600MW機(jī)組增效擴(kuò)容改造中輔機(jī)適配性研究

顧偉飛，施浩勛，余 斌，鄔榮敏

（1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310003；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

火力發(fā)電企業(yè)面臨著越來越大的節(jié)能減排壓力，在原有300 MW和600MW機(jī)組主設(shè)備廠家預(yù)留的設(shè)計(jì)裕量基礎(chǔ)上，適當(dāng)進(jìn)行機(jī)組擴(kuò)容是非常必要的。從增效改造后的機(jī)組運(yùn)行情況來看，先進(jìn)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的使用和制造安裝水平的提高，機(jī)組熱耗和供電煤耗方面大致能提高2%～4%[1，2]。但在機(jī)組擴(kuò)容的目標(biāo)值方面，還存在一些問題[3]：如某發(fā)電廠300 MW機(jī)組通流改造增容至330 MW后，由于輔機(jī)設(shè)備凝汽器冷卻管清潔系數(shù)下降且冷卻面積偏小，在TRL（夏季工況）運(yùn)行時(shí)，凝汽器真空超過11.8 kPa，即使機(jī)組勉強(qiáng)維持高負(fù)荷運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)性也很差；又如某發(fā)電廠600MW機(jī)組通流改造后，鍋爐送風(fēng)機(jī)容量偏小，全負(fù)荷時(shí)全風(fēng)壓偏低，故機(jī)組也未能滿足擴(kuò)容至660 MW的要求。

為避免出現(xiàn)機(jī)組增效擴(kuò)容時(shí)輔機(jī)設(shè)備不能滿足擴(kuò)容要求，在某發(fā)電廠600MW機(jī)組汽輪機(jī)通流改造方案的可研階段，同步進(jìn)行了輔機(jī)設(shè)備適配性的研究，主要通過機(jī)組超出力試驗(yàn)并結(jié)合理論計(jì)算的方式，重點(diǎn)論證汽輪機(jī)、鍋爐、發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵輔機(jī)能否滿足機(jī)組擴(kuò)容的要求。

1 機(jī)組增效擴(kuò)容改造及驗(yàn)證試驗(yàn)

某發(fā)電廠3與4號(hào)600MW機(jī)組汽輪機(jī)為亞臨界、中間再熱、單軸、三缸、四排汽、凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)N600-16.7/538/538-1。與自然循環(huán)、蒸發(fā)量2 019t/h的汽包鍋爐及600MW水氫氫冷卻發(fā)電機(jī)配套，機(jī)組于2004年投運(yùn)。為進(jìn)一步挖掘機(jī)組節(jié)能增效潛力，在機(jī)組大修期間對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行通流改造，并將機(jī)組額定出力提高至660MW。該機(jī)組增效擴(kuò)容改造前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 機(jī)組主要性能指標(biāo)

為了掌握汽輪機(jī)、鍋爐、電氣系統(tǒng)主輔設(shè)備能否滿足機(jī)組擴(kuò)容至660 MW的要求，對(duì)3號(hào)機(jī)組進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，機(jī)組在超出力負(fù)荷645.2 MW下穩(wěn)定運(yùn)行2 h，并通過減少循環(huán)水量來模擬夏季設(shè)計(jì)背壓9.5 kPa（實(shí)際試驗(yàn)值8.5 kPa），主蒸汽流量升至2 065t/h（不超過廠家要求的握輪機(jī)、.7t/h）。

根據(jù)3號(hào)機(jī)組超出力試驗(yàn)下主要數(shù)據(jù)，汽輪機(jī)通流改造后熱耗值降低3.1%，TRL工況下凝汽器設(shè)計(jì)背壓9.5 kPa，機(jī)組修正后負(fù)荷為660.25 MW，說明機(jī)組主要設(shè)備能夠在通流改造后主蒸汽流量2 065t/h、負(fù)荷660 MW的夏季工況下運(yùn)行。下面以驗(yàn)證試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)汽輪機(jī)、鍋爐、電氣系統(tǒng)主要輔機(jī)設(shè)備的適配性進(jìn)行評(píng)估。

2 汽輪機(jī)主要輔機(jī)適配性

2.1 凝汽器及循環(huán)水泵適配性分析

汽輪機(jī)增效擴(kuò)容改造后，汽輪機(jī)效率增加熱耗下降，相應(yīng)的低壓缸排汽流量和排汽焓發(fā)生了變化。機(jī)組超出力試驗(yàn)下凝汽器運(yùn)行數(shù)據(jù)及擴(kuò)容后夏季工況見表2，并用改造后的機(jī)組660 MW負(fù)荷且夏季設(shè)計(jì)背壓9.5 kPa進(jìn)行校核。

表2 汽輪機(jī)擴(kuò)容后凝汽器性能校核

按照凝汽器的變工況模型，設(shè)計(jì)冷卻面積為34000 m2，清潔系數(shù)經(jīng)多年運(yùn)行后有所下降，取0.87，夏季循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度33℃，冷卻水流量75 600t/h，利用660 MW熱負(fù)荷計(jì)算出凝汽器平均背壓為9.4 kPa，小于夏季工況設(shè)計(jì)背壓。現(xiàn)有凝汽器冷卻能力能夠滿足機(jī)組擴(kuò)容的需要。

在機(jī)組循環(huán)水流量75 600t/h左右，2臺(tái)循環(huán)水泵葉角約在90%，電動(dòng)機(jī)電流值在380 A，如循環(huán)水泵葉角繼續(xù)提高至100%，則電動(dòng)機(jī)電流在420 A，小于額定電流489.8 A，說明循環(huán)水泵及其電動(dòng)機(jī)能夠滿足機(jī)組擴(kuò)容的要求。

2.2 凝結(jié)水泵組適配性分析

機(jī)組配套2臺(tái)100%額定容量的凝結(jié)水泵，凝泵A變頻運(yùn)行，凝泵B工頻備用。凝結(jié)水系統(tǒng)超出力試驗(yàn)和改造后VWO（調(diào)閥全開工況）數(shù)據(jù)見表3。機(jī)組在試驗(yàn)時(shí)凝結(jié)水泵出口流量為1 669t/h，且除氧器水位主調(diào)整門為32.9%，有一定余量，能夠滿足機(jī)組擴(kuò)容改造后VWO工況下的凝結(jié)水流量要求。在超出力試驗(yàn)時(shí)凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)電流206.1 A，和額定電流329 A相比余量較大，能夠滿足機(jī)組擴(kuò)容的要求。

表3 凝結(jié)水系統(tǒng)出力數(shù)據(jù)

2.3 汽動(dòng)給水泵組適配性分析

機(jī)組配套2臺(tái)50%額定容量的汽動(dòng)給水泵（簡稱汽泵）組，前置泵單獨(dú)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，1臺(tái)30%額定容量的電動(dòng)給水泵作為機(jī)組啟動(dòng)及汽泵事故備用。機(jī)組超出力試驗(yàn)下給水系統(tǒng)數(shù)據(jù)見表4，3號(hào)機(jī)組在645.2 MW負(fù)荷下，2臺(tái)汽泵進(jìn)口流量為2 097t/h，和汽輪機(jī)增容后VWO工況下的設(shè)計(jì)流量接近；汽泵出口壓力為19.6 MPa，2臺(tái)汽泵汽輪機(jī)（簡稱小機(jī)）進(jìn)汽流量為62.92t/h。

根據(jù)現(xiàn)有汽泵和前置泵的實(shí)際性能狀態(tài)，機(jī)組擴(kuò)容后的VWO工況下給水流量最大為2101.7t/h，小于2臺(tái)汽泵組最大允許流量2 456t/h。但3號(hào)機(jī)組超出力試驗(yàn)工況下，汽泵進(jìn)口流量達(dá)到2 097t/h，稍大于機(jī)組主蒸汽流量值，建議對(duì)該流量計(jì)進(jìn)行校核，如無問題，需對(duì)汽泵再循環(huán)閥、汽泵密封水系統(tǒng)等泄漏問題進(jìn)行檢查并處理。

表4 給水系統(tǒng)出力數(shù)據(jù)

3號(hào)機(jī)組超出力試驗(yàn)工況下，汽泵A與B轉(zhuǎn)速為5263 r/min與5203 r/min，低于設(shè)計(jì)最大值5645 r/min。前置泵A與B電動(dòng)機(jī)電流為61.02 A與59.69 A，滿足小于額定電流值69.1 A的要求。小機(jī)轉(zhuǎn)速分別為5263 r/min與5203 r/min，小于最大調(diào)速上限5750 r/min；低壓調(diào)門開度為36.4%和39.2%，高壓調(diào)門在關(guān)閉狀態(tài)，調(diào)門余量較大；進(jìn)汽總流量為62.92t/h，小于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)71.3t/h，仍有一定余量。

2.4 加熱器適配性分析

根據(jù)機(jī)組擴(kuò)容改造后VWO工況下的熱平衡圖和加熱器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)組超出力試驗(yàn)下加熱器的運(yùn)行特性，判斷加熱器在汽輪機(jī)增容后的適配性。機(jī)組超出力工況和增容后加熱器性能參數(shù)見表5。

除5號(hào)低壓加熱器（以下簡稱低加）外，在機(jī)組超出力試驗(yàn)工況和汽輪機(jī)通流改造后的VWO工況下，各加熱器的進(jìn)汽壓力和溫度參數(shù)均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，加熱器能安全、穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)組5號(hào)低加在超出力試驗(yàn)工況下，進(jìn)汽溫度為269℃，略高于設(shè)計(jì)值，分析原因?yàn)榈蛪簝?nèi)缸熱變形導(dǎo)致抽汽腔室內(nèi)漏。機(jī)組改造時(shí)，抽汽腔室采用新型斜支撐結(jié)構(gòu)，可以保證5號(hào)低加進(jìn)汽溫度低于設(shè)計(jì)值。

表5 加熱器超出力數(shù)據(jù)

采用汽輪機(jī)通流改造后的VWO工況下加熱器工作壓力、工作溫度和流量數(shù)據(jù)，利用對(duì)應(yīng)的比容來校核機(jī)組增容后管道流速變化，詳見表6。各級(jí)抽汽管道的流速均在35～60 m/s范圍內(nèi)，符合火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范要求。但在機(jī)組超出力試驗(yàn)工況下，機(jī)組1，2，3號(hào)高壓加熱器（簡稱高加）正常疏水閥開度均較大，分別為88.9%，77.1%，76.5%，說明余量較小。5號(hào)低加正常疏水閥開度為71.4%，說明余量也較小。6號(hào)低加正常疏水閥已經(jīng)過改造，疏水能力有一定余量。

3 鍋爐主要輔機(jī)設(shè)備適配性

對(duì)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)模擬計(jì)算，要求改造后鍋爐主蒸汽流量短期運(yùn)行不超過2101.7t/h，長期運(yùn)行不超過2 070t/h。本次機(jī)組超出力試驗(yàn)時(shí)主蒸汽流量為2 065t/h、壓力為17.5 MPa、溫度為541℃，試驗(yàn)期間鍋爐各管壁監(jiān)視未有超溫，爐膛壓力正常，火焰燃燒情況穩(wěn)定。以下對(duì)鍋爐制粉設(shè)備、三大風(fēng)機(jī)等輔機(jī)設(shè)備進(jìn)行適配性分析。

表6 主要抽汽管道流速校核

3.1 磨煤機(jī)適配性分析

試驗(yàn)期間制粉系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，總出力在255t/h，系統(tǒng)參數(shù)均在正常區(qū)間范圍內(nèi)，見表7。若汽輪機(jī)調(diào)門不變，機(jī)組負(fù)荷增加至660 MW時(shí)，燃煤量應(yīng)增加3%，制粉系統(tǒng)總出力為265t/h，單臺(tái)磨煤機(jī)出力為53t/h，離磨煤機(jī)最大出力56.2t/h有一定余量。

表7 磨煤機(jī)出力數(shù)據(jù)

值得注意的是，試驗(yàn)期間機(jī)組燃用煤種較好，Qnet，ar（低位發(fā)熱量）為 22 MJ/kg，與設(shè)計(jì)煤種Qnet，ar值接近，高于機(jī)組日常燃用煤種發(fā)熱量；制粉系統(tǒng)設(shè)備經(jīng)多年運(yùn)行存在老化現(xiàn)象，普遍存在出力達(dá)到52t/h后的間歇性堵煤問題。故今后制粉系統(tǒng)帶660 MW負(fù)荷、燃用發(fā)熱量中等煤種時(shí)，存在一定程度的堵煤風(fēng)險(xiǎn)。若機(jī)組擴(kuò)容至660 MW，可以考慮投運(yùn)6臺(tái)磨煤機(jī)，但運(yùn)行方式規(guī)定和磨煤機(jī)RB（快速減負(fù)荷）邏輯需相應(yīng)修改；若磨煤機(jī)仍然采用“五運(yùn)一備”方式，鍋爐須燃用接近設(shè)計(jì)煤種的高發(fā)熱量煤種，并且對(duì)磨煤機(jī)進(jìn)行徹底檢修以達(dá)到原有保證出力。

3.2 風(fēng)機(jī)的適配性分析

依據(jù)機(jī)組超出力試驗(yàn)負(fù)荷645.2 MW、制粉系統(tǒng)總出力在255t/h時(shí)，得到的引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，見表8。在機(jī)組超出力試驗(yàn)工況下，各風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流均遠(yuǎn)小于其額定電流，動(dòng)葉的開度也在風(fēng)機(jī)性能曲線的合理區(qū)間內(nèi)，說明各風(fēng)機(jī)的余量還很大，完全可以滿足機(jī)組擴(kuò)容的要求，故未對(duì)引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓作進(jìn)一步校核。

4 電氣主要設(shè)備適配性

根據(jù)發(fā)電機(jī)廠家提供的機(jī)組增效擴(kuò)容改造后數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)組超出力試驗(yàn)，發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁變數(shù)據(jù)見表9。發(fā)電機(jī)的額定功率提高到660 MW后，額定電壓維持不變，定子電流增加，而本次超出力試驗(yàn)時(shí)機(jī)組無功負(fù)荷較低，發(fā)電機(jī)功率因數(shù)達(dá)到0.994，定子電流反而小于600MW時(shí)的數(shù)據(jù)，故采用廠家提供的改造后數(shù)據(jù)作為校核。

表8 風(fēng)機(jī)出力數(shù)據(jù)

表9 發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁變工況數(shù)據(jù)

從表9分析可知，發(fā)電機(jī)增容至660 MW后，定子電流由17495 A增加到19245 A，定子損耗增加，定、轉(zhuǎn)子繞組及鐵心等部件的溫升也相應(yīng)升高，現(xiàn)有氫氣冷卻器不能滿足要求，需更換為容量更大的氫氣冷卻器，并將發(fā)電機(jī)運(yùn)行氫壓由0.414 MPa提高至0.45 MPa。

發(fā)電機(jī)增容后，勵(lì)磁電壓由400 V增加至428 A，勵(lì)磁電流由4387 A增加至4697 A，超過了勵(lì)磁變的額定電流。根據(jù)核算，現(xiàn)有勵(lì)磁變的容量不能滿足機(jī)組增容到660 MW的要求，故需要增加勵(lì)磁變壓器容量。

機(jī)組功率提高到660 MW后，在額定功率因數(shù)0.9下的主變壓器電流增大，損耗增加。原來主變壓器配備6組300 kW冷卻器，五運(yùn)一備，主變壓器的空載損耗為252 kW，負(fù)載損耗為1050 kW，冷卻器容量的富余量為198 kW。機(jī)組擴(kuò)容后，主變壓器冷卻器容量的富余量偏小，建議對(duì)冷卻器進(jìn)行改造。

5 結(jié)論

600MW機(jī)組進(jìn)行增效擴(kuò)容改造有利于火電企業(yè)的節(jié)能降耗工作。如何穩(wěn)步推進(jìn)汽輪機(jī)通流改造工作，精確確定改造后機(jī)組的擴(kuò)容目標(biāo)，不僅需要考慮汽輪機(jī)通流改造的效果，評(píng)估機(jī)電爐三大主機(jī)的性能及相互適應(yīng)性，還要避免出現(xiàn)主要輔機(jī)設(shè)備不能滿足機(jī)組擴(kuò)容要求的問題。通過600MW機(jī)組擴(kuò)容改造前采用機(jī)組超出力試驗(yàn)并結(jié)合理論計(jì)算的方式，對(duì)主要輔機(jī)設(shè)備的適配性進(jìn)行了分析和研究，主要可得出以下結(jié)論：

（1）現(xiàn)有凝汽器冷卻能力、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵能夠滿足機(jī)組擴(kuò)容的要求。

（2）汽動(dòng)給水泵組（含小機(jī)）、除氧器、加熱器組均能滿足汽輪機(jī)擴(kuò)容改造后的要求。3臺(tái)高加和5號(hào)低加正常疏水閥開度均較大，需對(duì)加熱器的疏水能力進(jìn)一步進(jìn)行論證。

（3）目前單臺(tái)磨煤機(jī)出力可以達(dá)到53t/h，制粉系統(tǒng)5臺(tái)磨運(yùn)行時(shí)，能夠滿足設(shè)計(jì)煤質(zhì)條件下鍋爐最大出力的要求，但設(shè)備余量很小；在煤種發(fā)熱量未達(dá)設(shè)計(jì)值的情況下，為確保帶增容負(fù)荷，要做好6臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行的準(zhǔn)備。

（4）引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)余量較大，完全滿足設(shè)計(jì)煤質(zhì)條件下鍋爐最大出力要求。

（5）更換勵(lì)磁變，增加勵(lì)磁容量。為了保證足夠的安全裕量，建議增加發(fā)電機(jī)氫氣冷卻器、主變壓器冷卻器的冷卻能力。

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