两种300MW机组整体通流部分改造技术异同分析

史啸曦，顾 敏

（1.上海外高桥发电有限责任公司，上海 200137；2.上海明华电力技术工程有限公司，上海 200090）

0 引言

外高桥电厂1号、2号机组是上汽厂引进型300MW，属于第二批改进型（C156），3号、4号机组是上汽厂引进型300MW，属于第三批改进型（F156）。经过十多年的运行，出现机组老化、叶片损坏等问题，对电厂的经济性和可靠性带来很大影响。目前机组主要存在以下问题：高压喷嘴组损坏；低压缸次末级叶片断裂；高压缸效率偏低；低压缸中分面漏汽。

外高桥发电有限责任公司于2008年10月到2011年6月，对国产引进型300MW机组进行整体通流部分改造，其中1号、2号机组采用西屋公司的改造技术，3号、4号机组采用西门子公司百万级大容量机组的改造技术。这次改造使机组的经济性、可靠性及运行灵活性均达到国际先进水平。改造后的汽轮发电机组铭牌（额定）出力为的320MW，降低煤耗达10g／kWh以上，设备运行安全可靠，达到了改造目标。

1 两种汽轮机通流部分整体改造技术的异同

1.1 改造目标的异同

1）改造目标的相同之处：

（1）改造后汽轮机铭牌（额定）出力不低于320MW。

（2）改造后机组在额定主蒸汽参数及再热蒸汽参数、高加全部切除的条件下，额定背压时能发出额定功率。

（3）改造后机组在热耗率验收工况（THA）下，在80%、60%、40%额定负荷运行时也能保持较低的热耗率。

（4）改造后机组在阀门全开工况（VWO）出力运行时，各通流部分的部件满足强度要求，调节级及各抽汽压力不超过设计最大值。

（5）改造后机组具有良好的变负荷性能，能采用复合变压运行方式，并且能在120MW负荷下长期安全、稳定运行，50%～100%在额定工况下补水率为0的连续工况（T-MCR）增减负荷速率不小于5%／min；阀门管理功能满足单阀、顺序阀以及各种阀点的滑压运行要求。

（6）改造后汽轮机在技术性能方面，能满足电网调峰要求以及具有二班制运行功能要求。

（7）通过改造消除机组存在的高压喷嘴组损坏、低压缸次末级叶片断裂、高压缸效率偏低、低压缸中分面漏汽等主要问题，以提高机组的安全性和经济性。

（8）改造后设备具有30年的使用寿命。

2）改造目标的不同之处，如表1所示。

表1 改造目标的不同之处

1.2 改造范围

西屋技术、百万级大容量技术的改造范围全完相同，具体如下。

1）高、中、低压缸通流部分。

2）高中压转子、低压转子。

3）高中压内缸、低压内缸。

4）其他部件中低压缸连通管、联轴器护罩和盖板、盘车大齿轮、差胀指示仪及支架。

1.3 改造后的差异

1）各典型工况下机组出力和热耗率的差异，如表2所示。

2）不同额定出力时汽轮发电机组热耗率的差异，如表3所示。

表2 各典型工况下机组出力和热耗率的差异

表3 不同额定出力时汽轮发电机组热耗率差异

3）不同额定出力时汽轮机缸效率差异，如表4所示。

表4 不同额定出力时汽轮机缸效率差异 %

在表4中，高、中压缸效率包括蒸汽阀门的损失；低压缸效率包括排汽缸损失。

4）汽轮机的零部件（不包括易损件）的设计使用寿命不少于30年，在其寿命期内能承受下列工况：

（1）冷态起动（停机72h以上，且汽缸金属壁温已低于该测量点满负荷时金属壁温值的40%以下）300次。

（2）温态起动（停机10～72h，且壁温为原值的40%～80%）1000次。

（3）热态起动（停机10h以下，且壁温为原值的80%以上）3000次。

（4）极热态起动（停机小于1.5h，且壁温接近原值）150次。

（5）负荷阶跃（负荷变化大于10%）12000次。

这些总寿命消耗不大于汽轮机的零部件（不包括易损件）的设计使用寿命的75%。

1.4 主要改造措施的异同

1）高压缸改进措施的异同，如表5所示。

表5 高压缸改进措施的异同

2）中压缸改进措施的异同，如表6所示。

表6 中压缸改进措施的异同

3）低压缸改进措施的异同，如表7所示。

表7 低压缸改进措施的异同

4）其他改造措施的异同，如表8所示。

表8 其他改造措施的异同

2 两种技术改造中主要新技术的应用

2.1 汽缸部分采用全三元流场设计

在改造过程中，高中压汽缸部分和低压汽缸部分都采用了最先进的全三元流场设计，是基于N-S全三元气动计算技术设计，比原来两元流场设计技术更能准确模拟不同工况之间的相对变化以及全场参数的分布规律，如图1所示。

图1 基于全三元气动计算技术的流场设计

2.2 高效反动式全三维全马刀动静叶片

此新型叶片的设计也是基于全三元理论，减少了静叶叶根部转折角，沿叶高等反动度分布，如图2所示。

图2 全三维全马刀动静叶片

2.3 无中心孔转子

随着转子材质和锻造手段的改进，改造使用了无中心孔转子，使最大应力下降50%，并且加快了冷态启动时间，可缩短约3h，提高了高压缸通流效率，如图3所示。

图3 无中心孔转子

2.4 强化的枞树形叶根型线

本次使用强化的枞树形叶根型线，可以使应力集中下降50%，动应力下降10%～30%，提高了抗低周疲劳性能，满足1号机组调峰运行的需要，如图4所示。

图4 强化的枞树形叶根型线

2.5 自带围带动叶

在高中压缸部分的改造中使用了自带围带动叶设计，与无围带动叶相比，具有降低振动应力、降低围带连接部分离心应力、抗蠕变破坏，抗腐蚀坑等优点，如图5所示。

图5 自带围带动叶

2.6 采用了高性能的材料

在改造中，高压及中压第一级动叶和566～593℃的超临界机组采用了具有600℃更高疲劳强度的新材料10705Z2。低压末二级叶片采用比12Cr钢具有更高抗腐蚀性的材料17-4PH。

2.7 应用了布莱登汽封

在改造中，1号机组在高压侧平衡活塞汽封、高压排汽侧平衡活塞汽封、中压侧平衡活塞汽封中使用布莱登汽封（见图6），以达到减少汽封磨损，保持机组效率的作用。

图6 布莱登汽封

2.8 汽缸端汽封应用了蜂窝汽封

在高中压缸端汽封和低压缸端汽封处使用了蜂窝汽封，蜂窝式密封在结构上是由厚为0.05～0.10mm的海斯特（Hasttelloy-X）高温合金制成正六边形的蜂窝状，以取代梳齿式密封的梳齿，具有耐磨损、不伤轴、寿命长、密封效果好等优点。其密封机理使这种蜂窝状结构能产生很强的涡流和屏障，从而形成很大的阻尼而达到阻止工质泄漏的密封效果。蜂窝式密封在最小的材料质量下能保证密封具有最大的强度；允许在高压降下应用且不增加密封的尺寸；简化了涡轮机组安装和修理时的装配工作，比梳齿密封具有更好的转子动力学特性。

蜂窝状密封比梳齿式密封减少泄漏量，节能效果显著，如图7所示。

图7 蜂窝汽封结构

3 改进后的效果比较

3.1 改造前后热耗比较

1）西屋技术改造前后的热耗率比较，如表9所示。汽轮机通流部件改造后热耗率平均下降约3.5%（相应降低机组煤耗率约3.5%）。需要指出的是，改造前热耗率试验是在汽轮机运行6年后（一个大修周期）进行，此时性能最差；改造后热耗率试验是在汽轮机为全新状态下进行，此时性能最好。因此，表9中显示的改造前后热耗率差值为最大值。较为科学的比较方法为，采用汽轮机改造前和改造后运行6年（一个大修周期）的热耗率平均水平进行比较，能较合理地反映汽轮机改造后的实际效果。依据汽轮机随运行时间的老化规律，此方法确定的汽轮机改造前后的热耗率差值比上述最大值减小0.5%～0.8%。

表9 西屋技术改造前后的热耗率比较

2）百万级大容量技术改造前后的热耗率比较，如表10所示。

表10 百万级大容量技术改造前后的热耗率比较

3.2 改造后的煤耗比较

改造后的性能试验表明，在300MW扩容到320MW的基础上，改造后在负荷300MW时煤耗降低约11g／kWh，在负荷320MW时煤耗可降低约12g／kWh。达到改造的目标，提高了机组运行的经济性和效率，取得了较好的效果。

1）西屋技术改造前后的煤率比较，如表11所示。

表11 西屋技术改造前后的煤率比较

由表11可知，在额定工况下，机组改造（大修）后的供电煤耗率约为309.5g／kWh，比改造（大修）前的供电煤耗率（324.4g／kWh）约降低了14.9g／kWh，下降了约4.6%。

2）百万级大容量技术改造前后的煤率比较，如表12所示。

表12 百万级大容量技术改造前后的煤率比较

由表12可知，机组改造（大修）前的供电煤耗率对机组负荷加权平均值为328.3g／kWh；而机组改造（大修）后的供电煤耗率对机组负荷加权平均值为316.1g／kWh，比改造（大修）前降低了12.2g／kWh，下降了约3.7%。

4 结语

1）从实际效果看，改造项目总体达到了降低煤耗、提高效率、消除安全隐患的良好效果，尤其是在目前节能环保的大环境下，对于一些老机组如何能焕发出新的生命力，具有一定的推广价值和借鉴作用。

2）从1号、2号机组采用的西屋改造技术与3号、4号机组采用的百万级大容量改造技术相比，百万级大容量改造技术更具有潜力并且代表了新的改造技术方向。

3）通过运用目前最先进的汽轮机通流部分改造技术手段，使得机组的煤耗降低了10g／kWh以上，设备运行安全可靠，达到了改造的目标。