國華定電亞臨界600 MW汽輪機通流改造技術方案研究與應用

張 磊

(神華國華(北京)電力研究院有限公司,北京 100025)

0 引言

目前電力市場競爭越來越激烈，節能減排壓力進一步加大。國內火力發電企業在未來較長一段時間依然面臨著較大的經營壓力、在發展上存在嚴峻的挑戰，這給火力發電企業提出了更高的要求。

從上世紀90年代開始，國內的一些汽輪機制造廠家和高科技公司就開始采用先進的汽輪機設計技術進行國產老機組現代化技術改造的實踐。上世紀90年代中期至今國內已有100多臺亞臨界300 MW等級機組完成了通流升級改造[1-3]，改造后，機組的供電煤耗普遍可降低15 g/kWh左右，銘牌出力提高約10%，節能效果顯著。

目前國內600 MW等級機組通流改造項目也已逐步開展[4-11]。從上汽亞臨界600 MW機組的實際運行情況來看，該型機組的實際運行性能與設計值存在著明顯的差距，機組性能已相對落后，且大部分機組投運時間已接近兩個大修期，非常有必要對該機型通流改造的技術方案進行研究。國華定州電廠(以下簡稱“定電”)在役的上汽產亞臨界600 MW汽輪機共2臺，本文主要以定電一期1號、2號汽輪機組為主要研究對象。

1 機組運行現狀

國華定電亞臨界600 MW汽輪機為上汽廠于上世紀90年代引進美國西屋公司技術設計生產，汽輪機高、中、低壓通流級數共有58級，末級葉片高度為905 mm。機組共設計有8級回熱抽汽，包括三個高加、一個除氧和四個低加。定電一期亞臨界600 WM汽輪機組于2006年10月并網發電，投產至今機組經濟指標大幅下滑，且存在一定的安全隱患。

1.1 能耗現狀

國華定電上汽產亞臨界600 MW機組額定工況的設計熱耗為7 795.7 kJ/kWh(設計背壓5.4 kPa)，設計高、中壓缸效率分別為88.53%、91.46%。根據投產時進行的考核試驗(如表1)，1號、2號汽輪機熱耗值分別高于設計值192.5 kJ/kWh、170.3 kJ/kWh，遠未達到設計值。在2013年進行的性能試驗顯示，1號、2號汽輪機熱耗值分別高于設計值322.3 kJ/kWh、342.3 kJ/kWh。可見，隨著運行時間的增加，機組的經濟性指標大幅下滑。鑒于多家制造廠對其汽輪機通流設計技術進行了升級換代，改造效果良好，因此，對亞臨界600 MW汽輪機進行通流改造技術方案研究是有必要的。

1.2 機組存在的問題

根據收集該型機組運行數據、檢修中發現的問題等，進行分析整理，得出上汽產亞臨界600 MW汽輪機存在的問題主要有以下幾方面。

表1 汽輪機性能試驗數據

1.2.1 低壓五抽、六抽溫度超溫嚴重

上汽產亞臨界600 MW機組普遍存在低壓五抽、六抽蒸汽溫度嚴重超溫的問題。部分機組五抽溫度分別比設計值高約30 ℃、六抽溫度比設計值高約50 ℃，超溫現象特別嚴重。國內同型的機組(包括西屋原型機)也普遍存在5、6段抽汽明顯超溫的問題，影響了機組的經濟性。

1.2.2 中壓轉子實際冷卻蒸汽流量過大

上汽產亞臨界600 MW機組設計有中壓轉子冷卻蒸汽，額定工況下設計流量為7.5 t/h左右。但是，根據國華所屬各電廠多臺機組性能試驗結果，實際蒸汽流量約為設計值的4倍，達到30 t/h，遠遠大于設計值，從而影響了機組的經濟性。

1.2.3 低壓缸軸承振動大

在機組高真空時，出現低壓缸軸承振動偏大的問題。分析原因，主要是由于上汽產亞臨界600 MW機組低壓軸承座設計安裝于外缸上，機組低真空時導致低壓外缸變型量偏大，從而引起汽輪機動靜碰磨和振動加大的問題。

1.2.4 調節閥振動與閥桿斷裂問題

國華電力所屬的寧海、臺山等電廠的17臺上汽產亞臨界600 MW汽輪機高壓調節閥頻繁發生了數十起閥桿與連接套銷釘斷裂，以及LVDT連接桿斷裂等原因而失效的故障，且經過多年治理仍無法徹底消除。

針對上述問題，國華研究院已與大學、制造廠合作進行了相關專題研究工作，擬在本次汽輪機通流改造的過程中進行徹底治理。

2 改造方案

目前國內、外汽輪機廠商對通流設計技術進行了更新換代，已開始采用新一代超超臨界百萬機技術對300 MW、600 MW機組進行設計和改造，其整體技術水平已遠高于上世紀90年代。但鑒于定電一期汽輪機通流改造可行性研究啟動時，仍無上汽產亞臨界600 MW汽輪機改造業績，因此，改后熱耗、銘牌的確定是本次研究的重點。

2.1 改后熱耗

調研收集到11臺300 MW汽輪機通流改造最新業績(如表2)，熱耗平均值為7 866 kJ/kWh，高、中壓缸效率平均值分別為86.86%、92.8%，可以看出300 MW等級汽輪機通流改造的技術已足夠先進。

表2 300 MW等級汽輪機通流改造業績

為確定改造后汽輪機熱耗，進行了如下工作：一方面，根據300 MW機組的改造業績，分析亞臨界300 MW與600 MW機組的異同，得出600 MW機組的熱耗應低于300 MW機組30 kJ/kWh左右；另一方面，收集上海汽輪機廠、全四維公司、阿爾斯通等改造廠商提供的600 MW汽輪機改造后性能指標的保證值，比較得出熱耗保證值基本在同一水平。此外，采用熱力計算程序進行熱平衡校核計算，最終確定600 MW汽輪機改后熱耗將達到7 840 kJ/kWh(背壓4.9 kPa)左右，高、中壓缸效率分別為88.5%、92.5%左右。

2.2 改后銘牌

改造后銘牌功率確定的原則是：(1)機組的燃煤總量不增加；(2)鍋爐的BMCR蒸發量不增加，且汽輪機VWO工況與TRL工況之間至少保留不低于3%的余量。

銘牌功率定義(中華人民共和國電力行業標準DL/T893-2004《電站汽輪機名詞術語》)，考慮到我國地域遼闊，南北跨度大，在TRL銘牌功率中，以現場環境條件下的實際夏季優化背壓替代統一的11.8 kPa應更為合理。目前國內新建電廠的機組在TRL背壓選取上，基本都以現場環境條件下的實際夏季背壓替代統一的11.8 kPa。

針對定電一期機組進行了冷端優化工作，通過凝汽器增容、循環水泵增容等冷端優化工作(具體方案見本文3.1節)，可以進一步降低機組背壓，銘牌功率的確定將以冷端優化后的夏季背壓為基準。

2.3 技術方案

采用新一代超超臨界機組的通流技術進行汽輪機換心改造，增加通流級數，提高通流效率，大幅降低機組的熱耗，同時對原機組的高溫高壓部件進行結構優化，解決老機組中存在的安全隱患，提高原機組的運行穩定性和可靠性，具體方案如下：

(1)通流級數調整，優化最優速比：高壓通流由原來的I+11級增加至I+12級，中壓通流由原來的2X9 級增加至2X10 級，兩個低壓通流仍為2X7 級(雙流形式);

(2)采用了變反動度的設計原則，以最佳的氣流特性決定各級的反動度，使各個全三維葉片級均處在最佳的氣動狀態，提高整個缸的通流效率；

(3)葉片改進：高中低葉片級采用彎扭的馬刀型動、靜葉片，降低葉型和二次流損失；

(4)新型汽封：各級均有迷宮式、高低多齒汽封，過橋處采用可縮放汽封，降低漏汽損失；

(5)末三級動葉采用樅樹型葉根，其他位置采用T型葉根，漏汽損失小；

(6)采用整體內缸，且內缸設計為斜撐結構以減小變型，減小漏氣損失，可解決五抽、六抽溫度超溫的問題；

(7)排汽導流環優化，減小余速損失；

(8)整體圍帶葉片、單片銑制、全切削加工、加工精度高；

(9)葉片強度好、動應力低、抗高溫蠕變性能好；

(10)采用新型調節閥閥桿連接結構，更換新型閥碟型線，解決調節閥振動與閥桿斷裂問題；

(11)低壓外缸加固，降低低壓外缸在低真空下的變形量，解決低壓軸承振動大的問題。

3 方案優化

3.1 冷端優化

為降低機組運行背壓，提升機組循環效率，開展了冷端優化工作，本機組采取的冷端優化措施(如表3)包括：(1)循環水泵葉輪改造，循環水量由68 000 t/h增加至75 000 t/h；(2)凝汽器增容改造，換熱面積由38 000 m2增加至40 500 m2。采用上述冷端優化措施后，機組的設計背壓由5.4 kPa降低至5.0 kPa。經論證分析，考慮低背壓和實際負荷率，若進行冷端優化則選用905葉型綜合性能更優，否則選用915葉型比較合理。因此，結合冷端優化與末級葉片選型，可以使機組在設計點的熱耗由7 863 kJ/kWh進一步降低至7 843 kJ/kWh，熱耗深度降低20 kJ/kWh，機組銘牌可以達到620 MW左右。

表3 冷端優化效果

為分析冷端優化前后機組實際運行工況的效果，統計了定電全年每個月份的平均循環水入口溫度，按照IEC的計算標準，對處于上述循環水入口溫度的機組滿負荷工況下，冷端優化前后的機組背壓進行了分析，計算結果如圖1，可見，機組每個月份的背壓均得到大幅降低，尤其是夏季，機組背壓降低明顯。因此，采用冷端優化措施后，機組的經濟性將得到大幅提升。

圖1 冷端優化前后背壓對比

3.2 末級葉片選型

低壓缸末級葉片的選擇，決定了機組變工況的經濟性能，葉片選用的基本原則是在實際負荷率的邊界條件下，使機組的全年經濟性能最優。上汽廠提供了905、915兩種末級葉型供用戶選擇，在設計背壓5.0 kPa的邊界條件下，選用兩種末級葉型對應的汽輪機熱耗見表4。統計了上一年度各個負荷段的實際運行時間，THA、75%THA、50%THA工況的運行時間占總時間的比例分別為46.8%、26.6%、26.6%，并以此為基準計算了改造后兩種葉型對應的汽輪機加權平均熱耗，分別為7 984.8 kJ/kWh、7 986.6 kJ/kWh，因此，考慮全年實際負荷情況，末級葉片選用905葉型最佳。

表4 末級葉片選型對比

3.3 取消中壓轉子冷卻蒸汽

受中壓轉子首級葉輪材質的限制，原機組設計了從高排引冷卻蒸汽對中壓轉子中部進行冷卻，設計流量7.45 t/h。中壓轉子冷卻蒸汽未經再熱即進入中壓缸，導致蒸汽焓值下降，增加了汽輪機的熱耗。此外，在實際運行中，中壓轉子冷卻蒸汽實際流量遠遠超出設計流量，在投產后的考核試驗中，1號汽輪機實際冷卻蒸汽流量已高達19.1 t/h左右。經建模計算，若取消中壓轉子冷卻蒸汽，可使機組熱耗降低約19.9 kJ/kWh。

為避免取消中壓轉子冷卻蒸汽后，轉子出現高溫蠕變引起漸進式彎曲的問題，由制造廠對轉子的強度進行了校核。經過上汽廠校核分析，新設計的轉子，葉根及葉根槽強度、轉子強度完全能夠滿足機組在壽命期內的安全穩定運行的需要，中壓轉子不需要采取額外的降溫措施。在規范運行的情況下，壽命期內轉子不會發生彎曲現象，完全能夠保證機組長期安全穩定的運行。

3.4 外置式蒸冷器

定電亞臨界600 MW汽輪機第3級回熱抽汽溫度為432.7 ℃，蒸汽過熱度達到231.6 ℃，造成能量品質的嚴重浪費。通過加裝外置式蒸汽冷卻器，可以降低蒸汽過熱度，提高最終給水溫度，從而達到能量梯級利用、提高回熱效率的目的。

通過熱平衡計算，得出加裝外置式蒸汽冷卻器可以提高給水溫度約3.5 ℃，使機組熱耗降低14 kJ/kWh，提升了機組的經濟性。但由于加裝外置蒸冷器使得3號高加進汽的過熱度大幅降低，經過制造廠校核，需對3號高加進行改造。鑒于加裝外置蒸冷器和3號高加改造的費用較高，投資回收期稍長，本次改造階段暫不實施。

3.5 小結

經過上述冷端優化、末級葉片選型、取消中壓轉子冷卻蒸汽等方案優化后，改造后機組的性能保證值見表5，THA工況的預期熱耗為7 843 kJ/kWh，機組經濟性可大幅優于改造前。

表5 改造后機組的性能保證值

4 改造效果

本次1號、2號汽輪機通流改造分別于2015年10月、2016年1月開始實施，工期分別為83天、90天。機組啟動后，機組振動情況良好：(1)滿負荷工況，汽輪機整體振動均在優良范圍內；(2)在低背壓工況(背壓為2.7 kPa)，如表6所示，低壓軸承亦未出現振動偏大的問題，可見，低壓外缸加固取得明顯效果；(3)調節閥振動情況良好，至今未出現改造前所發生的連接套銷釘斷裂以及LVDT連接桿斷裂等問題。

表6 機組振動值

汽輪機性能考核試驗由河北省電力建設調整試驗所負責完成，各試驗工況下性能參數見表7。1號機組試驗熱耗為7 795.5 kJ/kWh，比設計值低47.5 kJ/kWh，高壓缸效率比設計值高1.5%，中壓缸效率與設計值相等；2號機組試驗熱耗為7 798.4 kJ/kWh,比設計值低44.6 kJ/kWh，高壓缸效率比設計值高0.7%，中壓缸效率比設計值高0.4%，達到了預期效果。通過本次改造，1號、2號汽輪機熱耗分別降低了322.5 kJ/kWh、342.5 kJ/kWh，大幅提升了機組的經濟性。

表7 性能試驗數據

5 結論

綜上所述，本文分析了定電亞臨界600 MW機組改造前性能和存在的問題，確定了預期目標和改造方案，并對改造方案進行了深度優化。改造后，1號汽輪機熱耗為7 795.5 kJ/kWh，高、中壓缸效率分別為89.5%、92.5%；2號汽輪機熱耗為7 798.4 kJ/kWh，高、中壓缸效率分別為88.7%、92.9%，達到了預期效果。通過本次改造，一期1號、2號汽輪機熱耗分別降低了322.5 kJ/kWh、342.5 kJ/kWh，大幅降低了機組的熱耗率，機組振動情況亦得到明顯改善，提升了機組的經濟性和安全性。