800 MW汽輪機(jī)通流改造的熱力設(shè)計(jì)

包偉偉，張啟林，任偉，張金春，秦利峰

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

800 MW汽輪機(jī)通流改造的熱力設(shè)計(jì)

包偉偉，張啟林，任偉，張金春，秦利峰

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

通過對汽輪機(jī)進(jìn)行通流改造，可大幅提高機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。針對某800 MW機(jī)組汽輪機(jī)通流改造的熱力設(shè)計(jì)問題，從熱力系統(tǒng)、通流設(shè)計(jì)、配汽設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行詳細(xì)分析，并提出了優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。運(yùn)行后性能試驗(yàn)表明，改造后機(jī)組熱耗降低明顯，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

汽輪機(jī)；800 MW機(jī)組；通流改造；熱力設(shè)計(jì)；熱經(jīng)濟(jì)性

0 引言

隨著國家電力工業(yè)節(jié)能減排政策的加緊落實(shí)，提高大型火電機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性越來越受到重視。國家三部委聯(lián)合發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計(jì)劃（2014—2020年）》明確提出：到2020年，現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組改造后的平均供電煤耗要低于310 g/kWh，其中600 MW及以上機(jī)組（空冷機(jī)組除外）要低于300 g/kWh。

對于在役機(jī)組而言，汽輪機(jī)的通流改造技術(shù)是提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的一項(xiàng)重要措施[1-4]。通過應(yīng)用新的設(shè)計(jì)及制造技術(shù)，對已投產(chǎn)汽輪機(jī)的通流部分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，可使效率提高2%～3%，機(jī)組熱耗降低150～250 kJ/kWh，銘牌功率增大2%～10%。目前，國內(nèi)大型火電機(jī)組的主要改造對象為2000年前后投產(chǎn)的亞臨界機(jī)組，各主機(jī)廠家的改造方案雖有不同，但是改造后都會達(dá)到一定的經(jīng)濟(jì)性效果。

俄制800 MW火電機(jī)組在20世紀(jì)90年代引入我國，當(dāng)時是亞洲單機(jī)容量最大的機(jī)組。該機(jī)組是前蘇聯(lián)20世紀(jì)80年代的產(chǎn)品，限于當(dāng)時的設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平，其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性現(xiàn)在已經(jīng)顯得非常落后，因此，應(yīng)用最新技術(shù)對該類型汽輪機(jī)進(jìn)行全面的通流改造，提升主機(jī)性能，已是刻不容緩。

1 800MW汽輪機(jī)簡況

800 MW汽輪機(jī)為前蘇聯(lián)K-800-240-5型產(chǎn)品，該汽輪機(jī)為超臨界、單軸、五缸六排汽、沖動、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)。機(jī)組設(shè)置一次中間再熱、8級非調(diào)整回?zé)?；凝汽器為雙背壓，縱向布置；汽輪機(jī)采用噴嘴調(diào)節(jié)、定壓運(yùn)行方式。其對應(yīng)的國內(nèi)型號為N800-23.54/540/540。

汽輪機(jī)通流共有60級，其中：高壓缸為1個調(diào)節(jié)級，11個壓力級（雙層對稱繞流式結(jié)構(gòu)）；中壓缸為2×9個壓力級（雙層對稱雙分流式結(jié)構(gòu)）；低壓缸為3×2×5個壓力級（雙層對稱雙分流式結(jié)構(gòu)），末葉高度為960 mm。其主要技術(shù)規(guī)范如表1所示。

經(jīng)濟(jì)性方面，該機(jī)組的設(shè)計(jì)熱耗率為8 038 kJ/kWh，與國產(chǎn)600 MW亞臨界機(jī)組的設(shè)計(jì)水平相比，在主汽壓力高6.87 MPa條件下，熱耗仍然高出200 kJ/kWh以上。同時，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求：其中1號機(jī)組的試驗(yàn)熱耗率為8 244 kJ/kWh，2號機(jī)組為8 296 kJ/kWh，分別高出設(shè)計(jì)值206 kJ/kWh和258 kJ/kWh。

表1 800MW汽輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

安全性方面，1號、2號汽輪機(jī)自投產(chǎn)以來，存在嚴(yán)重影響機(jī)組安全可靠性的問題。如：高、中、低壓內(nèi)缸變形；隔板及隔板套不同程度變形；高壓第2級動葉、中壓第1級動葉鉚接圍帶脫落；中壓葉片鉚釘頭磨損及積聚金屬粉末；高、中壓缸汽封阻汽片脫落；高壓調(diào)節(jié)級噴嘴、中壓第一級靜葉沖蝕嚴(yán)重；中壓缸膨脹不暢；中壓轉(zhuǎn)子彎曲；機(jī)組軸系振動大；末級葉片水蝕及部分司太立合金脫落等。

針對上述問題，在保留機(jī)組基礎(chǔ)及支承部分、外缸等的條件下，對汽輪機(jī)所有內(nèi)部套進(jìn)行設(shè)計(jì)及更換，即進(jìn)行汽輪機(jī)全面通流改造，以徹底解決機(jī)組的安全性及經(jīng)濟(jì)性問題。

2 汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)

該機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)原設(shè)計(jì)共設(shè)置8級非調(diào)整抽汽，具體為3個高壓加熱器，1個除氧器以及4個低壓加熱器。其中：3號高壓加熱器設(shè)置單級串聯(lián)外置式蒸汽冷卻器；7號、8號低壓加熱器為混合式加熱器。除氧器為定壓運(yùn)行設(shè)計(jì)，額定工作壓力為0.68 MPa。鍋爐給水泵采用小汽機(jī)驅(qū)動，最大蒸發(fā)量為2 650 t/h。

此次通流改造在保證機(jī)組熱力系統(tǒng)各級回?zé)岢槠麎毫静蛔兊那疤嵯?，適當(dāng)提高了第4級以及第1級的回?zé)岢槠麎毫Γ员ＷC小汽機(jī)的作功能力并改善經(jīng)濟(jì)性。機(jī)組的各段抽汽壓損、加熱器端差、給水泵驅(qū)動效率、電機(jī)效率等系統(tǒng)條件保持不變。

為了提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，改造后汽輪機(jī)采用小四大工況定義設(shè)計(jì)：THA（熱耗率驗(yàn)收）工況設(shè)計(jì)背壓為4 kPa，TRL（額定功率）工況設(shè)計(jì)背壓為9 kPa。改造后新設(shè)計(jì)的高、中壓通流應(yīng)用新型高效葉型，采用小焓降、反動式、多級數(shù)的通流設(shè)計(jì)理念。在THA工況時，設(shè)計(jì)高壓缸效率可達(dá)到87.5%，中壓缸效率可達(dá)到92.5%，低壓缸效率可達(dá)到88.5%。機(jī)組主要工況下的熱力參數(shù)如表2所示。

表2 改造后主要工況熱力參數(shù)

由表2可知，改造后機(jī)組在TRL工況的銘牌功率可達(dá)850 MW，比原設(shè)計(jì)提高6%以上。這主要得益于改造后汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率提高以及工況定義的背壓降低、進(jìn)汽量增加。在TMCR（最大連續(xù)功率）工況的最大連續(xù)功率達(dá)到890 MW，比原設(shè)計(jì)提高50 MW；在VWO（閥門全開功率）工況的最大功率達(dá)到900 MW。在THA工況的熱耗降低到7 730 kJ/kWh，比原設(shè)計(jì)降低308 kJ/kWh。

可見，通過對汽輪機(jī)本體的通流改造，在主機(jī)效率明顯提高后，機(jī)組的出力以及經(jīng)濟(jì)性均有了顯著的改善。其中：出力提高可使機(jī)組增容到850 MW，接近百萬千瓦等級機(jī)組；經(jīng)濟(jì)性在主蒸汽溫度及再熱蒸汽溫度低于600 MW超臨界機(jī)組26K的條件下超過了國產(chǎn)早期該型機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性水平（600 MW超臨界在役機(jī)組的統(tǒng)計(jì)平均試驗(yàn)熱耗為7 750 kJ/kWh）。

3 通流部份的設(shè)計(jì)

3.1 調(diào)節(jié)級

調(diào)節(jié)級焓降大、蒸汽容積流量小，葉片短寬，工況變化頻繁，同時又存在著部分進(jìn)汽及節(jié)流損失，與壓力級相比，效率要低很多。當(dāng)前設(shè)計(jì)的壓力級效率一般可達(dá)92%以上，而調(diào)節(jié)級即便在調(diào)節(jié)閥全開、不存在節(jié)流損失以及部分進(jìn)汽損失最小時，其效率也低于85%。由于調(diào)節(jié)級效率低，若其具有較高的作功比例，則勢必會對高壓缸效率甚至機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性造成一定影響。

該汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級原設(shè)計(jì)為沖動式，反動度約10%，100%負(fù)荷工況時調(diào)節(jié)后壓力為15.5 MPa，相應(yīng)的調(diào)節(jié)級等熵焓降為113 kJ/kg，調(diào)節(jié)級占整個高壓缸等熵焓降的比例達(dá)到23%以上。顯然，調(diào)節(jié)級作功比例較高。為了提高機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，減小調(diào)節(jié)級的作功比例已經(jīng)成為汽輪機(jī)設(shè)計(jì)的趨勢。目前國內(nèi)新設(shè)計(jì)的300 MW等級以上的噴嘴調(diào)節(jié)機(jī)組的調(diào)節(jié)級有效焓降已經(jīng)達(dá)到50 kJ/kg的水平。

改造后，機(jī)組100%負(fù)荷時的調(diào)節(jié)級后壓力大幅提高到17 MPa以上，提高約10%；同時，優(yōu)化了調(diào)節(jié)級的速比、反動度等氣動參數(shù)；改進(jìn)了調(diào)節(jié)級動葉頂部汽封的結(jié)構(gòu)，增加了汽封齒數(shù)，減少了漏汽損失。經(jīng)過這些改進(jìn)，調(diào)節(jié)級的效率可提高約5%。從表3可見100%負(fù)荷工況時調(diào)節(jié)級優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果。

表3 調(diào)節(jié)級優(yōu)化設(shè)計(jì)前后參數(shù)對比

由表3可見，改造后調(diào)節(jié)級等熵焓降大幅減少到87 kJ/kg，減少26 kJ/kg；作功占比降低到18%以下，減少5.5%。通過這一調(diào)整，在不考慮調(diào)節(jié)級效率及壓力級效率提升的情況下，即可使高壓缸效率增加約1%。如果考慮改造后調(diào)節(jié)級效率以及壓力級效率的提高，則高壓缸效率可增加約3.1%?？梢?，采用這種設(shè)計(jì)理念，對于改善機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性有一定效果。

3.2 末級葉片

該機(jī)組低壓部分為三缸六排汽結(jié)構(gòu)，原設(shè)計(jì)末級葉片長度為960 mm，排汽面積為7.48 m2。機(jī)組常年運(yùn)行背壓較低，設(shè)計(jì)排汽壓力僅為4 kPa，夏季工況也不到9 kPa，機(jī)組在100%負(fù)荷工況時的排汽余速損失達(dá)到36 kJ/kg?？梢姡O(shè)計(jì)的余速損失較大，這主要是受制于當(dāng)時的長葉片設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平。

汽輪機(jī)的末級葉片設(shè)計(jì)制造技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，1 000 MW等級機(jī)組的末葉長度已經(jīng)達(dá)到了1 200 mm左右。因此，采用技術(shù)成熟可靠的更長的末級葉片，將該機(jī)組的排汽余速損失控制在30 kJ/kg以內(nèi)的合理水平，已經(jīng)沒有任何技術(shù)難題。通過熱力計(jì)算可知，機(jī)組改造后100%負(fù)荷工況的排汽量為1 463.30 t/h，排汽比體積為31.4 m3/kg，排汽容積流量為12 751 m3/s，單口排汽容積流量達(dá)到2 125 m3/s。在此范圍內(nèi)，有900 mm以及1 029 mm 2檔末葉可供選擇，表4給出了這2種末葉的主要幾何數(shù)據(jù)。

表4 末葉幾何參數(shù)比較

由表4可知，1029末葉的排汽面積最大，比原設(shè)計(jì)增大約9%，900末葉的排汽面積與原設(shè)計(jì)相當(dāng)。900末葉及1029末葉已經(jīng)有多年的運(yùn)行業(yè)績，具有良好的安全性和可靠性。圖1給出了這2種末葉的余速損失曲線。

圖1 末葉余速損失曲線

由圖1可見，在100%負(fù)荷工況下，1029末葉的余速損失為29 kJ/kg，900末葉達(dá)到38 kJ/kg，高出約9 kJ/kg；在60%負(fù)荷，900末葉和1029末葉的余速損失基本持平，約為15 kJ/kg；在50%負(fù)荷，900末葉余速損失低約5 kJ/kg。雖然900末葉在60%以下負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性較好，但是考慮到改造后該機(jī)組的年平均負(fù)荷率高于60%以及盡可能地減少余速損失，顯然，選擇1029末葉是最合理的。

與原設(shè)計(jì)相比，采用1029末葉在100%負(fù)荷工況時余速損失減少7 kJ/kg，保守估計(jì)，可實(shí)現(xiàn)增發(fā)電功率約2.8 MW，降低機(jī)組熱耗約25 kJ/kWh。

3.3 壓力級

機(jī)組高、中、低壓缸原設(shè)計(jì)均為沖動式通流，級數(shù)少，效率低。性能試驗(yàn)實(shí)測高壓缸效率為82.5%，中壓缸效率為88%，嚴(yán)重制約了機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。此次改造設(shè)計(jì)采用小焓降、多級數(shù)的反動式通流設(shè)計(jì)理念，應(yīng)用新型高效葉型，大幅增加通流級數(shù)，以提高機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

高壓通流為繞流式結(jié)構(gòu)，原設(shè)計(jì)為1個調(diào)節(jié)級以及11個壓力級。高壓通流蒸汽的容積流量變化緩慢，改造后設(shè)計(jì)采用等根徑方案；同時，高壓通流蒸汽流量大，葉片的強(qiáng)度水平高，葉片的平均寬度達(dá)到約50 mm。綜合比較后確定設(shè)置17個壓力級，比原設(shè)計(jì)增加6級。中壓通流為對稱雙分流結(jié)構(gòu)，原設(shè)計(jì)有9級。中壓通流蒸汽容積流量變化較大，采用斜根徑方案。中壓通流單級焓降相對較大，葉片的平均寬度為60 mm。綜合比較后確定設(shè)置12級，比原設(shè)計(jì)增加3級。

低壓通流為三缸六流結(jié)構(gòu)，其中每個低壓缸可直接采用技術(shù)成熟的300 MW等級汽輪機(jī)的低壓模塊。由于該機(jī)組的中低壓分缸壓力為0.23 MPa，低于國產(chǎn)大機(jī)組的分缸壓力0.5～1.0 MPa，低壓缸焓降相對較小，因此設(shè)置5個壓力級。雖然低壓缸的通流級數(shù)沒有增加，但是改進(jìn)了低壓內(nèi)缸的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用了新的葉型以及更長的末葉，優(yōu)化了排汽導(dǎo)流裝置，設(shè)計(jì)缸效率達(dá)到88.5%，比原設(shè)計(jì)提高近4%。表5給出了各缸的主要技術(shù)數(shù)據(jù)。

由表5可見，改造后中壓缸的作功比例最高，達(dá)到38.4%，比高壓缸高6%，比低壓缸高約9%，這得益于機(jī)組較低的分缸壓力。較低的分缸壓力可以降低連通管以及低壓缸進(jìn)汽結(jié)構(gòu)等壓力損失部分的蒸汽品質(zhì)，減少這一部分的作功損失；同時還能有效改善低壓缸的工作條件，減少低壓缸的內(nèi)漏；最后，將這一部分作功設(shè)置在中壓缸，相應(yīng)的葉片要高于低壓缸，流場均勻穩(wěn)定，二次流損失以及沖擊損失小，壓力級的效率相對也較高。

表5 各缸主要技術(shù)數(shù)據(jù)匯總

4 配汽設(shè)計(jì)

為了提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，大幅調(diào)整調(diào)節(jié)級焓降，提高調(diào)節(jié)后壓力，這雖然對改善機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性有利，但卻嚴(yán)重影響了汽輪機(jī)的進(jìn)汽能力。由配汽計(jì)算可知，汽輪機(jī)在調(diào)節(jié)閥全開時，調(diào)節(jié)級后壓力每提高1%，最大進(jìn)汽量將減少20 t/h。因此，上述調(diào)整對汽輪機(jī)進(jìn)汽能力的影響非常明顯。

為了滿足工況定義對汽輪機(jī)最大進(jìn)汽量的要求，必須對調(diào)節(jié)級的通流面積重新設(shè)計(jì)，這主要通過加大噴嘴面積來實(shí)現(xiàn)。新設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)級噴嘴喉部平均直徑為1 100 mm，葉高為37 mm，部分進(jìn)汽度為94%，出汽面積達(dá)到1 202 cm2，比原設(shè)計(jì)提高8%以上。

調(diào)節(jié)級噴嘴汽道總數(shù)為60個，分為4組，每組均設(shè)置15個有效汽道。這樣設(shè)計(jì)，可使調(diào)節(jié)閥在兩閥點(diǎn)流量達(dá)到1 888 t/h，大于機(jī)組75%負(fù)荷工況時1 800 t/h的主汽量；三閥點(diǎn)流量能到2 462 t/h，與機(jī)組100%負(fù)荷工況時2 469 t/h的主汽量相當(dāng)。這就說明：汽輪機(jī)采用順序閥在75%負(fù)荷以下的年平均負(fù)荷率運(yùn)行時，第3，4閥無需開啟，可減少節(jié)流損失。圖2是改造后調(diào)節(jié)閥（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ）在順序閥狀態(tài)時的流量曲線。

由圖2可見，新設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)級在閥門全開時進(jìn)汽量達(dá)到2 713 t/h，尚留有約2%的裕度，完全滿足汽輪機(jī)最大進(jìn)汽量的要求。同時，選取的重疊度合理，調(diào)節(jié)閥流量曲線的線性度良好，非線性區(qū)間過渡平緩，滿足調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求。

圖2 調(diào)節(jié)閥流量曲線

5 經(jīng)濟(jì)性分析

機(jī)組改造后汽輪機(jī)各缸通流效率大幅提高，經(jīng)濟(jì)性水平顯著改善。在100%負(fù)荷工況時，汽輪機(jī)整機(jī)內(nèi)效率達(dá)到89.5%，比原設(shè)計(jì)提高4.0%以上；機(jī)組熱耗降低到7 730 kJ/kWh，比原設(shè)計(jì)降低308 kJ/kWh，比改造前2臺機(jī)組性能試驗(yàn)的平均值降低540 kJ/kWh。圖3給出了改造前后機(jī)組的熱耗與功率關(guān)系曲線。

圖3 機(jī)組熱耗與功率關(guān)系

由圖3可知，與100%負(fù)荷相比，改造后在75%負(fù)荷工況時，熱耗升高不超過120 kJ/kWh；在50%負(fù)荷工況時，熱耗升高不超過420 kJ/kWh。與改造前相比，機(jī)組在部分負(fù)荷時的經(jīng)濟(jì)性降低相對緩慢，這主要得益于低壓缸效率提升的增益，因?yàn)樵摍C(jī)組低壓缸效率的設(shè)計(jì)最高點(diǎn)在75%負(fù)荷附近。

根據(jù)改造后的性能試驗(yàn)報告，機(jī)組在880 MW負(fù)荷、5.9 kPa背壓工況下單閥運(yùn)行時，實(shí)測高壓缸效率達(dá)到87.2%，中壓缸效率達(dá)到92.8%，試驗(yàn)熱耗達(dá)到7 837 kJ/kWh。在進(jìn)行參數(shù)修正之后，機(jī)組熱耗即達(dá)到性能保證值7 730 kJ/kWh[5]?？梢姡敬胃脑焱耆_(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

如上所述，與改造前相比，改造后機(jī)組熱耗降低約540 kJ/kWh。按鍋爐效率93%、管道效率99%計(jì)算，發(fā)電標(biāo)煤耗降低約20.0 g/kWh。按年利用小時數(shù)5 500 h、標(biāo)煤800元/t計(jì)算，每年可節(jié)約標(biāo)煤88 054 t，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益7 044萬元。

6 結(jié)論

針對800 MW汽輪機(jī)的通流改造，對改造熱力設(shè)計(jì)涉及到的熱力計(jì)算、焓降分配、末葉選擇、通流設(shè)計(jì)以及經(jīng)濟(jì)性分析等問題進(jìn)行了詳細(xì)論述及分析，并提出了優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。由性能試驗(yàn)結(jié)果可知，改造后機(jī)組熱耗在僅進(jìn)行參數(shù)修正的情況下，即達(dá)到了設(shè)計(jì)值，改造的經(jīng)濟(jì)效益顯著。

[1]孔凡平，張文遜.國產(chǎn)300 MW汽輪機(jī)通流改造及經(jīng)濟(jì)性分析[J].發(fā)電設(shè)備，2003，17（4）∶15－17.

[2]張東梅，張嵐.300 MW汽輪機(jī)的通流部分改造[J].熱力透平，2010，39（4）∶255－257.

[3]洪昌少，段小云.國產(chǎn)引進(jìn)型300 MW汽輪機(jī)的通流改造[J].華電技術(shù)，2011，33（5）∶47－50.

[4]魏松濤.國產(chǎn)200 MW汽輪機(jī)通流改造后出現(xiàn)的配汽問題及對策[J].熱力透平，2001，（1）∶43－47.

[5]綏中發(fā)電有限責(zé)任公司綜合升級改造實(shí)施后2號機(jī)組性能測試暨實(shí)施效果報告[R].長春：吉林省電力科學(xué)研究院，2014.

（本文編輯：徐晗）

Thermal Design of Flow Path Retrofit for a 800 MW Steam Turbine

BAO Weiwei，ZHANG Qilin，REN Wei，ZHANG Jinchun，QIN Lifeng
（Harbin Turbine Company Limited，Harbin 150046，China）

Flow path retrofit of steam turbine can greatly improve operating economy of 800 MW power generating units.In accordance with thermal design of flow path retrofit for a steam turbine，the paper analyzes thermodynamic system，flow path design，steam distribution design and so forth；moreover，it presents a optimized design scheme.The performance test after units operation shows that the heat consumption of generating units after retrofit is significantly reduced and the economic benefit is obvious.

steam turbine；800 MW units；flow path retrofit；thermal design；thermal economy

TK262

：B

：1007-1881（2016）04-0041-05

2015-11-12

包偉偉（1986），男，工程師，主要從事汽輪機(jī)熱力、氣動以及強(qiáng)度的設(shè)計(jì)計(jì)算工作。