国华定电亚临界600 MW汽轮机通流改造技术方案研究与应用

张 磊

(神华国华(北京)电力研究院有限公司,北京 100025)

0 引言

目前电力市场竞争越来越激烈，节能减排压力进一步加大。国内火力发电企业在未来较长一段时间依然面临着较大的经营压力、在发展上存在严峻的挑战，这给火力发电企业提出了更高的要求。

从上世纪90年代开始，国内的一些汽轮机制造厂家和高科技公司就开始采用先进的汽轮机设计技术进行国产老机组现代化技术改造的实践。上世纪90年代中期至今国内已有100多台亚临界300 MW等级机组完成了通流升级改造[1-3]，改造后，机组的供电煤耗普遍可降低15 g/kWh左右，铭牌出力提高约10%，节能效果显著。

目前国内600 MW等级机组通流改造项目也已逐步开展[4-11]。从上汽亚临界600 MW机组的实际运行情况来看，该型机组的实际运行性能与设计值存在着明显的差距，机组性能已相对落后，且大部分机组投运时间已接近两个大修期，非常有必要对该机型通流改造的技术方案进行研究。国华定州电厂(以下简称“定电”)在役的上汽产亚临界600 MW汽轮机共2台，本文主要以定电一期1号、2号汽轮机组为主要研究对象。

1 机组运行现状

国华定电亚临界600 MW汽轮机为上汽厂于上世纪90年代引进美国西屋公司技术设计生产，汽轮机高、中、低压通流级数共有58级，末级叶片高度为905 mm。机组共设计有8级回热抽汽，包括三个高加、一个除氧和四个低加。定电一期亚临界600 WM汽轮机组于2006年10月并网发电，投产至今机组经济指标大幅下滑，且存在一定的安全隐患。

1.1 能耗现状

国华定电上汽产亚临界600 MW机组额定工况的设计热耗为7 795.7 kJ/kWh(设计背压5.4 kPa)，设计高、中压缸效率分别为88.53%、91.46%。根据投产时进行的考核试验(如表1)，1号、2号汽轮机热耗值分别高于设计值192.5 kJ/kWh、170.3 kJ/kWh，远未达到设计值。在2013年进行的性能试验显示，1号、2号汽轮机热耗值分别高于设计值322.3 kJ/kWh、342.3 kJ/kWh。可见，随着运行时间的增加，机组的经济性指标大幅下滑。鉴于多家制造厂对其汽轮机通流设计技术进行了升级换代，改造效果良好，因此，对亚临界600 MW汽轮机进行通流改造技术方案研究是有必要的。

1.2 机组存在的问题

根据收集该型机组运行数据、检修中发现的问题等，进行分析整理，得出上汽产亚临界600 MW汽轮机存在的问题主要有以下几方面。

表1 汽轮机性能试验数据

1.2.1 低压五抽、六抽温度超温严重

上汽产亚临界600 MW机组普遍存在低压五抽、六抽蒸汽温度严重超温的问题。部分机组五抽温度分别比设计值高约30 ℃、六抽温度比设计值高约50 ℃，超温现象特别严重。国内同型的机组(包括西屋原型机)也普遍存在5、6段抽汽明显超温的问题，影响了机组的经济性。

1.2.2 中压转子实际冷却蒸汽流量过大

上汽产亚临界600 MW机组设计有中压转子冷却蒸汽，额定工况下设计流量为7.5 t/h左右。但是，根据国华所属各电厂多台机组性能试验结果，实际蒸汽流量约为设计值的4倍，达到30 t/h，远远大于设计值，从而影响了机组的经济性。

1.2.3 低压缸轴承振动大

在机组高真空时，出现低压缸轴承振动偏大的问题。分析原因，主要是由于上汽产亚临界600 MW机组低压轴承座设计安装于外缸上，机组低真空时导致低压外缸变型量偏大，从而引起汽轮机动静碰磨和振动加大的问题。

1.2.4 调节阀振动与阀杆断裂问题

国华电力所属的宁海、台山等电厂的17台上汽产亚临界600 MW汽轮机高压调节阀频繁发生了数十起阀杆与连接套销钉断裂，以及LVDT连接杆断裂等原因而失效的故障，且经过多年治理仍无法彻底消除。

针对上述问题，国华研究院已与大学、制造厂合作进行了相关专题研究工作，拟在本次汽轮机通流改造的过程中进行彻底治理。

2 改造方案

目前国内、外汽轮机厂商对通流设计技术进行了更新换代，已开始采用新一代超超临界百万机技术对300 MW、600 MW机组进行设计和改造，其整体技术水平已远高于上世纪90年代。但鉴于定电一期汽轮机通流改造可行性研究启动时，仍无上汽产亚临界600 MW汽轮机改造业绩，因此，改后热耗、铭牌的确定是本次研究的重点。

2.1 改后热耗

调研收集到11台300 MW汽轮机通流改造最新业绩(如表2)，热耗平均值为7 866 kJ/kWh，高、中压缸效率平均值分别为86.86%、92.8%，可以看出300 MW等级汽轮机通流改造的技术已足够先进。

表2 300 MW等级汽轮机通流改造业绩

为确定改造后汽轮机热耗，进行了如下工作：一方面，根据300 MW机组的改造业绩，分析亚临界300 MW与600 MW机组的异同，得出600 MW机组的热耗应低于300 MW机组30 kJ/kWh左右；另一方面，收集上海汽轮机厂、全四维公司、阿尔斯通等改造厂商提供的600 MW汽轮机改造后性能指标的保证值，比较得出热耗保证值基本在同一水平。此外，采用热力计算程序进行热平衡校核计算，最终确定600 MW汽轮机改后热耗将达到7 840 kJ/kWh(背压4.9 kPa)左右，高、中压缸效率分别为88.5%、92.5%左右。

2.2 改后铭牌

改造后铭牌功率确定的原则是：(1)机组的燃煤总量不增加；(2)锅炉的BMCR蒸发量不增加，且汽轮机VWO工况与TRL工况之间至少保留不低于3%的余量。

铭牌功率定义(中华人民共和国电力行业标准DL/T893-2004《电站汽轮机名词术语》)，考虑到我国地域辽阔，南北跨度大，在TRL铭牌功率中，以现场环境条件下的实际夏季优化背压替代统一的11.8 kPa应更为合理。目前国内新建电厂的机组在TRL背压选取上，基本都以现场环境条件下的实际夏季背压替代统一的11.8 kPa。

针对定电一期机组进行了冷端优化工作，通过凝汽器增容、循环水泵增容等冷端优化工作(具体方案见本文3.1节)，可以进一步降低机组背压，铭牌功率的确定将以冷端优化后的夏季背压为基准。

2.3 技术方案

采用新一代超超临界机组的通流技术进行汽轮机换心改造，增加通流级数，提高通流效率，大幅降低机组的热耗，同时对原机组的高温高压部件进行结构优化，解决老机组中存在的安全隐患，提高原机组的运行稳定性和可靠性，具体方案如下：

(1)通流级数调整，优化最优速比：高压通流由原来的I+11级增加至I+12级，中压通流由原来的2X9 级增加至2X10 级，两个低压通流仍为2X7 级(双流形式);

(2)采用了变反动度的设计原则，以最佳的气流特性决定各级的反动度，使各个全三维叶片级均处在最佳的气动状态，提高整个缸的通流效率；

(3)叶片改进：高中低叶片级采用弯扭的马刀型动、静叶片，降低叶型和二次流损失；

(4)新型汽封：各级均有迷宫式、高低多齿汽封，过桥处采用可缩放汽封，降低漏汽损失；

(5)末三级动叶采用枞树型叶根，其他位置采用T型叶根，漏汽损失小；

(6)采用整体内缸，且内缸设计为斜撑结构以减小变型，减小漏气损失，可解决五抽、六抽温度超温的问题；

(7)排汽导流环优化，减小余速损失；

(8)整体围带叶片、单片铣制、全切削加工、加工精度高；

(9)叶片强度好、动应力低、抗高温蠕变性能好；

(10)采用新型调节阀阀杆连接结构，更换新型阀碟型线，解决调节阀振动与阀杆断裂问题；

(11)低压外缸加固，降低低压外缸在低真空下的变形量，解决低压轴承振动大的问题。

3 方案优化

3.1 冷端优化

为降低机组运行背压，提升机组循环效率，开展了冷端优化工作，本机组采取的冷端优化措施(如表3)包括：(1)循环水泵叶轮改造，循环水量由68 000 t/h增加至75 000 t/h；(2)凝汽器增容改造，换热面积由38 000 m2增加至40 500 m2。采用上述冷端优化措施后，机组的设计背压由5.4 kPa降低至5.0 kPa。经论证分析，考虑低背压和实际负荷率，若进行冷端优化则选用905叶型综合性能更优，否则选用915叶型比较合理。因此，结合冷端优化与末级叶片选型，可以使机组在设计点的热耗由7 863 kJ/kWh进一步降低至7 843 kJ/kWh，热耗深度降低20 kJ/kWh，机组铭牌可以达到620 MW左右。

表3 冷端优化效果

为分析冷端优化前后机组实际运行工况的效果，统计了定电全年每个月份的平均循环水入口温度，按照IEC的计算标准，对处于上述循环水入口温度的机组满负荷工况下，冷端优化前后的机组背压进行了分析，计算结果如图1，可见，机组每个月份的背压均得到大幅降低，尤其是夏季，机组背压降低明显。因此，采用冷端优化措施后，机组的经济性将得到大幅提升。

图1 冷端优化前后背压对比

3.2 末级叶片选型

低压缸末级叶片的选择，决定了机组变工况的经济性能，叶片选用的基本原则是在实际负荷率的边界条件下，使机组的全年经济性能最优。上汽厂提供了905、915两种末级叶型供用户选择，在设计背压5.0 kPa的边界条件下，选用两种末级叶型对应的汽轮机热耗见表4。统计了上一年度各个负荷段的实际运行时间，THA、75%THA、50%THA工况的运行时间占总时间的比例分别为46.8%、26.6%、26.6%，并以此为基准计算了改造后两种叶型对应的汽轮机加权平均热耗，分别为7 984.8 kJ/kWh、7 986.6 kJ/kWh，因此，考虑全年实际负荷情况，末级叶片选用905叶型最佳。

表4 末级叶片选型对比

3.3 取消中压转子冷却蒸汽

受中压转子首级叶轮材质的限制，原机组设计了从高排引冷却蒸汽对中压转子中部进行冷却，设计流量7.45 t/h。中压转子冷却蒸汽未经再热即进入中压缸，导致蒸汽焓值下降，增加了汽轮机的热耗。此外，在实际运行中，中压转子冷却蒸汽实际流量远远超出设计流量，在投产后的考核试验中，1号汽轮机实际冷却蒸汽流量已高达19.1 t/h左右。经建模计算，若取消中压转子冷却蒸汽，可使机组热耗降低约19.9 kJ/kWh。

为避免取消中压转子冷却蒸汽后，转子出现高温蠕变引起渐进式弯曲的问题，由制造厂对转子的强度进行了校核。经过上汽厂校核分析，新设计的转子，叶根及叶根槽强度、转子强度完全能够满足机组在寿命期内的安全稳定运行的需要，中压转子不需要采取额外的降温措施。在规范运行的情况下，寿命期内转子不会发生弯曲现象，完全能够保证机组长期安全稳定的运行。

3.4 外置式蒸冷器

定电亚临界600 MW汽轮机第3级回热抽汽温度为432.7 ℃，蒸汽过热度达到231.6 ℃，造成能量品质的严重浪费。通过加装外置式蒸汽冷却器，可以降低蒸汽过热度，提高最终给水温度，从而达到能量梯级利用、提高回热效率的目的。

通过热平衡计算，得出加装外置式蒸汽冷却器可以提高给水温度约3.5 ℃，使机组热耗降低14 kJ/kWh，提升了机组的经济性。但由于加装外置蒸冷器使得3号高加进汽的过热度大幅降低，经过制造厂校核，需对3号高加进行改造。鉴于加装外置蒸冷器和3号高加改造的费用较高，投资回收期稍长，本次改造阶段暂不实施。

3.5 小结

经过上述冷端优化、末级叶片选型、取消中压转子冷却蒸汽等方案优化后，改造后机组的性能保证值见表5，THA工况的预期热耗为7 843 kJ/kWh，机组经济性可大幅优于改造前。

表5 改造后机组的性能保证值

4 改造效果

本次1号、2号汽轮机通流改造分别于2015年10月、2016年1月开始实施，工期分别为83天、90天。机组启动后，机组振动情况良好：(1)满负荷工况，汽轮机整体振动均在优良范围内；(2)在低背压工况(背压为2.7 kPa)，如表6所示，低压轴承亦未出现振动偏大的问题，可见，低压外缸加固取得明显效果；(3)调节阀振动情况良好，至今未出现改造前所发生的连接套销钉断裂以及LVDT连接杆断裂等问题。

表6 机组振动值

汽轮机性能考核试验由河北省电力建设调整试验所负责完成，各试验工况下性能参数见表7。1号机组试验热耗为7 795.5 kJ/kWh，比设计值低47.5 kJ/kWh，高压缸效率比设计值高1.5%，中压缸效率与设计值相等；2号机组试验热耗为7 798.4 kJ/kWh,比设计值低44.6 kJ/kWh，高压缸效率比设计值高0.7%，中压缸效率比设计值高0.4%，达到了预期效果。通过本次改造，1号、2号汽轮机热耗分别降低了322.5 kJ/kWh、342.5 kJ/kWh，大幅提升了机组的经济性。

表7 性能试验数据

5 结论

综上所述，本文分析了定电亚临界600 MW机组改造前性能和存在的问题，确定了预期目标和改造方案，并对改造方案进行了深度优化。改造后，1号汽轮机热耗为7 795.5 kJ/kWh，高、中压缸效率分别为89.5%、92.5%；2号汽轮机热耗为7 798.4 kJ/kWh，高、中压缸效率分别为88.7%、92.9%，达到了预期效果。通过本次改造，一期1号、2号汽轮机热耗分别降低了322.5 kJ/kWh、342.5 kJ/kWh，大幅降低了机组的热耗率，机组振动情况亦得到明显改善，提升了机组的经济性和安全性。