600MW超临界燃煤机组节能提效改造研究

华电电力科学研究院有限公司 唐秀能 张东兴 陈广伟 于鹏峰

根据国家发展和改革委员会、国家能源局联合发布的《全国煤电机组改造升级实施方案》，到2025年，全国火电平均供电煤耗降至300g 标准煤/kWh 以下，目前国内发电机组普遍存在锅炉效率低、热耗偏高等问题，供电煤耗距离国家要求尚有差距，为进一步提升煤电机组清洁高效水平，保障“双碳”目标的实现，提升企业装备竞争力，各发电企业都在加快对现役机组的节能提效改造[1-3]。本文以某600MW 超临界燃煤机组为研究对象，进行能耗诊断试验，发现机组存在空预器漏风率高、锅炉效率偏低、汽轮机热耗高、缸效低等诸多问题，结合机组实际提出节能提效改造方案，通过改造有效降低了机组供电煤耗，提高机组运行经济性，为同类机组节能改造提供借鉴。

1 研究对象

某电厂锅炉为600MW 超临界压力变压运行、单炉膛、一次中间再热、尾部双烟道Π 型布置燃煤直流锅炉。设计煤种为淮北矿业集团公司祁南矿烟煤。汽轮机为上海汽轮机有限公司设计制造的超临界凝汽式汽轮机。

2 存在的问题

为了掌握机组性能状况，进行了性能诊断试验，根据试验结果及现场相关调研，机组存在的主要问题如表1所示。

表1 机组存在的问题

3 锅炉部分

3.1 燃烧器优化改造

考虑对锅炉提效，采用超低NOx 旋流煤粉燃烧器及燃烧系统对原燃烧系统进行优化改造。与现燃烧器相比，本次改造特点在于：采用新型径向双级煤粉浓缩器，实现煤粉气流的高效浓缩，获得外浓内淡的煤粉气流，高浓度的煤粉浓度导致较高的燃烧效率；另外为提高燃烧器低负荷稳燃性能、燃烧效率和抑制NOx 的生成，采用稳焰齿、一二次风导向锥等技术措施。

改造具体内容如下：原前后墙6层24只煤粉燃烧器总数量和布置位置保持不变，更换20只煤粉燃烧器为新型超低NOx 旋流煤粉燃烧器；等离子层（前墙下层4只）等离子煤粉燃烧器本体不改造，更换其二、三次风配风组件；更换改造区域燃烧器水冷壁开孔；更换燃烧器外二次风门执行器，采用连续调节型；增加燃烧器冷却风系统，采用热一次风冷却；更换原点火油枪（启动油枪取消）及炉前燃油系统，采用气泡雾化油枪；增加燃烧器固定装置；改造后燃烧器结构示意图如图1所示。

图1 改造后燃烧器结构示意图

3.2 贴壁风改造

通过贴壁风改造，改善壁面的还原性气氛，缓解由于燃用高硫煤带来的腐蚀问题。具体方案：在前后墙燃烧器层区域，靠近侧墙合适位置增设3层共12只贴壁风喷口（风量手动调节），喷口按下倾一定角度设计。在锅炉两侧墙靠近炉膛中心区域各增加四层侧墙贴壁风喷口，上两层每层布置4只喷口，下两层每层布置2只喷口，采用手动调节方式，风源取自热二次风。为保证达到较好的配风效果，前后墙贴壁风风源采用增压热二次风（增加风机）。

3.3 二次风系统流场优化

对二次风系统流场进行优化改造。具体措施如下：一是采用导流板结构优化燃烧器风箱设计，获得更为均衡的燃烧器风量。二是更换现外二次风门用执行器，采用调节型（原设计为开关型），增加每个燃烧器的风量分配调节手段；三是增加风箱入口二次风道导流板，从结构上尽可能消除各层风室的风量分配不均，同时通过各层风室入口调节挡板来进行必要的风量调节。

3.4 空预器漏风治理

根据密封片接触形式空预器密封形式分为固定式密封、刷式密封、可调式密封和柔性密封等密封技术[4]，柔性密封最大补偿量可达70mm，可弥补热态下空预器热端三角漏风区域，进而大幅降低漏风率，对扇形板无磨损，不增加运行电流，因此本次改造采用柔性密封技术进行改造。

4 汽机部分

4.1 汽机通流改造

针对汽轮机缸效低、热耗高的问题，目前国内普遍采用通流改造技术改造以达到节能效果。本次改造对高、中压各级进行优化设计，采用增加通流级数的方式来提高通流效率。高压通流级数从原来的Ⅰ+11级增加至Ⅰ+13级，叶根槽采用T 形叶根；中压通流级数从原来的8级增加至9级，叶根槽采用T 形叶根。高中压通流部分动、静叶片采用强度好、动应力低、抗高温蠕变性能好的整体围带弯扭马刀叶型；汽轮机转子采用整锻转子，整锻转子无中心孔。采取有效措施增强高中压转子的稳定性；动静叶片采用先进的气动设计，优化叶型，提高每级通流效率。

改造前、后汽轮机高、中压缸通流部分剖面图分别如图2和图3所示。

图2 改造前机组高压缸剖面图

图3 改造后机组高压缸剖面图

对低压部分进行通流优化设计，针对根据机组冷端背压较高的特点，以及降低宽低负荷排汽损失的要求，末级采用排汽面积较小的915mm 长叶片。此外，合理增加通流级数以提高低压缸整体通流效率。低压通流级数从原来的2×2×7级增加至2×2×9级。改造前后低压缸剖面图如图4、图5所示。

图4 改造前机组低压缸剖面图

图5 改造后机组低压缸剖面图

4.2 抽真空系统改造

机组抽真空系统配备三台水环真空泵，二运一备方式（水环式真空泵A、C 运行，水环式真空泵B 备用）。改造后，机组正常运行时由2套高效罗茨真空泵组维持机组真空，抽真空系统为两运三备方式（即2套罗茨真空泵组运行，三台水环式真空泵备用）。既可有效解决水环泵汽蚀、抽气性能下降的问题，同时通过减少过大的设计裕量，可以节电60%～80%。

4.3 冷却塔改造

冷却塔冷却性能对发电厂热力循环效率有重要影响[5-8]，针对冷却塔冷却能力下降的问题，对冷却塔实施风水匹配强化换热整体改造，结合现场实测数据对冷却塔进行超高网格网CFD 数值计算，对冷却塔内空气动力场、水温场、湿度场进行实测和计算；把淋水填料的热力和阻力特性纳入计算模型；不断组合淋水填料高度及半径配比以找到一组最优数据。

4.4 阀门内漏治理

根据对机组热力系统的摸底排查，机组阀门内漏现象较为严重。针对摸底试验中发现的内漏阀门，采取重点治理策略，提高热力系统运行的经济性。

5 改造效果

改造后，对机组进行性能考核试验，表2为机组THA 工况主要技术指标。

表2 改造前后THA 工况主要技术指标

从表2得出，机组改造后各项性能指标优于改造前，供电煤耗由改造前的307g/kWh 降低到294g/kWh，年可节约标煤2.64万t，可减少CO2排放7.76万t，减少SO2排放0.24万t，减少NOx 排放0.11万t，节能减排效果显著。

6 结语

通过全面的摸底试验，分析600MW 超临界直流机组存在的问题，经过对先进改造技术调研、方案比选，提出适合本机组的节能提效改造方案并实施，改造后锅炉效率提升，汽机热耗明显降低，有效降低了机组供电煤耗，达到“60万kW 及以上机组改造后平均供电煤耗达到300g/kWh”的要求，不仅提升电厂的技术装备水平和竞争力，也为同类型机组改造提供借鉴。