亞臨界600 MW直接空冷機組通流改造方案分析

曹 照，于天群

（1.武鄉(xiāng)西山發(fā)電有限責任公司，山西 武鄉(xiāng) 046300；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001）

0 引言

目前，國內(nèi)亞臨界600 MW直接空冷機組普遍運行經(jīng)濟性較差，機組熱耗率較同級別濕冷機組普遍偏高約4%～5%，高、中、低壓缸效率一般為87%～88%、93%～94%、89%～92%。由于受設(shè)計加工制造水平、安裝技術(shù)水平和空冷系統(tǒng)性能影響，投產(chǎn)后多數(shù)機組達不到設(shè)計值，熱耗率偏高，機組的運行經(jīng)濟性達不到國家節(jié)能減排政策的要求。對于在役機組而言，汽輪機通流部分改造技術(shù)是提高機組運行經(jīng)濟性的一項重要措施[1-2]。

1 600 MW直接空冷機組運行現(xiàn)狀

某發(fā)電公司2臺600 MW汽輪機是利用西屋技術(shù)設(shè)計制造，型號為NZK600-16.5/538/538，高、中壓合缸布置，單軸四排汽。調(diào)節(jié)級采用沖動式，其他級采用反動式，通流級數(shù)39級，分別于2006年10月、2017年1月投入運行。其中2號機組于2013年首次大修后進行了熱力性能試驗。

3調(diào)節(jié)閥全開工況 VWO（valve wide open）下，參數(shù)修正后的熱耗率是8367.7 kJ/（kW·h），比設(shè)計值 8045.9 kJ/（kW·h） 高 321.8 kJ/（kW·h），相對高4%；高壓缸效率為84.7%，比汽輪機熱耗考核工況THA（turbine heat acceptance） 工況設(shè)計值87.3%低2.6%；中壓缸名義效率為91.78%，比THA工況設(shè)計值93.69%低1.91%；低壓缸效率約86%左右，比THA工況設(shè)計值低4%。

試驗結(jié)果說明2號機組各缸效率明顯偏低，經(jīng)濟性較差。從機組設(shè)計特點及國內(nèi)同類型機組運行的實際情況分析，影響該型機組經(jīng)濟性的主要因素有以下幾方面。

a）高、中壓通流各級焓降分配不合理，級內(nèi)損失大，通流效率偏低。

b）靜葉、動葉氣動特性不佳。

c）高壓噴嘴組通流面積偏大，調(diào)節(jié)級焓降偏大，效率低。

d）動靜間隙偏大，汽封、軸封泄漏量偏大，漏汽損失大。

e）高壓內(nèi)缸、隔板套等部件存在變形，泄漏量大。

2 汽輪機通流改造的必要性

a） 按照煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014年—2020年） 要求，到2020年，2臺發(fā)電機組平均供電煤耗要達到332 g/（kW·h）。

b） 火電市場競爭激烈，經(jīng)濟調(diào)度已是大勢所趨。

c） 機組發(fā)電小時數(shù)下降，企業(yè)經(jīng)營壓力巨大。公司2014年至2016年發(fā)電利用小時數(shù)分別是5004 h、3571 h、3760 h，發(fā)電設(shè)備利用小時數(shù)遠達不到設(shè)計的5500 h。

d）國家鼓勵進行汽輪機節(jié)能提效技術(shù)改造。

因此，2臺600 MW直接空冷機組非常有必要進行通流改造以降低能耗指標，適應市場需要。

3 600 MW直接空冷通流部分技術(shù)改造方案

3.1 改造原則

a）汽輪機通流部分采用目前先進的三元流設(shè)計技術(shù)，以提高設(shè)備長期安全運行的可靠性、經(jīng)濟性。

b） 不改變汽輪機機組的外形尺寸和旋轉(zhuǎn)方向，外缸支撐方式不變。

c）各軸承座安裝位置和安裝方式不變。

d）不改變汽輪機與發(fā)電機的接口，汽輪機各管道接口與位置不變。

e）不改變機組的熱力系統(tǒng)。

f）改造后汽輪機的軸向推力滿足各工況安全運行的要求。

g）機組的基礎(chǔ)不變，改造后基礎(chǔ)負載基本不變，設(shè)備滿足現(xiàn)場安裝要求。

h）盡可能利用原設(shè)備，減少改造量。

3.2 改造范圍

3.2.1 高、中壓部分

更換高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、高壓噴嘴室、噴嘴組、高中壓內(nèi)缸、靜葉內(nèi)環(huán)、高中壓各級動葉片、高中壓各級隔板（含靜葉）、高中壓隔板汽封、圍帶汽封、高中壓軸封、高中壓平衡活塞汽封以及其他零部件。3.2.2 低壓缸部分

更換低壓轉(zhuǎn)子、低壓內(nèi)缸、低壓各級動葉片、低壓各級隔板（包括靜葉）、低壓隔板汽封、圍帶汽封、低壓軸封、低壓進排汽導流環(huán)、中低壓連通管（含供熱抽汽蝶閥）及其他零部件。

3.3 先進技術(shù)和措施

a）高中壓采用新型高壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)，可減少汽缸水平中分面漏汽、軸向定位面的漏汽。

b）對高中壓內(nèi)缸進汽結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)級蒸汽室和排汽端進行優(yōu)化，減少流動損失。

c）對通流汽封間隙進行調(diào)整，采取小間隙汽封技術(shù)。

d）低壓內(nèi)缸采取整體鑄造結(jié)構(gòu)，優(yōu)化低壓排汽導流環(huán)，減少排汽損失。

e）采取熱壓整體彎頭形式的連通管結(jié)構(gòu)，降低管道損失。

f）采用安全高效的680 mm末級葉片。

3.4 改造方案

3.4.1 高中壓部分

a）更換高中壓動葉為反動式葉片，預扭裝配方式。采用多級汽輪機全三元流氣動熱力設(shè)計，葉片采用氣動性能更加先進的的型線技術(shù)，實現(xiàn)動靜葉之間的最佳氣動匹配，可有效降低葉片的葉型損失。該葉片適用于亞臨界600 MW直接空冷機組的改造，高壓通流級數(shù)由改造前的I+8級變?yōu)镮+12級；中壓通流級數(shù)由改造前的6級變?yōu)?級。通過對高中壓通流設(shè)計的優(yōu)化，高壓缸效率可達到87.4%。

b）為了減少高壓內(nèi)缸配合面的漏汽損失，增設(shè)了密封鍵結(jié)構(gòu)。

c）葉型功角適應范圍廣，提高了機組變負荷運行的經(jīng)濟性。

d）采用新型裝配式調(diào)節(jié)級噴嘴組。高壓調(diào)節(jié)級運行環(huán)境惡劣、設(shè)計難度大，調(diào)節(jié)級效率普遍偏低；改造時，要同時考慮增加100%容量汽動給水泵對改造的影響，除保證足夠的通流能力外，應避免發(fā)生改造后出現(xiàn)出力不足的問題。

3.4.2 低壓部分

a）原低壓外缸全部由鋼板焊接而成，設(shè)計是3層缸結(jié)構(gòu)，運行一段時間后發(fā)生內(nèi)缸變形，結(jié)合面漏汽大。本次改造保留外缸不變，采用新型設(shè)計的鑄造低壓內(nèi)缸和兩級隔板套結(jié)構(gòu)替換原來的兩層內(nèi)缸，同時采用自密封型缸體構(gòu)造技術(shù)，保證低壓內(nèi)缸良好的剛性和密封性。

b）低壓動葉片采用多級汽輪機全三元流氣動熱力設(shè)計，葉片采用氣動性能更加先進的的型線技術(shù)，優(yōu)化機組低壓氣動性能。通流級數(shù)與改造前一樣。

c）采用新型旋壓式一體成型排汽導流環(huán)，能夠避免原拼焊結(jié)構(gòu)排汽導流環(huán)變形問題，保證實際導流環(huán)與設(shè)計結(jié)構(gòu)基本保持一致。

3.4.3 采用預扭裝配式隔板（靜葉柵）技術(shù)

原高、中、低壓隔板采用焊接式，存在由于焊接和焊后熱處理帶來的葉片變形，有焊接缺陷，隔板靜葉內(nèi)環(huán)之間膨脹縫光潔度差，影響通流效率。先將隔板靜葉柵按照預留緊力要求進行裝配，組裝好后按要求加工，能夠保證流道光潔，提高機組效率，也便于靜葉片的拆裝更換。

3.4.4 采用小間隙汽封技術(shù)

為了降低葉頂漏汽損失，葉頂汽封采用新材料工藝，該材料既耐磨損又不損傷葉頂圍帶表面。該汽封在汽輪機啟動過程中允許同轉(zhuǎn)子摩擦，而不會造成汽輪機振動過大。改進后的葉頂汽封間隙較原設(shè)計值減少0.3～0.4 mm。

3.4.5 中壓和低壓連通管采用熱壓彎頭式

原中低壓連通管彎頭、導流葉柵均是焊接結(jié)構(gòu)，存在氣流流動阻力大、壓損大、焊接后殘存應力大導致導流葉柵斷裂，斷裂的導流葉柵會進入低壓缸，進而損傷動靜部件的問題。本次改造考慮供熱抽汽需要的抽汽接口采用熱壓彎頭式連通管，轉(zhuǎn)角處采用圓弧彎管形式，與傳統(tǒng)直角過渡形式比較，可以有效降低蒸汽流動損失，提高效率，也可以解決由于抽汽引起的振動問題。

3.4.6 采用680 mm末級葉片

原低壓末級葉片為620 mm，現(xiàn)改造為680 mm末級葉片，可降低葉型損失，保證動靜葉片合理匹配，末級變工況氣動性能良好；靜葉為彎扭后加載葉型，動葉為自帶冠凸臺拉筋結(jié)構(gòu)；拉筋、圍帶采用間隙裝配，使葉片在工作中受到葉冠和拉筋間的摩檫力作用，該摩擦力具有阻尼減震作用；動葉材質(zhì)選用抗衰減特性優(yōu)良的0Cr17Ni4Cu4Nb材料，主要的防水蝕措施是激光固溶強化。

3.4.7 中壓末級及次末級葉片設(shè)計

本次改造考慮供熱抽汽的需要，需對中壓缸排汽口前面的葉片強度進行設(shè)計校核。中壓末級及次末級葉片，由于增加了抽汽，級后壓力降低，焓降增加，增大了中壓末級及次末級葉片承受的動應力，必須增加葉片的自身強度以保證葉片的安全運行。在保證一定的通流面積的基礎(chǔ)上，合理選擇葉片只數(shù)和葉根型線，滿足葉片工作部分、葉根、輪緣的強度要求，在增加級數(shù)后，為保證輪緣強度，增加了末三級葉輪的軸向?qū)挾取?/p>

3.4.8 其他相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)改造

a）給水系統(tǒng)。每臺機組原配置3臺50%容量電動調(diào)速給水泵，計劃實施100%汽動給水泵改造，給水泵小汽輪機排汽排入主機空冷系統(tǒng)。

b）空冷系統(tǒng)。汽輪機通流改造設(shè)計時，在考慮空冷系統(tǒng)現(xiàn)狀和已建設(shè)尖峰冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合汽動給水泵改造，綜合考慮設(shè)計通流改造方案，以獲得最優(yōu)的汽缸效率。

c）熱工控制系統(tǒng)。按照設(shè)計要求對調(diào)整后的溫度、壓力測點進行改造。

4 600 MW直接空冷機組改造預期效果

600 MW直接空冷機組改造完成后，機組在額定負荷工況下熱耗率可降低約240 kJ/（kW·h），可降低機組煤耗約10 g/（kW·h），經(jīng)濟性達到國內(nèi)先進水平，節(jié)能效果顯著。

5 結(jié)論

對于早期投運的亞臨界600 MW直接空冷機組，受當時設(shè)計水平、加工制造工藝、安裝技術(shù)水平的影響，機組效率普遍達不到設(shè)計值，能耗較大。為此，應用先進的三元流氣動設(shè)計技術(shù)進行汽輪機通流改造，可以達到節(jié)煤、減排，提高可靠性和降低維修成本等多重效果，對保障機組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行具有深遠意義，經(jīng)濟收益和社會效益顯著。