基于全四維設計的330 MW機組通流優(yōu)化改造及經(jīng)濟性分析

(北方聯(lián)合電力有限責任公司包頭第三熱電廠，內蒙古 包頭 014040)

0 引言

目前我國經(jīng)濟發(fā)展由追求規(guī)模高速增長轉向追求質量效益提升，大力開展節(jié)能減排已成為國家可持續(xù)發(fā)展的核心戰(zhàn)略。發(fā)電企業(yè)面臨經(jīng)濟發(fā)展轉型、競價上網(wǎng)、環(huán)保等多重壓力[1]，提高機組運行效率，降低煤耗已成為各大發(fā)電企業(yè)的首要任務[2]。

由于早期汽輪機設計水平和制造工藝限制，以及按照主要帶基本負荷設計，早年設計的汽輪機通流效率偏低，且變工況經(jīng)濟性較差[3-4]。采取先進成熟的氣動設計，實施汽輪機同流改造是提升機組效率、降低煤耗的重要途徑[5-7]。隨著葉輪機械設計技術和計算流體力學技術(CFD)的發(fā)展，全四維設計通過考慮第四維——時間維，即與時間相關的蒸汽非定常流動以及汽輪機各部件之間的精確匹配，從而能夠獲得更高的通流效率[8-11]。西方發(fā)達國家采用先進的技術優(yōu)化老機組，維修更換相關構件；我國通過引進國外相關技術取得了重大進展，使優(yōu)化后的汽輪機具有較好的安全性和經(jīng)濟性。

本文將結合某電廠2臺330 MW機組通流改造實踐，詳細分析全四維通流優(yōu)化改造方案，并對機組相關系統(tǒng)和設備進行分析，試驗比較改造效果，為同類機組的同流改造提供借鑒和指導。

1 機組現(xiàn)狀

1.1 機組概況及設計參數(shù)

某電廠#1和#2汽輪機組為上海汽輪機廠330 MW反動式、亞臨界、一次再熱、雙缸雙排汽、直接空冷抽凝機組，高壓缸原設計效率84.39%，中壓缸原設計效率92.49%，低壓缸原設計效率90.74%，原設計熱耗8 185.3 kJ/kWh，主要參數(shù)如表1所示。

表1汽輪機主要參數(shù)

參數(shù)數(shù)值額定功率/MW330最大連續(xù)出力/MW352額定主蒸汽壓力/MPa16.7額定主蒸汽溫度/℃538額定再熱蒸汽溫度/℃538額定主蒸汽流量/t·h-11 031 最終給水溫度/℃272

機組通流部分36級，其中高壓缸為1個調節(jié)級和11個壓力級；中壓缸為12個壓力級；低壓缸2個，每個低壓缸為6個壓力級。機組高中壓合缸，采用雙層缸結構；低壓缸分流對稱布置，為雙層缸結構；采用7級回熱器，其中高壓加熱器3臺，除氧器1臺，低壓加熱器3臺。

1.2 機組改造潛力分析

(1)機組THA工況性能

在2012年、2013年和2014年，1號和2號機組進行大修前、大修后以及專門的熱力性能試驗，主要試驗結果如下表2所示。從表中試驗結果，可看出機組熱耗值基本在8 450～8 600 kJ/kWh之間，綜合國內同類型機組熱耗水平情況，初步估計機組當前水平熱耗值約為8 550 kJ/kWh。

表2主要試驗結果

項目#1機組A修后#1機組#2機組大修前#2機組A修前#2機組試驗時間2014.042014.122012.022012.022013.012014.12試驗工況330 MW330 MW5VWO15VWO2330 MW330 MW高壓缸效率/[%]80.7480.1582.0681.7879.5779.27中壓缸效率/[%]93.8392.3592.0691.9596.0293.31熱耗率/kJ·(kWh)-18 424.78 448.48 541.38 515.88 666.78 498.8

注：以上為電廠多次試驗結果。試驗中大量采用了DCS數(shù)據(jù)，且沒有進行一類修正；故試驗結果的準確性有待確認。建議按照ASME PTC6的相關規(guī)定進行嚴格的性能試驗，對機組的性能做出準確判斷。

(2)機組變工況性能

根據(jù)熱力性能試驗結果，分析1號和2號機組的變工況性能結果如下表3所示。從表中可以看出1號、2號機組THA工況對應的實測熱耗值(修后)與240 MW負荷(約75%THA)對應的實測熱耗值差值為220～300 kJ/kWh，而比較機組THA工況與75%THA工況設計值，設計熱耗差值應為156 kJ/kWh，說明機組變工工況性能也明顯偏離設計值。

綜上所述，1號和2號機組無論是從機組的經(jīng)濟工況熱耗水平還是變工況性能上來看，均具有較大的改造潛力。

2 基于全四維設計的通流改造方案

2.1 改造目標

基于全四維氣動優(yōu)化設計，將先進的通流設計優(yōu)化應用到機組通流改造中，提高機組缸效率，使機組經(jīng)濟性達到同類機組先進水平，具體目標如下：

(1)通過全四維通流優(yōu)化設計，機組THA工況，高壓缸效率達到87%以上，中壓缸效率達到92%以上，低壓缸效率達到89%以上(背壓14 kPa)；

表3機組變工況特性

項目工況/MW熱耗(修正后)/kJ·(kWh)-1差值/kJ·(kWh)-1#1機組(2014年4月A修后)3308 424.7299.62408 724.3#1機組(2014年12月試驗)3308 448.4258.02408 706.4#2機組(2012年2月A修前)3308 551.5150.52558 702.0#2機組(2013年1月A修前)3308 666.7221.92408 888.6#2機組(2014年12月試驗)3308 498.8266.12408 764.9原機組設計值330(THA)8 185.3156.0247(75%THA)8 341.5

(2)機組THA工況熱耗率降至原設計熱耗8 185.3 kJ/kWh以下，75%THA工況熱耗率降至原設計熱耗8 341.5 kJ/kWh以下；

(3)提高機組變工況適應性，提高機組變工況運行經(jīng)濟性。

2.2 改造原則

根據(jù)機組實際情況確定通流改造基本原則如下：

(1)改造采用的技術措施兼顧先進性與成熟性，確保機組改造的經(jīng)濟、安全、可靠；

(2)保持機組外形尺寸和轉子旋轉方向；

(3)不改變現(xiàn)有熱力系統(tǒng)，現(xiàn)有的熱力參數(shù)基本不變以保證相關輔機系統(tǒng)不變；

(4)不改變汽輪機基礎、高中壓進汽閥門、各軸承座、各管道以及與發(fā)電機的連接等；

(5)保持機組的基礎負載基本不變，以使各設備現(xiàn)場安裝要求不變。

2.3 通流改造方案

2.3.1 高中壓缸改造方案

基于全四維進行通流氣動精確設計，并對通流結構也進行精確設計，使蒸汽在汽輪機通流部分全部流動環(huán)節(jié)均得到優(yōu)化，包括通流結構優(yōu)化、彎扭葉片、自帶冠動葉片、通流子午面光滑、蒸汽泄露控制等，使高中壓缸效率得到大幅提升。

通過全四維通流優(yōu)化設計，原機組部件很多無法與新設計部件進行匹配，為此，需對機組部件進行更換，主要更換部件包括：高中壓轉子、高壓內缸、噴嘴組、高中壓隔板、高中壓動葉片、過橋汽封、高中壓汽封、高中壓軸封等，圖1為高中壓缸更換部件示意對比。改造后的主要技術特點如下：

(1)高中壓缸通流進行整體優(yōu)化設計，更換高中壓轉子，更換高壓內缸，高壓缸通流級由原設計1+11級增加為1+13級，中壓缸通流級由原設計12級增加為13級，同時高中壓缸各級根徑響應調整。

(2)優(yōu)化總體通流設計，采用先進高效動靜葉片，采用先進汽封和先進蒸汽泄漏控制，改進原有不合理結構，最大幅度提升高中壓缸效率。

(3)對高壓進排汽、中壓進排汽各流道進行CFD計算，優(yōu)化流動性能，減小壓損。

(4)針對機組實際運行負荷率要求，優(yōu)化高壓通流面積，使機組變工況運行性能更好。

(5)進行高壓內缸全新設計，取消持環(huán)和蒸汽室，采用一體化內缸結構，降低結構性內漏。

2.3.2 低壓部分改造方案

低壓缸同樣采用全四維通流氣動精確設計和結構精確設計，大幅提升低壓缸效率。低壓缸主要更換部件包括：低壓轉子、低壓內缸、靜葉、動葉、汽封、分流環(huán)、排汽導流環(huán)、軸封等。圖2為低壓缸更換部件示意對比。改造后的主要技術特點如下：

(1)更換低壓缸通流核心部件，優(yōu)化總體通流設計，采用先進高效動靜葉片，采用先進汽封和先進蒸汽泄漏控制，改進原有不合理結構，最大幅度提升低壓缸效率。

(2)低壓維持原設計2×6級，但對各級根徑和葉高重新設計，末級采用680 mm葉片，優(yōu)化葉片型線滿足機組變工況適應性，大幅度提升低壓缸性能。

(3)全新設計低壓內缸，采用對稱抽汽內缸，保證汽缸內溫度場分布均勻合理，并加強內缸撐筋布置，保證足夠剛度，消除內缸變形，避免多數(shù)機組碰到的低壓內缸抽汽超溫問題。

(4)對低壓進排汽渦殼進行CFD計算，優(yōu)化流動性能，減小壓損。

2.3.3 通流整體改造方案

根據(jù)上述高中壓缸和低壓缸的通流優(yōu)化改造方案，匯總整個機組通流改造方案如表4所示。

表4機組通流整體改造方案

方案高中壓、低壓整體改造改造內容高中壓部分: (1)高中壓轉子;(2)高壓內缸;(3)中壓持環(huán);(4)高中壓靜葉和動葉片;(5)高中壓平衡活塞、汽封和軸封等。低壓部分:(1)低壓轉子; (2)低壓一體化內缸;(3)低壓持環(huán);(4)低壓靜葉和動葉片;(5)分流環(huán)、排汽導流環(huán)、汽封、軸封等。設計特點高中壓部分: (1)高壓增加2級,中壓增加1級;(2)高中壓通流整體優(yōu)化(含噴嘴),提高部分負荷變工況性能;(3)全四維優(yōu)化葉片;(4)高、中壓進、排汽流道CFD氣動優(yōu)化。低壓部分:(1)低壓通流優(yōu)化,提高部分負荷變工況性能;(2)全四維優(yōu)化葉片;(3)低壓內缸采用對稱抽汽設計,消除溫度場分布不均,解決抽汽超溫問題;(4)末級動葉采用680 mm葉片,進一步提高低壓缸做功能力和效率;(5)低壓進汽流道、排汽渦殼CFD氣動優(yōu)化。

3 機組相關系統(tǒng)及設備分析

3.1 汽輪機輔機系統(tǒng)及設備分析

根據(jù)GB50660-2011《大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)范》的要求，汽機輔機選型應該按照機組VWO工況時參數(shù)來進行選取，并留有一定裕量。本次改造以改造前后鍋爐的耗煤量不增加為總原則，按此原則鍋爐的MCR蒸發(fā)量應與改造前保持不變，即仍為1 177 t/h，由于鍋爐的MCR工況與汽輪機調節(jié)閥全開VWO工況主蒸汽汽量1 166 t/h基本匹配，因此根據(jù)輔機選型原則，機組增容改造前后的輔機最大出力是不變的，即按照現(xiàn)有的輔機出力是可以滿足機組增容改造后的要求。

在本次機組改造中，輔機系統(tǒng)相關設備以消缺為主，具體包括：

(1)冷端系統(tǒng)

本次機組改造主要是汽輪機本體改造，其余以配合消缺為主，若存在明顯影響機組效率及出力的因素，應進行相應的改造完善。在本次汽輪機通流改造中，改造方在充分了解冷端系統(tǒng)的現(xiàn)狀后，結合機組實際負荷情況，汽輪機通流改造時低壓部分的設計特別是末級葉片的選擇結合冷端性能進行，以獲得最優(yōu)化的低壓缸效率。

(2)凝結水系統(tǒng)

以改造前后的VWO工況進行核算，凝結水系統(tǒng)管道的流速和阻力，均滿足規(guī)范的要求，其蒸汽流速均在規(guī)程要求的范圍內。目前1、2號機組凝結水泵及凝結水系統(tǒng)運行正常。在本次機組改造中，凝結水系統(tǒng)相關設備以消缺為主。

(3)給水系統(tǒng)

以改造前后的VWO工況進行核算，給水系統(tǒng)管道的流速和阻力，均滿足規(guī)范的要求，其介質流速均在規(guī)程要求的范圍內。目前1、2號機組給水泵及給水系統(tǒng)運行正常。在本次機組改造中，給水系統(tǒng)相關設備以消缺為主。

(4)回熱抽汽系統(tǒng)

現(xiàn)有回熱系統(tǒng)理論上可以滿足機組通流改造后在各種工況下對回熱系統(tǒng)的要求，但應注意對其存在的不足進行消缺完善。

(5)軸封系統(tǒng)

現(xiàn)有軸封系統(tǒng)理論上可以滿足機組通流改造后在各種工況下對回熱系統(tǒng)的要求，但應注意對其存在的不足進行消缺完善。

3.2 鍋爐及其輔機分析

本次改造以改造前后鍋爐的耗煤量不增加為總原則，按此原則鍋爐的BMCR蒸發(fā)量為1 177 t/h，保持不變。按照輔機選型的原則，機組增容改造前后的輔機最大出力是不變的，即按照現(xiàn)有的輔機出力是可以滿足機組增容改造后的要求。所以在本次機組改造中鍋爐及其輔機設備以消缺為主，對效率偏低的鍋爐輔機設備可進行改造完善，以降低機組綜合廠用電率。

3.3 發(fā)電機組及電氣系統(tǒng)

銘牌功率不變，相應發(fā)電機定子電流也保持不變，因此定子電動力與改前一致，端部漏磁不變。所以發(fā)電機各部分均可保持不變，改造時進行正常檢修即可。

3.4 主變壓器

根據(jù)《大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)范》GB50660-2011，容量125MW及以上發(fā)電機與主變壓器單元連接時，主變壓器容量宜按發(fā)電機最大連續(xù)容量扣除不能被高壓啟備變替代的高壓廠用工作變壓器計算負荷后進行選擇。由于改造后發(fā)電機銘牌功率不變，因此主變容量能滿足改造需求。

4 改造后的節(jié)能效果分析

4.1 評價原始數(shù)據(jù)

A、設備年發(fā)電利用小時按4 904 h

B、標準煤價：570元/t

C、鍋爐效率：91.65%

D、廠用電率：8%

E、管道效率99%

4.2 改造經(jīng)濟性分析

根據(jù)對當前機組性能分析的結果，并參考國內同類型機組熱耗水平，改前機組的熱耗基準設定為8 550 kJ/kWh。

改造實施后，機組主要經(jīng)濟指標如表5所示，改造后熱耗為8 160 kJ/kWh，熱耗降低390 kJ/kWh，比原設計熱耗降低25.3 kJ/kWh，供電煤耗下降15.94 g/kWh，年節(jié)煤收益1 352.8萬元。

表5改造后機組主要經(jīng)濟指標

項目機組備注原設計熱耗(THA)/kJ·(kWh)-18 185.3參考值改前熱耗(THA)/kJ·(kWh)-18 550參考值改前發(fā)電煤耗THA/g·(kWh)-1321.5改前供電煤耗THA/g·(kWh)-1349.5改后機組熱耗(THA)/kJ·(kWh)-18 160熱耗下降/kJ·(kWh)-1390比原設計熱耗下降/kJ·(kWh)-125.3發(fā)電煤耗下降/g·(kWh)-114.67供電煤耗下降/g·(kWh)-115.94年節(jié)煤量/tce23 734.6年節(jié)煤收益/萬元1 352.8改造靜態(tài)投資/萬元～5 000靜態(tài)投資回收期/年～3.69

機組采用全四維通流改造，改造靜態(tài)投資約5 000萬元，靜態(tài)投資回收期約3.69年，改造投入產(chǎn)出比較高，經(jīng)濟性顯著。

4.3 低負荷工況運行經(jīng)濟性

為了提高機組低負荷運行經(jīng)濟性，采取如下變工況適應性通流設計，具體包括：

(1)重新設計高壓噴嘴組以提高其氣動效率，新型高效葉型的應用可有效抑制通道渦及端壁橫向二次流的發(fā)展，氣動損失明顯降低；

(2)進行變工況適應葉型設計，新設計葉型攻角適應性明顯提高，來流在-25°到+25°變化范圍內，葉型均能保持較低損失，從而使得新葉型在負荷大范圍變化時仍能保持較高效率；

(3)針對低壓末級葉片，合理提高根部反動度，機組低負荷運行時，避免低壓末級葉片根部汽流倒流，提高機組變工況運行適應性，改善機組調峰運行經(jīng)濟性；

(4)采用成熟先進的CFD優(yōu)化計算，針對汽輪機不同工況的氣動特性開展多級聯(lián)算，優(yōu)化各級速比，優(yōu)化各級焓降分配，優(yōu)化沿葉高的參數(shù)分布，使機組變工況運行時仍能保證具有較高經(jīng)濟性。

表6為改造完成后機組在75%THA時主要經(jīng)濟指標，改造前熱耗為8 757.2 kJ/kWh，改造后熱耗為8 320 kJ/kWh，熱耗降低437.2 kJ/kWh，比原設計熱耗降低21.5 kJ/kWh?？梢钥闯?，改造后機組低工況運行經(jīng)濟性相比改造前顯著提高。

表6改造后75%THA機組主要經(jīng)濟指標

項目機組原設計熱耗(75%THA)/kJ·(kWh)-18 341.5改前平均熱耗(75%THA)/kJ·(kWh)-18 757.2改后機組熱耗(75%THA)/kJ·(kWh)-18 320熱耗下降(75%THA)/kJ·(kWh)-1437.2比原設計熱耗下降(75%THA)/kJ·(kWh)-121.5

4.4 改造環(huán)保收益

實施全四維通流優(yōu)化改造后，單臺機組年均節(jié)標煤約為2.37萬t，折合CO2排放減少約6.2萬t，折合SO2排放減少約202 t，折合NOx排放減少約175 t，機組的大氣污染物排放得到明顯降低，改造環(huán)保收益顯著。

5 結論

針對某公司330 MW機組通流優(yōu)化改造，通過采用全四維優(yōu)化設計，機組效率得到明顯提升，熱耗顯著下降，具有顯著的節(jié)能減排效果。

(1)實施汽輪機全四維通流優(yōu)化改造后，在機組額定工況，實際熱耗降低390 kJ/kWh，比原始設計熱耗降低25.3 kJ/kWh；在75%THA工況，實際熱耗降低435.2 kJ/kWh，比原始設計熱耗降低21.5 kJ/kWh，經(jīng)濟性顯著改善，且機組具有較好的低工況適應性。

(2)實施全四維通流優(yōu)化改造后，單臺機組年均節(jié)標煤約為2.37萬t，折合CO2排放減少約6.2萬t，折合SO2排放減少約202 t，折合NOx排放減少約175 t，環(huán)保收益顯著，具有顯著的節(jié)能減排效果。