發(fā)電企業(yè)以經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)整機(jī)優(yōu)化的研究與應(yīng)用

鄭勇斗

引言：本文結(jié)合牡丹江第二發(fā)電廠5號汽輪機(jī)組優(yōu)化改造工程，主要是在汽輪機(jī)本體以及熱力系統(tǒng)方面進(jìn)行技改和優(yōu)化，對機(jī)組整機(jī)優(yōu)化技術(shù)方案及優(yōu)化前后試驗(yàn)參數(shù)對比等技術(shù)關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析與探討，為提高機(jī)組節(jié)能技術(shù)水平提供借鑒。在機(jī)組煤耗率降低的的同時(shí)，也大幅度減少了鍋爐二氧化硫及氮氧化物的排放，具有良好的環(huán)保效益和社會效益，具有較好的投資和推廣價(jià)值。

一、背景

華電能源牡丹江第二發(fā)電廠5號汽輪機(jī)為上世紀(jì)80年代蘇聯(lián)列寧格勒金屬工廠生產(chǎn)的K—215—130—1型一次中間再熱單軸三缸兩排汽凝汽式汽輪機(jī)機(jī)組。1990年投產(chǎn)后已運(yùn)行20余年，受當(dāng)時(shí)蘇產(chǎn)機(jī)組設(shè)計(jì)理念和多年來運(yùn)行老化等方面的影響，機(jī)組經(jīng)濟(jì)與目前運(yùn)行的國產(chǎn)200MW機(jī)組相差較大，主要體現(xiàn)在汽輪機(jī)本體和熱力系統(tǒng)運(yùn)行方面。為進(jìn)一步推進(jìn)華電集團(tuán)公司發(fā)電機(jī)組200MW機(jī)組的節(jié)能減排降耗工作，根據(jù)“華電能源公司火電機(jī)組優(yōu)化工作實(shí)施規(guī)劃”要求，2011年末利用機(jī)組大修機(jī)會，對機(jī)組實(shí)施汽輪機(jī)節(jié)能優(yōu)化改造，全部改造與試驗(yàn)于2012年6月份全部完成。

汽輪機(jī)主要技術(shù)規(guī)范

制造廠：列寧格勒金屬工廠

型 號：K—215—130—1型

形 式：一次中間再熱單軸三缸兩排汽凝汽式汽輪機(jī)

額定功率：215MW

最大功率：220MW

新蒸汽壓力：12.75MPa

新蒸汽溫度：540℃

再熱蒸汽壓力：2.44MPa

再熱蒸汽溫度：540℃

額定功率汽耗量：646t/h

汽輪機(jī)最大通流量：670t/h

熱耗：8270kJ/（kW·h）

二、機(jī)組改造前狀況

華電能源牡丹江第二發(fā)電廠5號汽輪機(jī)計(jì)劃于2011年9月進(jìn)行大修，為查找機(jī)組及熱力系統(tǒng)存在問題，取得機(jī)組各項(xiàng)實(shí)際經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，為機(jī)組優(yōu)化改造提供技術(shù)參考，委托華電電力科學(xué)研究院進(jìn)行優(yōu)化改造修前熱力性能試驗(yàn)。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)機(jī)組熱耗率和缸效率明顯偏離設(shè)計(jì)值，表明機(jī)組通過大修進(jìn)行優(yōu)化改造是十分必要的。

（一）熱耗率及煤耗率試驗(yàn)結(jié)果

5號機(jī)組2次3VWO試驗(yàn)工況下，修正熱耗率平均值為8467.70kJ/（kW·h），比設(shè)計(jì)工況下熱耗率8270kJ/（kW·h）高出197.7kJ/（kW·h），即高出設(shè)計(jì)值2.39%。發(fā)電煤耗值為317.22g/（kW·h）比設(shè)計(jì)值309.8g/（kW·h）高出7.41g/（kW·h），供電煤耗為349.01g/（kW·h）（管道效率系數(shù)取99%，鍋爐效率取92%）。如下圖所示，可以看出5號機(jī)組優(yōu)化改造前3VWO工況同THA工況的對比，機(jī)組熱耗值偏離設(shè)計(jì)值較為明顯。

（二）缸效率試驗(yàn)結(jié)果

機(jī)組優(yōu)化改造前2次3VWO工況的高壓缸效率（表3）平均值為77.89%，比設(shè)計(jì)值80.81%低2.92%。中壓缸效率平均值為88.70%，比設(shè)計(jì)值91.5%低2.8%；如下圖所示，可以看出5號機(jī)組優(yōu)化改造前3VWO工況同THA工況的對比，機(jī)組高、中壓缸效率均偏離設(shè)計(jì)值。

三、大修中開展前汽輪機(jī)節(jié)能優(yōu)化改造工作

根據(jù)機(jī)組診斷試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合不同電廠同類型機(jī)組普遍存在的問題，按照機(jī)組實(shí)際設(shè)備、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、現(xiàn)場布置，吸收不同電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)特點(diǎn)，以及國外同類型機(jī)組的先進(jìn)技術(shù)和國內(nèi)同類型機(jī)組已使用過且經(jīng)運(yùn)行考驗(yàn)成功的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)解決機(jī)組運(yùn)行中所發(fā)現(xiàn)的或隱藏的問題，在機(jī)組安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，通過采取相應(yīng)技術(shù)措施來提高機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，對設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行完善改進(jìn)和優(yōu)化。

（一）汽輪機(jī)本體部分改造

1.機(jī)組原汽封采用傳統(tǒng)的梳齒式汽封，汽封型式比較落后，間隙比較大，為了減少汽封漏汽，提高缸效，特進(jìn)行汽封優(yōu)化改造。結(jié)合國內(nèi)幾十臺機(jī)組的汽封改造經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)各種新型汽封在汽輪機(jī)各部位的優(yōu)點(diǎn)和劣勢，本次汽封改造，采用布萊登汽封和側(cè)齒汽封組合使用的方式，在保證機(jī)組的安全性的同時(shí)提高高中低壓缸效率。

傳統(tǒng)的梳齒式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)又可細(xì)分為迷宮式（見圖1）、斜平齒式（見圖2）、葉頂鑲片式（見圖3）及轉(zhuǎn)子鑲片式（見圖4）等。

圖1 迷宮式汽封結(jié)構(gòu)圖 圖2 斜平齒式汽封結(jié)構(gòu)圖

圖3 葉頂鑲片式汽封結(jié)構(gòu) 圖4 轉(zhuǎn)子鑲片式汽封結(jié)構(gòu)

側(cè)齒汽封在傳統(tǒng)梳齒基礎(chǔ)上在長齒和長短齒之間的加工了比較小的側(cè)齒和低齒，從而增加了汽流的渦流，增加了阻尼效果，見圖5、圖6。

圖5 傳統(tǒng)汽封與側(cè)齒汽封工作原理圖 圖6 浮動(dòng)側(cè)齒汽封外形圖

2.高壓前汽封內(nèi)圈、高壓隔板更換22圈布萊登汽封，布萊登汽封的優(yōu)點(diǎn)是即隨著機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行工況的變化，汽封間隙是自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整的，始終保持在最佳間隙狀態(tài)，因此可以明顯提高汽輪機(jī)在啟動(dòng)使得安全可靠和經(jīng)濟(jì)性。萊登汽封如下圖：

圖7 布萊登汽封

3.高壓前汽封中圈、外圈以及中壓汽封、隔板更換75圈側(cè)齒汽封。側(cè)齒汽封的優(yōu)點(diǎn)一是可與原梳齒汽封同種材質(zhì)、相同外型尺寸、可以繼承原梳齒型汽封的安全性；二是不改變原汽封的基本結(jié)構(gòu)，獲得顯著的減少漏汽量的成效；三是避免環(huán)向振動(dòng)，減少汽流激振力，保護(hù)機(jī)組安全。

4.對部分阻汽片進(jìn)行更換并調(diào)整：一是準(zhǔn)確測量轉(zhuǎn)子各級動(dòng)葉葉圍帶外徑尺寸以及加工調(diào)整后的隔板阻汽片內(nèi)徑尺寸，計(jì)算并確認(rèn)各級葉頂阻汽片徑向間隙在規(guī)定范圍內(nèi)；二是更換調(diào)整后的新阻汽片頂端進(jìn)行修尖；三是調(diào)整洼窩中心調(diào)整正確保持與轉(zhuǎn)子同心，在全實(shí)缸緊固螺栓的情況下，進(jìn)行隔板阻汽片上、下、坐、右、45度等方位圓周徑向間隙測量，間隙均勻。

5.高、中壓缸噴嘴經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行，噴嘴損壞比較嚴(yán)重，為提高調(diào)節(jié)級效率，大修優(yōu)化中將高、中壓缸噴嘴拆除后返回哈汽廠進(jìn)行修復(fù)。

汽輪機(jī)由于受到長時(shí)間顆粒沖刷和結(jié)垢，通流部分葉柵的光潔和清潔程度對汽輪機(jī)的出力能力和缸效率有很大的影響，機(jī)組通流部分的隔板之間和葉輪之間的軸向距離小，無法采用人工方法對表面進(jìn)行處理，大修中對采用噴珠法工藝對汽輪機(jī)動(dòng)靜葉片進(jìn)行除垢。

（二）汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)優(yōu)化

1.進(jìn)行熱力系統(tǒng)疏水合并

機(jī)組熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)龐大，冗余系統(tǒng)多，疏放水系統(tǒng)復(fù)雜，汽輪機(jī)本體疏水、主再熱蒸汽疏水閥門內(nèi)漏頻繁發(fā)生，高、低壓加熱器部分放水門、危急疏水門泄漏，還存在汽泵最小流量閥內(nèi)漏、減溫水閥門內(nèi)漏等情況；部分閥門泄漏導(dǎo)致設(shè)備及系統(tǒng)無法隔離，影響機(jī)組安全性。疏水閥不嚴(yán)造成大量蒸汽短路進(jìn)入凝汽器，使凝汽器熱負(fù)荷增加，影響真空，又造成有效能的大量損失，系統(tǒng)缺陷嚴(yán)重影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性。因此在熱力系統(tǒng)優(yōu)化中對電動(dòng)主閘門前疏水及主汽聯(lián)通管疏水、高壓調(diào)速汽門座疏水、中壓自動(dòng)主汽門前疏水，中壓自動(dòng)主汽門前排大汽管路疏水及疏減器電動(dòng)門門前疏水、中壓導(dǎo)管疏水進(jìn)行合并，合并后設(shè)手動(dòng)球閥，取消的支管對應(yīng)的高壓擴(kuò)容器側(cè)接口。

2.四段抽汽至除氧器管路改造

四段抽汽至除氧器管路設(shè)有兩個(gè)逆止門，靠近除氧器的逆止門側(cè)容易積水，造成管道較大振動(dòng)，對機(jī)組安全運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，同時(shí)增加了檢修維護(hù)量?，F(xiàn)將該逆止門上移，并將四段抽汽至除氧器管路加高，更換相關(guān)三通，使得除氧器側(cè)水無法進(jìn)入抽汽管道，避免出現(xiàn)管道振動(dòng)現(xiàn)象。具體改造情況如下圖所示：

3.消除內(nèi)漏閥門，解決熱力系統(tǒng)漏泄量偏大問題

閥門的泄漏是影響機(jī)組熱耗的重要因素。目前高壓閥門存在內(nèi)漏現(xiàn)象較多，影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。部分疏放水直接進(jìn)入凝汽器，增加了凝汽器熱負(fù)荷，降低了循環(huán)熱效率。閥門的泄漏是影響機(jī)組熱耗的重要因素，應(yīng)引起高度重視，重點(diǎn)進(jìn)行處理。利用修前的熱力系統(tǒng)檢查，對汽水系統(tǒng)閥門進(jìn)行徹底的普查，掌握閥門的泄漏情況，為大修中閥門檢修和更換提供依據(jù)。重點(diǎn)對修前內(nèi)漏嚴(yán)重的閥門要重點(diǎn)安排給檢修技能較高的單位和個(gè)人進(jìn)行檢修，對密封面進(jìn)行研磨。主要內(nèi)漏閥門增設(shè)手動(dòng)門或改為進(jìn)口高壓球閥。

四、效益評價(jià)

（一）機(jī)組優(yōu)化改造后熱耗率、煤耗率情況對比

3VWO工況下經(jīng)修正后熱耗率為8380.90kJ/（kW·h），比THA 設(shè)計(jì)熱耗率8270.0kJ/（kW·h）高出110.90kJ/（kW·h），比優(yōu)化改造前試驗(yàn)熱耗率8467.71kJ/（kW·h）降低86.81kJ/（kW·h）。修正后發(fā)電煤耗313.99g/（kW·h）比THA工況設(shè)計(jì)值309.80g/（kW·h）高出4.19g/（kW·h），比大修改造前試驗(yàn)發(fā)電煤耗317.21g/（kW·h）低3.22g/（kW·h）。

“兩常工況”既80%工況170MW下修正后熱耗率為8483.16kJ/（kW·h），比改造前試驗(yàn)熱耗率8622.83kJ/（kW·h）低139.67kJ/（kW·h）；修正后發(fā)電煤耗率為317.82g/（kW·h）比該工況下改造前323.03g/（kW·h）低5.21g/（kW·h），修正后供電煤耗率為353.13g/（kW·h）比該工況下改造前359.25g/（kW·h）低6.12g/（kW·h）。

（二）高、中缸效率情況對比

3VWO工況下高壓缸效率為79.57%比THA 設(shè)計(jì)值80.81%低1.24%，比改造前試驗(yàn)高壓缸效率77.90%高出1.67%；中壓缸效率為89.81%，比設(shè)計(jì)值91.51%低1.70%，比改造前試驗(yàn)中壓缸效率88.70%高出1.11%。

“兩常工況”既80%工況170MW 下，高壓缸效率為76.32%比改造前75.63%高出0.69%；中壓缸效率為90.93%，比改造前86.51%高出4.42%。

五、結(jié)尾

本次210MW機(jī)組進(jìn)行的機(jī)側(cè)優(yōu)化工作，主要是在汽輪機(jī)本體以及熱力系統(tǒng)方面進(jìn)行技改和優(yōu)化，根據(jù)華電電科院對#5機(jī)組機(jī)側(cè)優(yōu)化改造后的鑒定試驗(yàn)報(bào)告，在機(jī)組“兩常工況”既80%工況170MW區(qū)間范圍內(nèi)，機(jī)組發(fā)電煤耗率比該工況下改造前低5.21g/（kW·h），按照機(jī)組年利用小時(shí)4000小時(shí)計(jì)算年節(jié)約標(biāo)煤約4400噸，節(jié)約燃煤成本約260萬元。在機(jī)組煤耗率降低的的同時(shí)，也大幅度減少了鍋爐二氧化硫及氮氧化物的排放，具有良好的環(huán)保效益和社會效益，具有較好的投資和推廣價(jià)值。

（作者單位：華電能源牡丹江第二發(fā)電廠）