600 MW超临界汽轮机通流改造效果及适应性分析

张鹏

（江苏省国信集团有限公司，江苏 南京 210005）

0 前言

为加快推进能源生产和消费革命，进一步提升煤电高效清洁发展水平，国家发改委、环保部、能源局联合制定了《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020年）》，要求到2020年，现役60万千瓦及以上燃煤机组（除空冷机组外）改造后供电煤耗应小于300g/kWh[1]。而对于在1998-2010年间投产的亚临界、超临界60万千瓦级燃煤机组，供电煤耗要完成国家发改委的要求难度很大。根据热经济性分析，电厂能耗高的一个重要原因是汽轮机通流部分效率低。

经过近20年的发展，围绕提高效率和效益、改善环境、降低成本，各大汽机生产商纷纷引用和消化了国外最先进的、成熟的三维气动热力设计技术，进行了有计划、有规模的旧机组通流部分改造，以增加出力、降低能耗[2]。

1 系统概述

某电厂二期汽轮机为东方汽轮机厂生产制造的超临界压力、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、双背压、纯凝汽式汽轮机，型号为：N630-24.2/538/566，最大连续出力为634.234MW，额定出力630MW。

机组采用复合变压运行方式，汽轮机具有八级非调整回热抽汽。主蒸汽经汽轮机二个主汽阀、四个高压调节阀到汽轮机喷嘴膨胀做功。再热蒸汽经中压联合汽阀分为两路进入中压内缸到汽轮机喷嘴膨胀做功。中压缸作功后的蒸汽再进入两个低压缸作功，乏汽排入双背压凝汽器。

高压缸由一级调节级和7级冲动式压力级组成，中压缸由6个压力级组成，高压缸进汽为部分进汽。低压缸为双流对称结构设计，由2×7个级组成，末级动叶高度为1016 mm。

2 汽轮机改造原理

东方汽轮机厂生产的D600C机型设计开发于21世纪初期。与现在的设计技术能力和制造工艺水平相比，差距很大，主要体现在两方面：一是汽缸效率低，机组热耗高，煤耗高，机组热力性能差；二是通流部件的制造、安装、运行质量方面质量控制不精细[3]。

汽轮机通流部分改造的原理是保留原有高中低压外缸的基础上，对内部通流进行模块化升级改造，其中高中压缸采用冲动式设计，低压缸采用反动式设计。级间适当增加叶片级数，采用的是整体通流设计技术（AIBT），在高中压通流中采用了先进的GA系列叶型动叶片、集成预扭的动叶围带、可控流Platform隔板，提高了级效率和强度；采用较大高压和中压的喷嘴有效降低固体微粒冲蚀损坏；隔板及径向汽封采用的是迷宫密封，在可靠的安装工艺下有效地降低了级间漏汽，提高了汽轮机的效率；低压缸采用了进排汽优化技术，末级动叶为37英寸带鳍叶片，可以在复杂的三维跨音速流动环境中运行，具有兼顾高负荷和部分负荷运行效率的特点，有效降低了排汽损失，提高了抗水蚀性能；同时通过升参数达到降低发电煤耗，提高全厂热效率的目的[4]。

3 汽轮机通流改造方案

汽轮机通流改造将采用高中压内缸及低压缸改造方案，通过对汽轮机三缸通流部分进行改造，达到提高汽轮机热效率、增加汽轮机铭牌出力至650MW的目的[5]。

在确保改造参数达标的前提下，尽可能利用原有设备。原汽轮机的高中压、低压三缸外壳体和汽轮机与主、再热蒸汽管道连接保持不变；汽轮机与发电机连接位置不变；汽轮机基座、轴承及抽汽口、高压主汽门、调门、中联门及其导汽管位置均不变。高压动叶从原来的8级增加到10级，中压动叶6级未变，低压转子从原来的2×2×7级增加到2×2×8级。

3.1 高中压缸通流改造方案

新的高中压内缸，转子和通流部分为全新设计，高压缸为部分进汽设计，内缸设计与现有的外汽缸匹配[6]。高中压内缸改造方案如图1所示。

新的高压通流级数为10级。第一级调节级加宽，调节级后设置了一段混合区，确保汽流均匀进入第二级。改造后的高中压缸采用喷嘴调节，能够对应不同负荷时改变部分喷嘴开度。在通流部分，优化了叶片的节圆直径，动叶具有先进的叶型，整体围带，在叶顶采用迷宫式汽封。

高压隔板采用了具有先进的三维型线的静叶，静叶具有整体加工的根部和顶部围带，围带被焊进隔板内外环。中压通流设计结合了先进的自带围带的静叶和装在单独的围带中的二维型线静叶，并与隔板内外环焊接在一起。

蒸汽通过与内缸铸造为一体的进汽管，和活塞环一起，装在有司太立衬套的外缸中。新的衬套和活塞密封环可解决该区域漏汽问题。进汽环室与内缸铸造为一体，结合部分进汽的分隔板和一个导流板，导流装置还作为挡热板，防止中间汽封体直接处于主蒸汽温度之下[7]。

图1 汽轮机高中压通流改造示意图

3.2 低压缸通流改造方案

新的低压通流由2×2×8级组成，末级叶片为RS37T的新型自带鳍高性能叶片。叶高为37＂，排汽面积为7.58平方米/流程，末级和次末级静叶材料均为球墨铸铁，叶型为弯掠和倾斜设计。弯掠和倾斜使得质量沿叶片径向分布的更均匀。优化的叶片设计使流动的模数分布更平滑，峰值更少，以此减小损失[8]。低压内缸改造方案如图2所示。

图2 汽轮机低压通流改造示意图

低压转子为整锻转子鼓型结构，刚性好，转动惯量大,对扭振以及动叶与轴的耦合方式具有固有的不敏感性。转子发电机端的联轴器将与现有的发电机转子相匹配，转子的现场平衡特性和平衡面位置将和原转子一样。动叶安装在轴上的叶根槽里。在级间汽封的位置，汽封片安装于轴上。轴的两端和中间有平衡面，用来安装固定平衡块[9]。次末级动叶自带围带，叶片采用倾斜加弯扭设计，从叶顶到叶型底部各处的型线都满足局部的三维流动特性的要求[11]。

新内缸分为上下两半，由钢板和棒料焊接而成，然后经热处理消除焊接应力，新内缸将设计的和原外缸配合，现有外缸上的支撑和导向无需改动。对排汽导流环进行优化，以减小排汽损失，进一步提高低压缸效率。对低压汽轮机的径向轴承的载荷进行了校核，根据计算结果，提供新的低压缸径向轴承。联轴器螺栓采用全新的液压联轴器螺栓[12]。

4 改造后性能试验效果

机组经汽轮机通流改造后增加出力20MW,机组铭牌从630MW提高到650MW，并已获省能源局批准。

4.1 试验修正的主要因素

1）改造前为冬季，改造后为夏季，修正了真空影响因素。

2）试验工况下低低温省煤器退出运行，修正煤耗约2g/kWh。

3）改造前后厂用电率下降0.1%，修正煤耗约0.3 g/kWh。

4）锅炉效率提升，修正煤耗约2.7 g/kWh。

4.2 改造后性能试验效果分析

600MW工况试验热耗率为7828.95 kJ/kWh，修正后热耗率为7686.28kJ/kWh。试验发电煤耗率为286.87 g/kWh，修正后发电煤耗为282.21g/kWh，修正发电煤耗4.66g/kWh。修正主要原因是改造前后气温对真空的影响、试验工况下低低温省煤器退出运行、锅炉效率的提升[13]。

试验发电厂用电率为4.57%，试验供电煤耗为300.60g/kWh，修正后供电煤耗为295.72g/kWh，修正供电煤耗4.88g/kWh，比发电煤耗多下降0.22g/kWh。主要原因是厂用电率下降。

改造前后给水温度从287.21℃下降到278.28℃，下降约8.9℃。主要原因是汽轮机因抽汽级数改变及效率提升，使抽汽温度和压力下降。

凝汽器未进行改造，性能未下降。主要因改造前后环境温度升高，凝汽器压力提升很多，对真空影响因素进行修正[15]。

综上所述，通过汽轮机通流改造，标准发电煤耗下降7.51 g/kWh，标准供电煤耗下降8.17g/kWh[14]。

汽轮机通流改造前后参数对比如表1所示。

表1 汽轮机通流改造前后参数

4.3 汽轮机通流改造后相关辅机的适应性

汽轮机通流改造不改变汽轮机的热力系统，各级回热抽汽口的参数基本不变，压力和温度变化范围很小，可以完全保证各级加热器不超压、不超温，加热器的安全运行是完全可以保证的[15]。根据汽轮机改造后650MW实际运行的参数，得出的结论和建议如下：

1）凝结水系统：凝泵变频运行，凝结水流量1430t/h左右，小于凝泵容量1631 t/h。凝泵投入变频运行，电流105A左右，小于额定电流133A，尚有余量。

2）给水回热系统：汽泵转速5800r/min左右，处于正常调速范围3100～5900r/min内；进口流量平均960t/h左右，小于额定流量1070t/h。前置泵电流108A左右，小于额定电流142A。汽泵及其前置泵各热力运行参数均在限额范围内。

3）闭冷水系统：闭冷水温最高36℃左右，小于40℃的设计正常值，闭冷水母管压力0.65MPa，与改造前接近。闭冷泵电流84A，小于额定电流93.1A。

4）循环水系统：循泵单台运行，电流145A左右，小于额定电流183A。循泵各参数均在限额范围内。

5 结束语

从试验结果来看试验机组高、中压缸效率均有所提升，热耗率有所降低，机组标准发电煤耗和标准供电煤耗显著降低，分别为7.51 g/kWh、8.17 g/kWh。改造后的标准供电煤耗为295.72 g/kWh，已符合国家《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》中规定的技术要求。利用先进的汽轮机通流设计技术，对机组进行增容提效技术改造，在保证机组长期安全稳定运行的前提下，实现节约成本、降低能耗以及提高机组20MW出力的目标。