火電廠300MW等級亞臨界機組通流改造方案研究

華北電力大學 李延峰 山東電力工程咨詢院有限公司 劉靜茹

關鍵字：亞臨界機組；汽輪機通流改造；節(jié)能

我國發(fā)電用煤量大，且火電企業(yè)整體發(fā)電效率不高；另一方面，近年來火電機組的增長還帶來了一系列的環(huán)境問題[1]。為了提高火電機組發(fā)電效率，解決環(huán)境問題，國家發(fā)改委、環(huán)保部、能源局等三部委聯(lián)合下發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》[2]，其中提出：要實施綜合節(jié)能改造，因廠制宜采用汽輪機通流部分改造、供熱改造等成熟適用的節(jié)能改造技術，重點對30萬kW 和60萬kW 等級亞臨界、超臨界機組實施綜合性、系統(tǒng)性節(jié)能改造，改造后供電煤耗力爭達到同類型機組先進水平。

本文以某電廠300MW 亞臨界機組為例，分析機組存在問題。通過對機組進行通流改造，以減少運行時的節(jié)流損失，提高機組運行效率，并提出了三種機組汽輪機通流改造方案，對改造前后各個方案的技術參數(shù)、節(jié)能效果以及經濟效益進行了對比分析，給出推薦方案。

1 機組運行概況

1.1 機組汽輪機規(guī)范

某電廠汽輪發(fā)電機組為亞臨界、一次再熱、直接空冷機組，帶基本負荷并具有調峰能力，目前機組大部分時間運行在50%～75%負荷之間。具體規(guī)范參數(shù)見表1。

表1 機組汽輪機具體規(guī)范參數(shù)

1.2 機組運行現(xiàn)狀

300MW 工況汽輪機修正后熱耗率遠高于設計值，較設計值（8126.50kJ/kWh）偏高367.61kJ/kWh。

對300MW 試驗工況機組缸效進行對比：高壓缸效率原設計值84.87%，試驗值79.42%，偏差-5.45%；中壓缸效率原設計值91.88%，試驗值89.03%，偏差-2.85%；低壓缸效率原設計值92.51%，試驗值85.80%，偏差-6.71%。

根據(jù)試驗結果，機組A 修后汽輪機熱耗率有所降低，但仍與原設計熱耗率差別較大，導致整機效率下降，經濟性降低。

根據(jù)多次的性能試驗和現(xiàn)場調研，發(fā)現(xiàn)影響機組經濟運行的相關因素。如汽輪機通流間隙超標嚴重，結構較為落后，內效率降低較大；降低背壓運行情況下，熱耗依然不能達到原設計值。通過分析，上述影響經濟運行的相關因素通過大修已不能解決，需更換相應的部件或改進設計，才能使整個機組達到最佳的運行狀態(tài)。

除了機組A 修后中壓缸效率稍好外，機組汽輪機其余各缸效率偏低，且低于平均水平，汽輪機各缸效率偏低是導致熱耗率偏高的主要原因。結合該電廠汽輪機運行存在的實際問題，對汽輪機進行三缸通流改造是必要的。

圖1 機組試驗熱耗率與發(fā)電負荷關系曲線

2 機組汽輪機通流改造方案

2.1 通流改造基本原則

對于該電廠機組通流部分整體改造項目是在原機組框架的基礎上采用先進的AIBT 通流技術進行汽輪機換心改造，增加通流級數(shù)，提高通流效率，同時對原機組的高溫高壓部件進行結構優(yōu)化，解決老機組中存在的安全隱患和對高效運行的不利因素，提高原機組的運行穩(wěn)定性和可靠性，增加機組出力，大幅降低機組的熱耗，提高經濟效益的同時盡最大可能達到節(jié)能減排的效果。該電廠通流改造基本原則如下：現(xiàn)有汽輪機相關主要輔機系統(tǒng)保持不變；保持各管道接口位置、汽輪機與發(fā)電機連接方式和位置、現(xiàn)有的汽輪機基礎等不變；保持汽輪機各軸承座不變、低壓外缸不變[3]。

2.2 高中壓缸通流改造方案

高中壓缸通流改造采用AIBT 通流技術進行設計，有效提高中壓缸效率。AIBT 通流技術已廣泛應用于大功率新機設計和老機組的改造項目以及最新的聯(lián)合循環(huán)汽輪機中，產品具有實測性能指標高效、穩(wěn)定的特點。高中壓通流改造后部分動、靜葉片均采用整體圍帶彎扭馬刀葉型，且均為單片銑制、全切削加工，具有強度好、動應力低、抗高溫蠕變性能好等優(yōu)點。

2.3 低壓缸通流改造方案

低壓缸通流改造也采用AIBT 技術進行通流設計，并綜合電廠的排汽、功率及背壓需求，優(yōu)選末級葉片。低壓內缸采用新型斜撐結構：特殊的抽汽腔室、漸縮的進汽流道、變截面的抽汽口優(yōu)化以降低無葉片區(qū)域的壓損，合理的搭子布置便于檢修運輸?shù)龋拐麄€內缸結構更加合理[4]。

2.4 機組汽輪機通流改造方案綜述

汽輪機通流改造和參數(shù)優(yōu)化可分為三個方案，分別為：

方案一：對汽輪機高中壓缸、低壓缸進行通流改造，維持主汽和再熱蒸汽參數(shù)不變。

方案二：對汽輪機高中壓缸、低壓缸進行通流改造，維持主汽參數(shù)不變，將再熱蒸汽溫度提升至566℃。

方案三：對汽輪機高中壓缸、低壓缸進行通流改造，維持主汽壓力不變，將主汽和再熱蒸汽溫度均提升至566℃。

對于升參數(shù)的方案二和方案三，改造范圍不僅包括汽輪機內部的零件，還包括汽輪機高中壓外缸及配汽機構的材料升級。

3 機組汽輪機通流改造方案對比分析

3.1 技術參數(shù)對比分析

根據(jù)該電廠負荷統(tǒng)計結果及發(fā)電量情況，機組50%、75%、100%負荷率時段比例為2:2:1，加權平均熱耗及供電煤耗按此比例計算。

3.1.1 改造前情況

機組A 修后的熱耗及供電煤耗如下：300MW汽輪發(fā)電機組熱耗率8494.11kJ/kWh，供電標準煤耗率352.87g/kWh；225MW 汽輪發(fā)電機組熱耗率8749.22kJ/kWh，供電標準煤耗率356.37g/kWh；150MW 汽輪發(fā)電機組熱耗率8937.84kJ/kWh，供電標準煤耗率364.82g/kWh。加權平均熱耗率8773.65kJ/kWh。

3.1.2 改造后情況

汽輪機三種改造方案的主要參數(shù)如下：

方案一：300MW 汽輪發(fā)電機組主蒸汽壓力/溫度16.67MPa（a）/538 ℃，主蒸汽流量932058kg/h，高溫再熱蒸汽壓力/溫度3.26MPa（a）/538℃，高溫再熱蒸汽流量780679kg/h，高壓缸效率85.7%，中壓缸效率92.8%，低壓缸效率90.2%，汽輪機熱耗8186.6kJ/kWh，機組的供電標準煤耗率340.09g/kWh；225MW 汽輪發(fā)電機組主蒸汽壓力/溫度16.35MPa（a）/538℃，主蒸汽流量679559kg/h，高溫再熱蒸汽壓力/溫度2.43MPa（a）/538℃，高溫再熱蒸汽流量578758kg/h，高壓缸效率80.9%，中壓缸效率92.8%，低壓缸效率90.9%，汽輪機熱耗8359.9kJ/kWh，機組的供電標準煤耗率340.51g/kWh；150MW 汽輪發(fā)電機組主蒸汽壓力/溫度11.14MPa（a）/538℃，主蒸汽流量453363kg/h，高溫再熱蒸汽壓力/溫度1.67MPa（a）/538℃，高溫再熱蒸汽流量394463kg/h，高壓缸效率80.7%，中壓缸效率92.4%，低壓缸效率89.6%，汽輪機熱耗8776kJ/kWh，機組的供電標準煤耗率358.22g/kWh。加權平均熱耗8491.68kJ/kWh，加權平均供電煤耗347.51g/kWh。

方案二：300MW 汽輪發(fā)電機組主蒸汽壓力/溫度16.67MPa（a）/541℃，主蒸汽流量910576kg/h，高溫再熱蒸汽壓力/溫度3.38MPa（a）/566℃，高溫再熱蒸汽流量762894kg/h，高壓缸效率85.6%，中壓缸效率92.8%，低壓缸效率90.4%，汽輪機熱耗8136.6kJ/kWh，機組的供電標準煤耗率338.01g/kWh；225MW 汽輪發(fā)電機組主蒸汽壓力/溫度16.67MPa（a）/541℃，主蒸汽流量668758kg/h，高溫再熱蒸汽壓力/溫度2.53MPa（a）/566℃，高溫再熱蒸汽流量569672kg/h，高壓缸效率80.8%，中壓缸效率92.8%，低壓缸效率91.0%，汽輪機熱耗8314.7kJ/kWh，機組的供電標準煤耗率338.67g/kWh；150MW 汽輪發(fā)電機組主蒸汽壓力/溫度11.40MPa（a）/541℃，主蒸汽流量445839kg/h，高溫再熱蒸汽壓力/溫度1.74MPa（a）/566℃，高溫再熱蒸汽流量388291kg/h，高壓缸效率80.6%，中壓缸效率92.4%，低壓缸效率89.7%，汽輪機熱耗8733.5kJ/kWh，機組的供電標準煤耗率356.48g/kWh。加權平均熱耗8446.6kJ/kWh，加權平均供電煤耗345.66g/kWh。

方案三：300MW 汽輪發(fā)電機組主蒸汽壓力/溫度16.67MPa（a）/566 ℃，主蒸汽流量893121kg/h，高溫再熱蒸汽壓力/溫度3.348MPa（a）/566℃，高溫再熱蒸汽流量752506kg/h，高壓缸效率85.6%，中壓缸效率92.8%，低壓缸效率90.5%，汽輪機熱耗8075.4kJ/kWh，機組的供電標準煤耗率335.47g/kWh；225MW 汽輪發(fā)電機組主蒸汽壓力/溫度16.67MPa（a）/566℃，主蒸汽流量652287kg/h，高溫再熱蒸汽壓力/溫度2.492MPa（a）/566℃，高溫再熱蒸汽流量558275kg/h，高壓缸效率80.7%，中壓缸效率92.8%，低壓缸效率91.0%，汽輪機熱耗8249.9kJ/kWh，機組的供電標準煤耗率336.03g/kWh；150MW 汽輪發(fā)電機組主蒸汽壓力/溫度11.81MPa（a）/566℃，主蒸汽流量436479kg/h，高溫再熱蒸汽壓力/溫度1.716MPa（a）/566℃，高溫再熱蒸汽流量381266kg/h，高壓缸效率80.6%，中壓缸效率92.3%，低壓缸效率89.7%，汽輪機熱耗8664.6kJ/kWh，機組的供電標準煤耗率353.67g/kWh。加權平均熱耗8380.88kJ/kWh，加權平均供電煤耗342.97g/kWh。

3.1.3 改造前后節(jié)能效果對比

三種方案改造后與改造前相比節(jié)能效果如下：

表2 三種方案節(jié)能效果對比表

在發(fā)電量相同時，該電廠現(xiàn)有發(fā)電利用小時數(shù)下汽輪機通流改造三個方案節(jié)約的供電標煤耗分別為11.55g/kWh，13.40g/kWh，16.09g/kWh。三個方案在機組高負荷率下的供電煤耗均達到現(xiàn)役機組的平均水平。

3.2 經濟效益對比分析

綜合考慮上述各項改造的經濟性后，機組通流改造三個方案的投資和收益對比如下表[5]：

表3 三種方案投資和收益對比表

4 結語

該電廠汽輪機通流改造三個方案較改造前節(jié)約的供電標煤耗分別為12.56g/kWh、14.41g/kWh、17.10g/kWh，方案一節(jié)能減排效果低于方案二和方案三，但方案一投資回收期較短且改造范圍小、工程量小、設計和施工簡單、改造周期短。由于該方案主蒸汽參數(shù)和再熱蒸汽參數(shù)不變，對鍋爐受熱面影響較小。

方案二和方案三雖然節(jié)煤減排效果好，但涉及再熱管道、旁路閥門和鍋爐改造，改造范圍較大，設計和施工復雜，改造周期較長，投資回收期過長。由于該方案主蒸汽參數(shù)和再熱蒸汽參數(shù)將變化，對鍋爐受熱面影響較大，鍋爐此類升參數(shù)改造方案尚未有實施業(yè)績。

綜合分析，推薦方案一為優(yōu)選方案，對汽輪機高中壓缸、低壓缸進行通流改造，維持主汽和再熱蒸汽參數(shù)不變。