽溫度和壓力下降。

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

綜上所述，通過(guò)汽輪機(jī)通流改造，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電煤耗下降7.51 g/kWh，標(biāo)準(zhǔn)供電煤耗下降8.17g/kWh[14]。

汽輪機(jī)通流改造前后參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 汽輪機(jī)通流改造前后參數(shù)

4.3 汽輪機(jī)通流改造后相關(guān)輔機(jī)的適應(yīng)性

汽輪機(jī)通流改造不改變汽輪機(jī)的熱力系統(tǒng)，各級(jí)回?zé)岢槠诘膮?shù)基本不變，壓力和溫度變化范圍很小，可以完全保證各級(jí)加熱器不超壓、不超溫，加熱器的安全運(yùn)行是完全可以保證的[15]。根據(jù)汽輪機(jī)改造后650MW實(shí)際運(yùn)行的參數(shù)，得出的結(jié)論和建議如下：

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

2）給水回?zé)嵯到y(tǒng)：汽泵轉(zhuǎn)速5800r/min左右，處于正常調(diào)速范圍3100～5900r/min內(nèi)；進(jìn)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(yùn)行參數(shù)均在限額范圍內(nèi)。

3）閉冷水系統(tǒng)：閉冷水溫最高36℃左右，小于40℃的設(shè)計(jì)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(huán)水系統(tǒng)：循泵單臺(tái)運(yùn)行，電流145A左右，小于額定電流183A。循泵各參數(shù)均在限額范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看試驗(yàn)機(jī)組高、中壓缸效率均有所提升，熱耗率有所降低，機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電煤耗和標(biāo)準(zhǔn)供電煤耗顯著降低，分別為7.51 g/kWh、8.17 g/kWh。改造后的標(biāo)準(zhǔn)供電煤耗為295.72 g/kWh，已符合國(guó)家《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020年)》中規(guī)定的技術(shù)要求。利用先進(jìn)的汽輪機(jī)通流設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行增容提效技術(shù)改造，在保證機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本、降低能耗以及提高機(jī)組20MW出力的目標(biāo)。