湖南省汽輪機節能現狀及改造思路探析

李旭，余興剛，蔣北華，韓彥廣

（國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

湖南省汽輪機節能現狀及改造思路探析

李旭，余興剛，蔣北華，韓彥廣

（國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

介紹了湖南省燃煤火電機組的能耗現狀，從負荷率、背壓、本體結構等方面深入剖析影響汽輪機經濟運行的原因。根據目前汽輪機設計制造的最新發展和省內外機組改造的成功經驗，綜合提出了一些汽輪機節能改造的思路和方向。

汽輪機；節能改造；熱耗

近年來，我國能源安全發展對燃煤發電行業提出一些新的要求，明確提出 “節約、清潔、安全”的能源戰略方針和 “節約優先、綠色低碳、立足國內、創新驅動”的能源發展戰略。國家三部委先后發布了 《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》等一系列節能減排文件和通知，要求到2020年，現役燃煤發電機組改造后平均供電煤耗低于310 g/kWh，其中現役600 MW及以上機組(除空冷機組)改造后平均供電煤耗低于300 g/kWh。同時，湖南省發改委等部門根據省內機組現狀也為省內各燃煤電廠制定了相應的節能降耗目標。

為了盡快落實確定的節能降耗目標，各發電集團及燃煤發電企業都在積極行動起來，研究制定各自的運行優化和升級改造方案，一場燃煤發電機組節能降耗的攻堅戰已經打響。火電機組節能降耗措施主要包括鍋爐和汽輪機及其輔助系統的運行優化、設備治理和節能技術改造。

1 省內火電機組能耗現狀

近年，雖然湖南省內各燃煤火電廠圍繞節能減排開展了一系列工作，但總體能耗指標和污染物排放水平與國家節能減排最新要求仍有較大差距。省內火電機組受利用小時數、低負荷運行時間等因素影響，與其他發達地區和行業先進水平相比，我省火電機組供電煤耗總體上仍處于相對落后水平，節能減排形勢依然十分嚴峻。

湖南省火電機組利用小時數在全國處于靠后位置，且近幾年火電利用小時數呈逐年下降趨勢，直接影響了火電機組的負荷率。

湖南省亞臨界和超臨界機組有較大的節能降耗空間。汽輪機熱耗是影響機組供電煤耗的關鍵指標。

省內汽輪機THA工況修正后熱耗普遍高于設計值200 kJ/kWh，此外，湖南省火電機組受水電、氣候等因素影響，火電機組利用小時數嚴重偏低，負荷率只有70%左右，機組實際運行熱耗又高于THA修正后熱耗150 kJ/kWh。

2 汽輪機熱耗影響分析

影響汽輪機熱耗的因素一是管理因素，包括運行管理、檢修管理、技術管理等；二是存在于設備本身的固有因素，主要有設備的設計、制造水平、機組的老化程度等因素。下面就汽輪機熱耗影響較大的幾個方面進行簡單分析。

2.1 負荷率對熱耗影響分析

負荷率對汽輪機熱耗影響很大，這一因素并不被發電廠所左右，主要受電量的社會需求狀況和調度因素的影響。湖南省火電機組受利用小時數低、啟停機頻繁、機組負荷率低等因素影響，特別是大型超臨界火電機組參與電網深度調峰具有機組負荷變化范圍大、負荷變動率高、調峰能力強的優勢而受到電網調度青睞，但是低負荷運行會大大降低超臨界機組、超超臨界機組的經濟性。湖南省火電機組平均負荷率約70%左右，并且電網負荷的峰谷差很大。各電廠機組經常調峰，早班經常維持50%額定負荷運行，機組負荷率偏低使得機組供電煤耗增加。負荷率對汽輪機熱耗率的影響如圖1所示。

圖1 負荷率與汽輪機熱耗的關系

當機組負荷率低于75%時，汽輪機熱耗率大幅上升。當機組負荷率低于50%時，汽輪機熱耗率上升了5%～8%，亞臨界機組受影響更大。

2.2 汽輪機背壓(真空)對熱耗影響分析

汽輪機背壓每高于設計值1 kPa，在100%額定負荷汽輪機熱耗率上升70～80 kJ/kWh。但是，當機組背壓低于設計值，汽輪機的熱耗率降低卻較少，并且汽輪機的背壓也不是越低越好，而是有一個最佳值。即使機組背壓已經達到最佳真空，在額定負荷時汽輪機所降低的熱耗率總量也只有30～40 kJ/kWh。

汽輪機背壓變化主要受循環水溫度影響，而循環水溫度又直接受環境溫度影響。從圖2可以看出循環水溫度越高，對背壓的影響也越大，結果導致汽輪機熱耗增加越多。當循環水溫達到25℃時汽輪機熱耗率將比在循環水溫設計值(20℃)增加100～120 kJ/kWh。

圖2 循環水溫與背壓的關系

湖南省火電機組汽輪機冷卻系統主要包括閉式循環和開式循環兩種形式。開式循環水進水溫度主要受地理位置以及河水水量等情況影響較大，如湖南省石門、鯉魚江、耒陽等地區水溫較低，機組真空相對較好，但地處湘江邊上的株洲、湘潭、長沙等電廠循環水溫從4月底至11月中旬均超過設計值(20℃)，其中8月份平均水溫更是超過30℃。夏季高溫天氣使機組的背壓達到9 kPa以上，機組真空相對偏低。閉式循環水系統由于受湖南天氣夏季溫度高影響，夏季機組真空也比較差，因此自然環境也是制約湖南省汽輪機熱耗降低的原因之一。

2.3 汽輪機本體對熱耗影響分析

汽輪機的實際熱耗高于設計熱耗，主要原因是機組實際情況與設計存在偏差。特別是早期投產的機組普遍存在這個問題。按照目前國內三大汽輪機廠家采用最新設計技術，300 MW亞臨界機組熱耗率可達到7 900 kJ/kWh左右，已經投產十多年的機組熱耗率原設計值在7 900 kJ/kWh以下，這也是這些機組自從投產以來汽輪機熱耗率始終達不到設計值的主要原因。另外機組老化嚴重(投產多年的機組)、通流部分效率低于設計值、熱力循環系統內、外漏、汽動給水泵組效率偏低、運行參數低于設計值、汽輪機進汽存在節流損失等因素也是導致機組熱耗率達不到設計值的原因。

目前，投產較長時間的機組高、中、低壓缸效率較設計值明顯偏低，具體情況如下:

a)高壓缸效率偏低3%～6%，影響熱耗50～100 kJ/kWh；

b)中壓缸效率偏低2%～4%，影響熱耗50～100 kJ/kWh；

c)低壓缸效率偏低2%～4%，影響熱耗70～150 kJ/kWh。

3 汽輪機節能潛力分析

作為節能降耗的重點，如何提高汽輪機通流效率，降低汽輪機熱耗成為當務之急。目前，省內部分投產時間較長的300 MW亞臨界機組已經進行了通流部分技術改造，并取得了較好的效果。但是還有部分投產時間較長的機組高、中、低壓缸效率較設計值明顯偏低，老化嚴重和通流部分存在嚴重缺陷。對于這類機組，可根據現代設計理念，采用全三維熱力設計技術，對高、中、低壓缸通流部分進行改造。如果改造效果較好，目前300 MW亞臨界機組在100%額定負荷熱耗率可以達到7 900 kJ/kWh左右水平，600MW亞臨界機組可以達到7 850 kJ/kWh水平，煤耗預計可降低約6～8 g/kWh。

當前，600 MW等級超臨界機組已開始進行通流部分改造的前期工作。阿爾斯通及國內三大汽輪機廠均有較為成熟的改造方案，600 MW超臨界機組改造后可以達到7 610 kJ/kWh水平。對一些熱耗較高的機組，改造后煤耗預計可降低約7～8 g/kWh。各燃煤電廠可以結合自身機組情況進行系統優化和設備升級改造。

根據當前汽輪機技術最新發展，分析表明，經過技術改造升級可達到:

a)高壓噴嘴配汽(含調節級)高壓缸效率高達87%；

b)高壓缸通流效率達到89%；

c)中壓缸通流效率達到93.5%；

d)低壓缸效率相當，達到89%～92%先進水平。

根據省外各廠改造經驗以及汽輪機制造廠提供的改造方案，汽輪機通流改造的目標見表1。

表1 湖南省汽輪機熱耗改造目標kJ/kWh

4 汽輪機節能改造原則與思路

4.1 汽輪機改造原則

首先，采用優化的汽輪機節能評價方法對設備制造廠提供的改造技術進行全面評價論證，再結合對機組現有主輔設備升級改造的適配性論證上，確定升級改造目標。

汽輪機制造廠為用戶提供的只有比較粗的額定工況下的綜合指標(汽機熱耗率)和分項指標(高、中、低壓缸效率)，沒有考慮機組的實際運行條件。因此，在改造中首先應考慮部分負荷下汽輪機的熱耗的保證值，可以適當犧牲在滿負荷的經濟性來換取低負荷經濟性的提高；其次，應根據多年來的環境溫度重新考慮機組的背壓設計值，從而為低壓缸末級葉片以及凝汽器改造等提供更合理的改造方案；最后，改造除了將通流部分的葉型優化之外，更應該在結構設計和汽封配置方面進行科學合理的組合和優化完善，這對提高汽輪機改造的綜合技術指標是非常有必要的。

4.2 汽輪機改造思路

老化嚴重和通流部分存在嚴重缺陷的機組，要積極采用先進成熟的新技術進行汽輪機通流部分改造，以提高機組的安全可靠性、經濟性和機組的出力。針對近幾年汽輪機改造的一些成功經驗，歸納提出以下幾點建議:

1)汽輪機參數提升改造。針對亞臨界600 MW，300 MW機組的升級改造，提出了一種提升汽輪機進汽參數的改造方法，即由16.67 MPa/ 538℃/538℃提升為16.67 MPa/566℃/566℃，可降低熱耗120 kJ/kWh。汽輪機本體需要進行大范圍改造:高中壓外缸、高中壓主汽門、調門均需更換，只有低壓外缸可以保留。鍋爐本體需要進行大范圍改造:鍋爐受熱面需進行改造，需增加過熱器、再熱器等受熱面面積。

2)以往300 MW，600 MW機組為高中壓合缸布置，由于受限于轉子長度，中壓缸通流級數不能太多，所以只能選取較高的中壓缸排汽壓力。在最新的改型設計中，通過將中壓缸葉片級數增加一級，低壓缸去掉一級等方法，將中、低壓分缸壓力由原先的1 MPa大幅度降低為0.65 MPa，順應了目前汽輪機技術的主流發展方向。

3)以往汽輪機普遍采用了高壓調節級，高壓缸缸效率與節流配汽(無調節級)機組相比差距明顯，主要原因是實際運行中機組調節級效率偏離設計值較大，以后改造可參考無調節級的汽輪機形式。

4)汽缸變形較為嚴重。高、中壓缸之間密封不嚴密導致高壓缸排汽漏入中壓缸，內缸外壁冷卻加劇，熱應力增加和汽輪機的效率下降，同時機組啟機時缸內外壁承受的應力較大。在最新的改型設計中，高壓內缸采用的是無水平中分面法蘭，上下缸為半圓筒形結構，用紅套箍緊。安裝方法是將高壓轉子平置于內缸中，將緊圈用環形火焰加熱至200℃左右，利用液壓千斤頂快速更換支承，依次將緊圈紅套內缸，冷卻后使內缸具有足夠的密封緊力，以確保高壓內缸中分面在任何工況下運行時無蒸汽泄漏。這種高壓內缸結構輕巧，內外缸直徑明顯減小，無應力集中，受熱均勻，汽缸無扭曲，變工況性能優良，適應參與電網調峰運行。

5)從前幾年汽輪機大修前后低壓缸間隙調整值與效率測試對比來看，低壓缸通流效率對安裝間隙的控制并不敏感，其效率主要決定于設計水平和制造工藝。綜合考慮安全、經濟性及末級葉片除濕效果，可考慮隔板汽封選擇蜂窩汽封，軸端選擇側齒或接觸式汽封。

6)高中壓缸過橋汽封漏汽量大小對汽輪機效率有較大影響。名義中壓缸效率高于設計值，間接反映了過橋汽封漏汽量大，經過多臺機組測試結果表明過橋汽封實際漏汽量在3%～4%，遠遠高于2%的設計漏汽量。今后的大修中可考慮過橋汽封采用美國布萊登汽封作為優選方案。目前上汽廠600MW超臨界汽輪機出廠時即在高中壓缸間軸封采用了布萊登汽封，從多臺機組的試驗數據來看，其效果較好。但布萊登汽封的材質好壞直接影響布萊登汽封的應用效果，因此在采購中一定要注意。

7)在目前機組平均負荷率明顯偏低的運行條件下，低壓缸模塊采取末級葉片長度是否合理值得專題研究。如東方汽輪機廠有909 mm與1 016 mm兩種末級葉片，低壓缸排汽流量與葉片長度存在最佳組合關系，如偏離較大，可考慮末級葉片換型。

8)低壓內缸優化，新型整體蝸殼進汽鑄鐵內缸。五段和六段抽汽溫度偏高是目前機組的共性問題，由于低壓缸為三層缸結構，由低壓外缸、1號內缸、2號內缸以及隔板套組成，雖然設計中已將溫度梯度平緩化，但由于密封配合面較多，螺栓分布存在不合理性，密封配合面漏汽嚴重。檢修時，某些電廠中分面間隙達到0.7～0.9 mm。優化后的低壓缸可降低中低壓分缸壓力，改善低壓缸工作環境；采用蝸殼配橫置靜葉進汽結構，進汽損失小；采用整體鑄造內缸，結構簡單、流動損失小、變形小；現場實測中分面最大間隙0.02～0.05 mm。據改造后測試表明整體蝸殼式低壓缸相對以往形式的低壓缸降低熱耗約50 kJ/kWh。

9)中低壓連通管。取消導流葉柵，解決連通管可靠性問題，避免流通內產生湍流、振動、噪聲等問題；采用熱壓彎頭，減少流動損失。

10)將焊接隔板升級為裝配式隔板。由于焊接隔板熱處理工藝不過關，容易出現變形，焊接質量差，喉部尺寸達不到設計要求，通道面積難以保證。如葉片損壞，更換成本高。

11)熱力系統優化。通過熱力系統整體優化，進一步降低汽輪機熱耗。如采用增設0號高加、增設外置式蒸汽冷卻器、增加回熱級數、采用1× 100%給水泵汽輪機、增加低溫省煤器等改造措施。

12)汽輪機本體及管道保溫治理。省內某些投產較早的機組保溫存在部分老化，熱力設備和管道保溫效果不理想，散熱損失大，達不到國家有關標準要求，直接影響整臺機組的經濟性。改造中應使用質量優良的保溫材料，同時將熱力系統保溫列入日常檢查和檢修的重點檢查管理內容，超標的要及時處理。

5 結語

降低汽輪機熱耗是一項長期、細致、繁瑣的工作。除了進行汽輪機通流部分改造，很難大幅度提高汽輪機經濟性，即便有些機組進行了通流改造，在改造后仍需對大量細小、瑣碎的問題進行處理。

文中雖然總結了汽輪機節能方面存在的問題和技術改造措施，但還是看到，節能工作不只朝夕，節能技術改進工作也在不斷創新。

Present Situation and Modification Ideas of Energy Saving of Steam Turbine in Hunan Province

LI Xu，YU Xinggang，JIANG Beihua，HAN Yanguang
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

This paper introduces the energy consumption of coal-fired power units in Hunan Province，analyzes the causes of the economic operation of the steam turbine from the aspects of load rate，vacuum，and structure of the main body，etc.In view of the latest development and successful experience of turbine design and manufacture，energy-saving ideas and direction of the turbine are put forword.

steam turbine；energy saving modification；heat rate

TM621

B

1008-0198(2017)04-0024-04

李旭(1980)，男，碩士，高級工程師，主要從事大型汽輪機組調試與試驗等技術工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.04.008

2017-02-09 改回日期:2017-03-20