1 000 MW超超临界冲动式汽轮机通流改造及效益分析

张彬 赵金涛 胡雪梅

摘 要：TOSHIBA原型1 000 MW超超临界汽轮机存在级间焓降过大、调节级效率偏低、中压进汽部分需要冷却、低压缸采用非落地轴承等设计缺陷。在长期运行中，汽轮机隔板疲劳会导致宏观裂纹，汽轮机热耗偏离设计值至少200 kJ/（kW·h），低压轴承在高真空下出现振动突增。基于上述问题，本文结合机组的实际运行情况，提出一套较为理想的汽轮机通流部分改造方案并进行经济性分析，在增量机组困难的现状下，这对于百万机组的经济性提升具有一定的指导意义。

关键词：通流改造;全周进汽;节流调节;宽负荷叶片

中图分类号：TM621文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）08-0128-03

Transformation and Benefit Analysis of 1 000 MW Ultra-supercritical Impulse Steam Turbine

ZHANG Bin ZHAO JintaoHU Xuemei

（Pingdingshan Power Generation Branch， Henan Electric Power Co.， Ltd. of SPIC，Pingdingshan Henan 467000）

Abstract： The TOSHIBA prototype 1 000 MW ultra-supercritical steam turbine has design defects such as excessive interstage enthalpy drop， low regulating stage efficiency， low-pressure steam inlet parts requiring cooling， and low-pressure cylinders using non-ground bearings. In long-term operation， the fatigue of the turbine diaphragm will cause macro cracks， the heat loss of the turbine will deviate from the design value by at least 200 kJ/（kW·h）， and the low-pressure bearing will experience a sudden increase in vibration under high vacuum. Based on the above problems， this paper combined with the actual operation of the unit， put forward a set of more ideal steam turbine flow-through reconstruction scheme and economic analysis， which had certain guiding significance for the economic improvement of millions of units under the current situation that the incremental unit was difficult.

Keywords： through-flow reformation;full-period intake steam;throttling adjustment;wide-load blade

根據国家发展和改革委员会、原环境保护部和国家能源局联合下发的《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）的通知》（发改能源〔2014〕2093号）、《国家能源局综合司关于分解落实煤电节能减排升级改造目标任务的通知》（国能综电力〔2014〕767号）要求，原则上，各单位每年技术改造资金中，在去除脱硫、脱硝、除尘器和灰坝等重大环保改造项目资金外，节能改造的投入应达到其余技改资金的40%。对于汽机通流、供热改造等重大节能改造项目，经技术方案论证可行且资本金内部收益率≥8%的应尽早安排改造。因此，本次改造研究原则为：汽轮机原有基础不变，各抽汽口参数变化不超过5%，抽汽级数不变，汽轮机旋转方向不变[1-3]。

1 机组设备概况

1.1 汽轮机设备简介

某电厂汽轮机型号为N1030-25/600/600，为超超临界、一次中间再热、冲动式、单轴、四缸四排汽、双背压、凝汽式汽轮机，汽轮机磨机叶片长度为1 219 mm，设计运行背压为4.9 kPa。热力系统采用常规的8段非调节抽汽回热系统，即三高、四低、一除氧，高压加热器为单列布置。

1.2 机组缺陷情况

自2010年投产以来，机组（以1号机组为例）经历过3次大修，第一次大修为投产4年后，当时检查高、中压隔板外观及变形量均正常，仅有高中压第一级喷嘴中分面出汽边存在部分吹蚀现象;但次年同类型机组在运行中出现中压反向第二级隔板脱落的事件，因此该机组大修后第二年又进行揭缸检查，虽然未发现隔板宏观裂纹，但仍然根据厂家意见，将高、中压15级共21列隔板进行返厂，加固后，喷嘴流线发生变化;为检验加固效果，2017年再次开展揭缸检查，对高中压隔板进行相控阵检测，发现隔板内外环与静叶之间的深焊缝存在大量焊接未融合的现象，高中压隔板全部都有缺陷，未融合平均长度约为200 mm，最长的达870 mm。根据厂家意见，现场对深度在20 mm以内的表面缺陷进行挖补冷焊处理。

同样地，#2机组在2015年进行隔板加固，2019年进行B修复查，发现高中压隔板表面均已存在明显裂纹，部分隔板裂纹缝隙较大，高压隔板更为严重，且主要集中在出汽边内外围带焊缝处。经专家会诊确认，对隔板裂纹进行挖补冷焊处理无法保证隔板的安全性，需要返厂对隔板裂纹进行处理。随后，高中压共19级隔板全部返厂，进行车削、加焊、热处理后重新安装。该缺陷表层原因在于焊接性隔板的窄焊缝焊接水平未达到东芝的工艺要求，焊接未融合缺陷导致裂纹从内到外延伸产生表面缺陷。深层原因为大容量、高参数汽轮机组隔板承受的压力过大，大焓降的冲动式隔板设计不适用于大容量汽轮机组。

1.3 机组性能情况

该机型原设计热耗率为7 310.9 kJ/（kW·h），然而机组实际运行热耗为7 633.2 kJ/（kW·h），较设计值偏高4.41%，在高压部分设计中，采用双列调节级，效率降低0.3%，采用中压转子冷却使机组热耗增加25 kJ/（kW·h），隔板加固后，级效率降低0.3%，主汽阀组压损5%。上述情况主要受当时设计技术、制造加工能力因素的影响，具体包括：采用冲动式大焓降叶片通流设计理念，级效率偏低;高、中压部套接配面过多，机组存在不同程度的内漏;汽封间隙质量控制不佳，影响漏汽损失;低压内缸存在变形和漏汽;高中压焊接隔板结构制造与设计存在一定偏差等。

2 通流部分改造研究

2.1 高压部分改造方案

若高参数、大容量汽轮机采用冲动式设计，会导致隔板上的级间压力及蒸汽焓降增加，因此将高压缸整体更换，内缸采用较为成熟的反动式套环或筒形缸，充分利用原有高压部分空间，按照多级小焓降、变反动度设计理念，布置14～17级压力。配套对压损超过5%的四个主汽阀组进行更换，采用2主+2调+2过载阀方式，主汽阀全开压损小于2%，补汽阀开启点为THA工况，汽轮机原基础、支撑方式不变，改造后，各工况高压缸缸效不低于91%。

2.2 中压部分改造方案

中压外缸和中压主汽门保留，仅更换内缸和转子。内缸采用三段布置结构，内缸与外缸的配合按原机进行设计，中压内缸进汽仍采用底部进汽、通过插管连接的方式设计。改造后，现有机组的抽汽管道结构将保留，无须进行改动，中压内缸采用中分面螺栓进行把合，转子加装平衡块的位置和原来相同，平衡面的入口位置保持不变。

中压缸进汽第一级采用切向进汽斜置静叶结构，并采用低反动度叶片级（约20%的反动度）设计方式;采用切向涡流冷却技术，取消中压转子冷却;采用变反动度设计的原则，即由最佳的汽流特性决定各级的反动度，使各级叶片均处在最佳运行状态，提升机组的通流效率;改造后，中压缸通流级数为2×（11～13），中压缸效率在各工况下不低于92%。

2.3 低压部分改造方案

保留低压外缸，更换低压内缸和转子。低压内缸设计中采用斜置撑板结构，并优化设计内缸温度场，利用汽缸自身的热胀达到运行状态自密封，使低压内缸中分面具有更好的密封性，明显缓解或者消除低压段抽汽温度偏高的问题。

低压缸为座缸式轴承，不适合采用传统反动式机组的整锻转子，因为该类转子轮毂平均直径大于冲动式转子，自重往往偏大。为了避免自重的增加给低压外缸和轴承带来更大的负荷，引起潜在的安全问题，新的低压转子将采用轻量化的焊接设计思路，使得改造后低压转子作用在轴承座上的载荷基本不变，保证低压缸运行安全稳定。改造后，通流级数2×2×7～8，末3级为自由叶片，末级叶片长度为1 146 mm或1 200 mm，低压缸效率在各工况下不低于90%。

2.4 熱力系统优化方案

本次改造充分考虑机组灵活性，通流部分设计兼顾低负荷运行的经济性[4-5]，为宽负荷设计;考虑低负荷脱硝系统投入运行的安全性，本次改造增加#3高加外置蒸冷器，同步对#1高加进汽汽源进行改造，增加低负荷汽源，提升低负荷下给水温度，其间至少提高15℃。

3 通流改造优化

3.1 再热阻力优化

统计历年的再热器压损情况，三年来，平均值为6.7%，在常规的汽轮机设计中，该数据均按照10%。本项目根据机组实际情况，按照7%的再热器压损进行设计，在中压部分增加一级压力级，有效提升机组能效，其间至少提升10 kJ/（kW·h）。

3.2 高压部分优化

原机组高压缸效率在THA工况下只能保持87%，因此本次改造重点为该区域。本次利用冲动式汽轮机的较大跨距（5 810 mm），优化设计高压各级，并尽可能增加通流级数，减少每级焓降，重热系数高，通流效率提升。其间主要采取以下措施：采用圆形内缸，整体在生产车间组装完成，装配质量得到极大保证;隔板由锻造合金钢块加工而成的单个叶片整圈装配而成，叶片强度提高，采用反动式设计，承受荷载比冲动式小，其整体强度得到大幅提升;变反动度设计，使得各级叶片均处在最佳运行状态，提升机组的通流效率;采用斜置静叶成功解决了首级叶片强度问题，无汽隙激振;第一级采用低反动式叶片级，第一级静叶后，温度降低15 ℃，从而降低第一级叶轮和转子表面的温度，为高压转子提供有利的工作条件。

3.3 #1高加汽源优化

在新建机组中，设置零号高加，可提高机组低负荷工况的经济性，但本机组在设计初期已进行场地优化，高压加热器分三层布置，均在A排以外，因此现场无零号高加的安装位置。为提高低负荷的经济性，保证深度调峰阶段脱硝效率，本工程将#1高加增加一路高压汽源（即零抽），在75%负荷以下投入运行，且系统做到无勿扰切换，避免零号高加频繁启停造成的设备疲劳。

4 效益分析

该电厂处于内陆地区，按照以下条件进行效益分析：年利用小时数为4 300 h，标准煤单价为703.47元/t，100% THA、75% THA和50% THA三个工况负荷比例分配系数为2∶5∶3。

4.1 汽轮机本体改造效益分析

汽轮机本体改造前后，各工况指标对比如表1所示。考虑汽轮机0.8%老化的影响，经计算，年度节煤4.66 94万t，节煤收益为3 284.8万元。项目投资财务内部收益率为18.22%，静态投资回收期为4.64年。

4.2 #1高加新增汽源效益分析

#1高加增加高压汽源各负荷阶段热耗率如表2所示。经计算，节煤收益约为88.85万元/年，财务内部收益率为40.26%，静态投资回收期为2.36年。该项目静态总投资为200万元，而增加0号高加需要静态总投资1 400万元，在财务内部收益率和静态投资回收期方面，采用#1高加增加高压汽源方案更为优越。

4.3 #3高加外置冷却器效益分析

本机组三级抽汽温度较高，达到450 ℃，过热度较大，能级利用效率低，因此可以在三级抽汽进入加热器前增设外置蒸冷器以提高给水温度，可以进一步降低机组煤耗。由于增加外置蒸冷器，#3高加出现换热面积不足，蒸冷段出口处干壁温度低于设计值，容易引发安全性问题，人们需要进行现场局部处理。上述改造费用约为750万元，改造后，可降低机组热耗12～15 kJ/（kW·h），节煤收益约为137.32万元/年，项目投资财务内部收益率为14.97%，静态投资回收期为6.04年。

5 结论

本工程实施后，机组发电煤耗有较大降低，相同发电量下，锅炉耗煤量减小，同时实施环保改造，机组NOx、SO2、粉尘的年排放量下降，对改善区域环境有重大贡献，有利于推进生态文明建设，打造美丽中国。

参考文献：

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