發電企業以經濟效益為目標整機優化的研究與應用

鄭勇斗

引言：本文結合牡丹江第二發電廠5號汽輪機組優化改造工程，主要是在汽輪機本體以及熱力系統方面進行技改和優化，對機組整機優化技術方案及優化前后試驗參數對比等技術關鍵問題進行了分析與探討，為提高機組節能技術水平提供借鑒。在機組煤耗率降低的的同時，也大幅度減少了鍋爐二氧化硫及氮氧化物的排放，具有良好的環保效益和社會效益，具有較好的投資和推廣價值。

一、背景

華電能源牡丹江第二發電廠5號汽輪機為上世紀80年代蘇聯列寧格勒金屬工廠生產的K—215—130—1型一次中間再熱單軸三缸兩排汽凝汽式汽輪機機組。1990年投產后已運行20余年，受當時蘇產機組設計理念和多年來運行老化等方面的影響，機組經濟與目前運行的國產200MW機組相差較大，主要體現在汽輪機本體和熱力系統運行方面。為進一步推進華電集團公司發電機組200MW機組的節能減排降耗工作，根據“華電能源公司火電機組優化工作實施規劃”要求，2011年末利用機組大修機會，對機組實施汽輪機節能優化改造，全部改造與試驗于2012年6月份全部完成。

汽輪機主要技術規范

制造廠：列寧格勒金屬工廠

型 號：K—215—130—1型

形 式：一次中間再熱單軸三缸兩排汽凝汽式汽輪機

額定功率：215MW

最大功率：220MW

新蒸汽壓力：12.75MPa

新蒸汽溫度：540℃

再熱蒸汽壓力：2.44MPa

再熱蒸汽溫度：540℃

額定功率汽耗量：646t/h

汽輪機最大通流量：670t/h

熱耗：8270kJ/（kW·h）

二、機組改造前狀況

華電能源牡丹江第二發電廠5號汽輪機計劃于2011年9月進行大修，為查找機組及熱力系統存在問題，取得機組各項實際經濟指標，為機組優化改造提供技術參考，委托華電電力科學研究院進行優化改造修前熱力性能試驗。通過試驗發現機組熱耗率和缸效率明顯偏離設計值，表明機組通過大修進行優化改造是十分必要的。

（一）熱耗率及煤耗率試驗結果

5號機組2次3VWO試驗工況下，修正熱耗率平均值為8467.70kJ/（kW·h），比設計工況下熱耗率8270kJ/（kW·h）高出197.7kJ/（kW·h），即高出設計值2.39%。發電煤耗值為317.22g/（kW·h）比設計值309.8g/（kW·h）高出7.41g/（kW·h），供電煤耗為349.01g/（kW·h）（管道效率系數取99%，鍋爐效率取92%）。如下圖所示，可以看出5號機組優化改造前3VWO工況同THA工況的對比，機組熱耗值偏離設計值較為明顯。

（二）缸效率試驗結果

機組優化改造前2次3VWO工況的高壓缸效率（表3）平均值為77.89%，比設計值80.81%低2.92%。中壓缸效率平均值為88.70%，比設計值91.5%低2.8%；如下圖所示，可以看出5號機組優化改造前3VWO工況同THA工況的對比，機組高、中壓缸效率均偏離設計值。

三、大修中開展前汽輪機節能優化改造工作

根據機組診斷試驗結果，結合不同電廠同類型機組普遍存在的問題，按照機組實際設備、系統設計、安裝、現場布置，吸收不同電力設計院設計特點，以及國外同類型機組的先進技術和國內同類型機組已使用過且經運行考驗成功的技術和經驗，重點解決機組運行中所發現的或隱藏的問題，在機組安全運行的基礎上，通過采取相應技術措施來提高機組的運行經濟性，對設備及系統進行完善改進和優化。

（一）汽輪機本體部分改造

1.機組原汽封采用傳統的梳齒式汽封，汽封型式比較落后，間隙比較大，為了減少汽封漏汽，提高缸效，特進行汽封優化改造。結合國內幾十臺機組的汽封改造經驗，根據各種新型汽封在汽輪機各部位的優點和劣勢，本次汽封改造，采用布萊登汽封和側齒汽封組合使用的方式，在保證機組的安全性的同時提高高中低壓缸效率。

傳統的梳齒式結構，該結構又可細分為迷宮式（見圖1）、斜平齒式（見圖2）、葉頂鑲片式（見圖3）及轉子鑲片式（見圖4）等。

圖1 迷宮式汽封結構圖 圖2 斜平齒式汽封結構圖

圖3 葉頂鑲片式汽封結構 圖4 轉子鑲片式汽封結構

側齒汽封在傳統梳齒基礎上在長齒和長短齒之間的加工了比較小的側齒和低齒，從而增加了汽流的渦流，增加了阻尼效果，見圖5、圖6。

圖5 傳統汽封與側齒汽封工作原理圖 圖6 浮動側齒汽封外形圖

2.高壓前汽封內圈、高壓隔板更換22圈布萊登汽封，布萊登汽封的優點是即隨著機組啟動運行工況的變化，汽封間隙是自動進行調整的，始終保持在最佳間隙狀態，因此可以明顯提高汽輪機在啟動使得安全可靠和經濟性。萊登汽封如下圖：

圖7 布萊登汽封

3.高壓前汽封中圈、外圈以及中壓汽封、隔板更換75圈側齒汽封。側齒汽封的優點一是可與原梳齒汽封同種材質、相同外型尺寸、可以繼承原梳齒型汽封的安全性；二是不改變原汽封的基本結構，獲得顯著的減少漏汽量的成效；三是避免環向振動，減少汽流激振力，保護機組安全。

4.對部分阻汽片進行更換并調整：一是準確測量轉子各級動葉葉圍帶外徑尺寸以及加工調整后的隔板阻汽片內徑尺寸，計算并確認各級葉頂阻汽片徑向間隙在規定范圍內；二是更換調整后的新阻汽片頂端進行修尖；三是調整洼窩中心調整正確保持與轉子同心，在全實缸緊固螺栓的情況下，進行隔板阻汽片上、下、坐、右、45度等方位圓周徑向間隙測量，間隙均勻。

5.高、中壓缸噴嘴經過長時間運行，噴嘴損壞比較嚴重，為提高調節級效率，大修優化中將高、中壓缸噴嘴拆除后返回哈汽廠進行修復。

汽輪機由于受到長時間顆粒沖刷和結垢，通流部分葉柵的光潔和清潔程度對汽輪機的出力能力和缸效率有很大的影響，機組通流部分的隔板之間和葉輪之間的軸向距離小，無法采用人工方法對表面進行處理，大修中對采用噴珠法工藝對汽輪機動靜葉片進行除垢。

（二）汽輪機熱力系統優化

1.進行熱力系統疏水合并

機組熱力系統設計龐大，冗余系統多，疏放水系統復雜，汽輪機本體疏水、主再熱蒸汽疏水閥門內漏頻繁發生，高、低壓加熱器部分放水門、危急疏水門泄漏，還存在汽泵最小流量閥內漏、減溫水閥門內漏等情況；部分閥門泄漏導致設備及系統無法隔離，影響機組安全性。疏水閥不嚴造成大量蒸汽短路進入凝汽器，使凝汽器熱負荷增加，影響真空，又造成有效能的大量損失，系統缺陷嚴重影響機組的經濟性和安全性。因此在熱力系統優化中對電動主閘門前疏水及主汽聯通管疏水、高壓調速汽門座疏水、中壓自動主汽門前疏水，中壓自動主汽門前排大汽管路疏水及疏減器電動門門前疏水、中壓導管疏水進行合并，合并后設手動球閥，取消的支管對應的高壓擴容器側接口。

2.四段抽汽至除氧器管路改造

四段抽汽至除氧器管路設有兩個逆止門，靠近除氧器的逆止門側容易積水，造成管道較大振動，對機組安全運行產生不利影響，同時增加了檢修維護量。現將該逆止門上移，并將四段抽汽至除氧器管路加高，更換相關三通，使得除氧器側水無法進入抽汽管道，避免出現管道振動現象。具體改造情況如下圖所示：

3.消除內漏閥門，解決熱力系統漏泄量偏大問題

閥門的泄漏是影響機組熱耗的重要因素。目前高壓閥門存在內漏現象較多，影響機組的經濟性。部分疏放水直接進入凝汽器，增加了凝汽器熱負荷，降低了循環熱效率。閥門的泄漏是影響機組熱耗的重要因素，應引起高度重視，重點進行處理。利用修前的熱力系統檢查，對汽水系統閥門進行徹底的普查，掌握閥門的泄漏情況，為大修中閥門檢修和更換提供依據。重點對修前內漏嚴重的閥門要重點安排給檢修技能較高的單位和個人進行檢修，對密封面進行研磨。主要內漏閥門增設手動門或改為進口高壓球閥。

四、效益評價

（一）機組優化改造后熱耗率、煤耗率情況對比

3VWO工況下經修正后熱耗率為8380.90kJ/（kW·h），比THA 設計熱耗率8270.0kJ/（kW·h）高出110.90kJ/（kW·h），比優化改造前試驗熱耗率8467.71kJ/（kW·h）降低86.81kJ/（kW·h）。修正后發電煤耗313.99g/（kW·h）比THA工況設計值309.80g/（kW·h）高出4.19g/（kW·h），比大修改造前試驗發電煤耗317.21g/（kW·h）低3.22g/（kW·h）。

“兩常工況”既80%工況170MW下修正后熱耗率為8483.16kJ/（kW·h），比改造前試驗熱耗率8622.83kJ/（kW·h）低139.67kJ/（kW·h）；修正后發電煤耗率為317.82g/（kW·h）比該工況下改造前323.03g/（kW·h）低5.21g/（kW·h），修正后供電煤耗率為353.13g/（kW·h）比該工況下改造前359.25g/（kW·h）低6.12g/（kW·h）。

（二）高、中缸效率情況對比

3VWO工況下高壓缸效率為79.57%比THA 設計值80.81%低1.24%，比改造前試驗高壓缸效率77.90%高出1.67%；中壓缸效率為89.81%，比設計值91.51%低1.70%，比改造前試驗中壓缸效率88.70%高出1.11%。

“兩常工況”既80%工況170MW 下，高壓缸效率為76.32%比改造前75.63%高出0.69%；中壓缸效率為90.93%，比改造前86.51%高出4.42%。

五、結尾

本次210MW機組進行的機側優化工作，主要是在汽輪機本體以及熱力系統方面進行技改和優化，根據華電電科院對#5機組機側優化改造后的鑒定試驗報告，在機組“兩常工況”既80%工況170MW區間范圍內，機組發電煤耗率比該工況下改造前低5.21g/（kW·h），按照機組年利用小時4000小時計算年節約標煤約4400噸，節約燃煤成本約260萬元。在機組煤耗率降低的的同時，也大幅度減少了鍋爐二氧化硫及氮氧化物的排放，具有良好的環保效益和社會效益，具有較好的投資和推廣價值。

（作者單位：華電能源牡丹江第二發電廠）