蘇龍電廠高效改造型抽汽式330 MW汽輪機設計特點

張曉霞，唐新江

(1.上海電氣電站設備有限公司汽輪機廠，上海 200240；2.江陰蘇龍熱電有限公司，江陰 214400)

蘇龍熱電三期2臺330 MW汽輪機為上海汽輪機廠(上汽廠)設計生產的亞臨界中間再熱凝汽式汽輪機，于2004年投產運行。隨著機組服役年限的增加，機組因老化，效率衰減明顯，至2017年12月機組熱耗相比于投運初期升高值超過230 kJ/kW。

蘇龍熱電地處江陰工業區，周邊熱用戶用汽需求不斷增大。2014年該2臺機組運行方式由純凝發電模式變換為熱電聯產模式，單機供熱流量 為100 ～350 t/h ，供熱壓力為1.4～1.6 MPa(a)。因原機組為常規純凝機型，僅能采用冷再與熱再抽汽經減溫減壓方式供熱。大流量蒸汽被減壓降溫，這使機組熱量能級損失較大，影響機組運行經濟性。

三期機組是承擔該廠供熱任務的主力機組，全年以抽汽供熱模式運行。該機組供熱蒸汽量大、參數高，已偏離了最初的純凝運行設計模式。本文采用最新的汽輪機通流及本體設計技術對機組進行改造，在消除機組老化的同時，按抽汽機組最佳經濟運行方式制定實施改造方案，這對于全面提升機組抽汽工況運行的經濟性和調度響應的靈活性非常有必要。

本文對蘇龍電廠汽輪機改造方案進行了介紹，旨在為同類大功率抽汽式汽輪機結合熱、電負荷運行模式進行設計選型提供示范和借鑒。

1 總體改造設計要求

汽輪機高中、低壓通流采用最新整體通流及本體先進設計技術，進行全新改造。機組按壽命期全年長期抽汽供熱方式運行進行設計，并確定以機組額定供熱工況運行經濟性最佳為方案選擇的重要指標。改造后，單機具有最大達350 t/h的穩定可靠供熱運行能力，并且機組抽汽工況電負荷調節范圍更寬，能夠滿足電網考核要求。汽輪機改造前后主要設計參數對比如表1所示。

原汽輪機出廠編號K156，為高中壓合缸、低壓雙流的二缸二排汽機型。從性價比角度考慮，此項目計劃重點改造制約機組性能與供熱能力的汽輪機通流與本體核心部件，汽輪機閥門、軸承及基礎等均不動，外缸僅做局部改造。

2 通流及結構設計重點節能技術

2.1 進汽方式

蘇龍熱電全年帶供熱運行，熱負荷在100～350 t/h區間內波動。近3年的統計數據表明，機組年均熱負荷為130 t/h，年均電負荷為250 MW(76%負荷率)。綜合考慮機組全負荷區間運行經濟性，并兼顧供熱機組在調節響應等方面的更大靈活性等因素，改造設計沿用噴嘴配汽設調節級的方式。改造后機組最大進汽能力為1 073 t/h，可使機組具有更佳的寬負荷調節性。

2.2 通流葉片級

高中壓、低壓壓力級通流設計采用上汽廠先進的整體通流葉片技術[1](Advanced Integrated Blade Technology，AIBT)，該技術包含了整體流道的通流設計，按效率最高、強度達標的要求自動完成通流跨距下的級數選型，以及彎扭葉片型線的優化設計、差脹間隙設計、葉頂圍帶和葉根優選的設計。應用該技術，可大幅提高機組通流設計效率，有效縮短設計周期。

AIBT技術主要特點如下：

1)遵循小直徑、多級數設計理念，各級均有鑲片式迷宮汽封，可有效降低通流部分的漏汽損失；

2)采用3D彎扭馬刀型動靜葉片，可有效減少二次流損失，并應用了變反動度設計方法，以最優的氣流特性確定各級反動度，使各級全三維葉片均處在最佳氣動狀態，提高整缸通流效率；

3)采用整體圍帶葉片，葉片均單片銑制、全切削加工而成，加工精度高，強度好，動應力低，抗高溫蠕變性能好。

改造后高壓缸級數由原來的1級調節級加14級壓力級增加為1級調節級加15級壓力級；中壓缸級數由原來的8級增加到10級；低壓缸級數由原來的2×7級增加到2×8級。在通流部分跨距不變的條件下，在有限空間內實現了通流優化升級設計，高、中壓缸設計效率分別達到了87.5%和93%以上的水平。

機組改造后以抽汽方式長期運行，全年電負荷率預計為75%～80%。按此運行模式，在供熱量130～350 t/h區間內，與相同電負荷率條件下純凝運行模式相比，機組低壓側排汽流量將減少約9%～30%。因此選擇綜合經濟性更佳的末級長葉片，對改造后機組的高效運行非常關鍵。改造方案低壓模塊采用了7 m2級末葉片，不但充分考慮了抽汽工況運行的經濟性，也使機組在大流量抽汽時具有更高的可靠性和靈活性。

2.3 新型內缸結構

高中壓采用新設計的整體內缸結構，將原高壓內缸、高壓靜葉持環及中壓1號持環合并，形成一個新的整體內缸。整體內缸的設計并非簡單地將原部件進行整合，而是通過三維實體汽缸強度及密封性能的考核計算，來優化內部結構設計。在滿足安全性的前提下，該結構能夠提高汽缸的剛度，減小汽缸運行過程中產生的變形。同時優化汽缸壁厚，使機組啟停和變負荷運行更加快捷安全。采用高中壓整體內缸可以極大減少現場安裝調整的工作量，有效消除原裝配接合面內漏等問題。

低壓缸采用新型斜撐式整體內缸形式，應用先進的有限元算法對內缸進行三維模擬仿真計算設計，采用新型抽汽腔室和螺栓法蘭布置，解決了原機組內缸變形和內漏超溫的問題。與原機組采用的直撐式低壓內缸結構相比，改造后低壓內缸采用了漸縮的進汽流道、特殊的抽汽腔室、變截面抽汽口優化，以及更加便于檢修運輸的起吊布置等，使整個內缸更加合理。

3 抽汽及熱力系統設計節能技術

3.1 級間抽汽技術

本項目供汽參數為1.4～1.6 MPa(a)，與中壓缸三抽壓力相近，因此采用三抽供汽，比改造前采用的高排與熱再供汽方式更為經濟。在三抽處采用非調整抽汽方式供汽時，抽汽壓力將隨抽汽量增大或電負荷減小而降低，不能在較寬的負荷區間內滿足供汽品質要求。為了使級間抽汽(即中壓第1級組后三抽處抽汽)滿足60%以上負荷區間額定供熱經濟運行的要求，此次改造將實行以下措施。

3.1.1 提高三抽壓力

采用在中壓級間抽汽的方式進行供熱，若三抽壓力仍保持與原機型相同，則需在90%以上負荷運行，抽汽壓力才能達到供熱要求。由于本項目要求機組在較寬負荷區間達到1.5 MPa、130 t/h以上蒸汽供熱，因此優化提高三抽壓力非常有必要，并且將非常有效。改造后，三抽額定壓力提升至2.33 MPa，這樣可使機組采用非調整級間供熱方式，在負荷75%以上時滿足用汽參數要求。

3.1.2 中低壓連通管設調壓蝶閥

提高三抽壓力后，可以使75%～90%負荷區間三抽壓力滿足供汽品質要求，但在75%負荷以下運行時，三抽壓力仍低于供汽要求。為了提高低負荷抽汽運行時的三抽壓力，在中低壓連通管裝設調壓蝶閥，通過調整蝶閥開度提高四抽 (中排)壓力的方式來間接提高三抽壓力，這樣可以使三抽供熱壓力達到參數要求。

原機組中壓通流為8級，為提高通流效率，改造后充分利用通流布置空間，中壓級數增加為10級。常規設計中，三抽供熱壓力的調整一般會考慮在中壓缸內布置旋轉隔板或調壓閥進行調壓，但因該改造機型軸向跨距和高中壓外缸基本均不變，有限的空間限制了中壓缸進一步布置調整抽汽裝置。機組三抽抽汽口與中排之間僅有1個級組，中排壓力的變化將間接影響三抽壓力，按此思路，設計人員巧妙地在中低壓連通管上布置蝶閥，用于調整中排壓力，從而間接地將三抽壓力調整至目標值。該方案的空間設計不但簡潔可靠，而且不會給通流部分排布和中壓缸效率帶來不利影響。

采用中低壓連通管布置調壓蝶閥的方式，有效解決了60%～75%負荷區間下抽汽運行時級間抽汽參數偏低的問題。在該負荷區間采用級間抽汽時，雖然三抽下游級組流量大幅減少，但核算結果顯示中排前級組仍有較大安全流量，而且中排溫度在安全范圍內，因此該方案可確保機組穩定、經濟地運行。

3.1.3 增設大流量工業抽汽口

原機組在中壓第1級組后設第3段回熱抽汽，此抽汽口布置于外缸下部，僅可供約50 t/h回熱用汽，不具備額外供應100 t/h以上蒸汽的能力。為滿足在此處供應大流量抽汽的能力，在該處高中壓外缸上半增設了抽汽口，突破了原型機的抽汽口布置方式。

從改造性價比考慮，本項目外缸利用舊設備，因此需在原高壓外缸上半采用打孔方式，增設工業用汽抽汽口，如圖1所示。該抽汽口與三抽腔室相通，將工業用汽從上缸引出。該方案在原上部外缸上開孔，需避開中壓排汽口、持環腰帶、持環定位銷等結構上的限制，通過對內外缸部件結構空間的優化布置，滿足了最大達350 t/h的供汽量要求。

3.2 熱力系統優化

本機組改造沿用原機型配置的8級回熱抽汽(3高+4低+1除氧)系統。為滿足改造后機組在抽汽工況下高效運行的要求，對相應參數進行了優化配置。改造前后高中壓各檔抽汽口的參數對比如表2所示。

從表2可見，此次改造對高排、三抽、中排參數均進行了優化設計，使機組抽汽工況運行效率得到了大幅提升，并使機組在較寬負荷區間具有級間抽汽100～350 t/h的能力。

熱力系統重點節能措施包括：

1)優化再熱壓力。在75%以下負荷三抽供汽工況下，中低壓連通管蝶閥需投入調節，此時三抽壓力和中排壓力升高，中排溫度將同步提高。從安全運行角度考慮，機組中排運行溫度有最高限制值。提高再熱壓力(即中壓進口壓力)，可使中壓缸焓降增大，有利于降低中壓缸排汽溫度，從而使機組能夠在更寬運行范圍內保持抽汽工況可靠運行。改造后，在鍋爐安全允許范圍內，再熱壓力比之前提升了約3.6%，這使汽輪機運行具有了更高的靈活性和可靠性。

2)優化中低壓分缸壓力。機組實施級間抽汽技術改造后，為了使機組抽汽工況經濟運行區間拓寬至60%負荷，中低壓分缸壓力略有提升(約5%)。此外，因改造后三抽壓力提升幅度較大，對四抽(即中排)壓力進行了同步提升，這樣可使加熱器溫升分配更均勻，有利于循環效率提高，同時也可使三抽壓力具有更佳的可調性。

3.3 2種抽汽方式按序靈活切換

采用中壓級間抽汽方式供熱，當中低壓連通管蝶閥參與調節，提高中排及三抽壓力時，中排溫度將同步升高。根據中排安全運行溫度要求，在額定抽汽量下供熱時，機組最低可在65%VWO進汽量(約60%負荷)工況下滿足此限制要求。圖2是主蒸汽進汽流量與中壓級間允許的最大供熱量的關系曲線。由此曲線可知，級間允許的最大供熱量隨進汽流量的增加而增大，在接近VWO流量時，最大可達350 t/h。在實際運行時，還可通過適當降低再熱溫度的方式，使機組在相應的進汽量下有更大的級間抽汽供熱能力。此時中排溫度仍可控制在安全范圍內。

當機組在65%VWO進汽量以下運行，或抽汽流量需求大于圖2曲線對應最大級間抽汽量時，機組供熱方式需切換至高排與熱再間抽汽供熱。對于蘇龍三期機組，原來已設置高排與熱再間抽汽管路，此次改造有效利用了原有管路，可保留此路供汽功能。

綜上分析，本機組在60%負荷以上區間運行，且抽汽量不大于圖2曲線時，宜優先采用經濟性更佳的級間供熱方式；機組在60%負荷以下區間運行，或不能滿足抽汽量要求時，可切換至高排與熱再間供熱方式。2種抽汽方式可在線靈活切換，使機組具有更佳的變工況抽汽運行適應性和高效經濟性。

4 改造節能效果評價

蘇龍三期機組全年帶供熱運行，年平均供熱流量約為 130 t/h，主要在310 MW和250 MW 兩個電負荷點附近區間運行。因此本機組不以純凝工況為性能核算工況，而以310 MW和250 MW兩個電負荷供熱工況點作為改造方案經濟性核算工況，且權重均為50%。

以下從級間抽汽供熱方式的節能效果和改造前后綜合經濟性效果兩方面對典型運行工況的節能指標進行評價。

4.1 中壓級間抽汽供熱節能效果

改造前后兩種供熱方式的經濟性對比如表3所示，其中改造后方案為方式1，改造前方案為方式2。該機型額定再熱壓力為3.6 MPa，溫度為538 ℃。按原機組在冷、熱再位置抽汽供熱(方式2)，蒸汽經減溫減壓到壓力為1.4～1.6 MPa后供工業用汽。此供熱方式高品質蒸汽低效使用，機組供熱經濟性不佳。對于大流量抽汽工況，采用改造后的中壓級間抽汽供熱(方式1)，抽汽參數與工業用汽參數匹配度較好，減少了節流降溫損失，運行經濟性相對更好。

表3 兩種供熱方式的經濟性對比

由表3可見，采用中壓級間供熱方式，機組綜合運行熱耗可降低91 kJ/(kW·h)，在部分負荷供熱工況、大抽汽量供熱工況下，降耗效果更佳，可達116 kJ/(kW·h)。

4.2 綜合改造總體節能效果

2019年初，蘇龍三期5號、6號機于改造前進行了供熱工況性能摸底試驗，2臺機滿負荷供熱工況的試驗熱耗修正平均值為7 935 kJ/(kW·h)[2]，按此計算，改造后機組滿負荷供熱工況熱耗可降低438 kJ/(kW·h)。若機組不進行通流改造，僅實施常規大修，按熱耗可降低約80 kJ/(kW·h)計，則通流供熱改造可使機組額定供熱工況(THA1)熱耗降低值超過350 kJ/(kW·h)，在250 MW供熱工況(THA2)下熱耗降低值可超過400 kJ/(kW·h)，機組全年綜合平均運行熱耗預計可降低約375 kJ/(kW·h)，對應發電煤耗降低約13.9 g/(kW·h)。

按年利用小時數5 500 h、平均電負荷率75%計算，在扣除機組常規揭缸檢修的節能效果條件下，改造后機組每年可節省標煤約1.9×104t。以標煤價格600元/t計算，改造后機組可節省燃料成本1 140萬元/年。因此，此改造項目經濟效益和社會效益都十分顯著。

蘇龍三期5號機改造后于2020年12月進行了性能試驗，試驗結果表明機組THA1和THA2兩個考核工況熱耗均優于性能保證值，加權綜合熱耗較改造前降低414.68 kJ/(kW·h)，試驗進一步驗證了改造的實際效果。

5 結 論

本文介紹了蘇龍三期亞臨界330 MW機組高中、低壓缸全新通流改造方案，采用的技術包括先進的整體通流葉片技術、熱力系統優化技術、級間抽汽間接調壓技術[3]和抽汽方式切換技術等。改造的實施可顯著降低機組長期運行在供熱工況區間時的熱耗，同時也消除了原機組能耗高、供熱工況可調性差等缺陷，有效提高了機組運行的可靠性和靈活性。

此外，該項目以長期運行的典型抽汽工況節能效果來評價改造效益，打破了目前國內燃煤電站機組普遍以純凝工況作為性能評價指標的模式。此評價方法最大限度地考慮了改造設計方案中抽汽工況性能最優的設計目標，使設計更貼合機組運行實際情況。此評價模式可以給同類長期供熱運行機組的指標分析提供示范指導。