亚临界600 MW直接空冷机组通流改造方案分析

曹 照，于天群

（1.武乡西山发电有限责任公司，山西 武乡 046300；2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

0 引言

目前，国内亚临界600 MW直接空冷机组普遍运行经济性较差，机组热耗率较同级别湿冷机组普遍偏高约4%～5%，高、中、低压缸效率一般为87%～88%、93%～94%、89%～92%。由于受设计加工制造水平、安装技术水平和空冷系统性能影响，投产后多数机组达不到设计值，热耗率偏高，机组的运行经济性达不到国家节能减排政策的要求。对于在役机组而言，汽轮机通流部分改造技术是提高机组运行经济性的一项重要措施[1-2]。

1 600 MW直接空冷机组运行现状

某发电公司2台600 MW汽轮机是利用西屋技术设计制造，型号为NZK600-16.5/538/538，高、中压合缸布置，单轴四排汽。调节级采用冲动式，其他级采用反动式，通流级数39级，分别于2006年10月、2017年1月投入运行。其中2号机组于2013年首次大修后进行了热力性能试验。

3调节阀全开工况 VWO（valve wide open）下，参数修正后的热耗率是8367.7 kJ/（kW·h），比设计值 8045.9 kJ/（kW·h） 高 321.8 kJ/（kW·h），相对高4%；高压缸效率为84.7%，比汽轮机热耗考核工况THA（turbine heat acceptance） 工况设计值87.3%低2.6%；中压缸名义效率为91.78%，比THA工况设计值93.69%低1.91%；低压缸效率约86%左右，比THA工况设计值低4%。

试验结果说明2号机组各缸效率明显偏低，经济性较差。从机组设计特点及国内同类型机组运行的实际情况分析，影响该型机组经济性的主要因素有以下几方面。

a）高、中压通流各级焓降分配不合理，级内损失大，通流效率偏低。

b）静叶、动叶气动特性不佳。

c）高压喷嘴组通流面积偏大，调节级焓降偏大，效率低。

d）动静间隙偏大，汽封、轴封泄漏量偏大，漏汽损失大。

e）高压内缸、隔板套等部件存在变形，泄漏量大。

2 汽轮机通流改造的必要性

a） 按照煤电节能减排升级与改造行动计划（2014年—2020年） 要求，到2020年，2台发电机组平均供电煤耗要达到332 g/（kW·h）。

b） 火电市场竞争激烈，经济调度已是大势所趋。

c） 机组发电小时数下降，企业经营压力巨大。公司2014年至2016年发电利用小时数分别是5004 h、3571 h、3760 h，发电设备利用小时数远达不到设计的5500 h。

d）国家鼓励进行汽轮机节能提效技术改造。

因此，2台600 MW直接空冷机组非常有必要进行通流改造以降低能耗指标，适应市场需要。

3 600 MW直接空冷通流部分技术改造方案

3.1 改造原则

a）汽轮机通流部分采用目前先进的三元流设计技术，以提高设备长期安全运行的可靠性、经济性。

b） 不改变汽轮机机组的外形尺寸和旋转方向，外缸支撑方式不变。

c）各轴承座安装位置和安装方式不变。

d）不改变汽轮机与发电机的接口，汽轮机各管道接口与位置不变。

e）不改变机组的热力系统。

f）改造后汽轮机的轴向推力满足各工况安全运行的要求。

g）机组的基础不变，改造后基础负载基本不变，设备满足现场安装要求。

h）尽可能利用原设备，减少改造量。

3.2 改造范围

3.2.1 高、中压部分

更换高压转子、中压转子、高压喷嘴室、喷嘴组、高中压内缸、静叶内环、高中压各级动叶片、高中压各级隔板（含静叶）、高中压隔板汽封、围带汽封、高中压轴封、高中压平衡活塞汽封以及其他零部件。3.2.2 低压缸部分

更换低压转子、低压内缸、低压各级动叶片、低压各级隔板（包括静叶）、低压隔板汽封、围带汽封、低压轴封、低压进排汽导流环、中低压连通管（含供热抽汽蝶阀）及其他零部件。

3.3 先进技术和措施

a）高中压采用新型高压内缸结构，可减少汽缸水平中分面漏汽、轴向定位面的漏汽。

b）对高中压内缸进汽结构、调节级蒸汽室和排汽端进行优化，减少流动损失。

c）对通流汽封间隙进行调整，采取小间隙汽封技术。

d）低压内缸采取整体铸造结构，优化低压排汽导流环，减少排汽损失。

e）采取热压整体弯头形式的连通管结构，降低管道损失。

f）采用安全高效的680 mm末级叶片。

3.4 改造方案

3.4.1 高中压部分

a）更换高中压动叶为反动式叶片，预扭装配方式。采用多级汽轮机全三元流气动热力设计，叶片采用气动性能更加先进的的型线技术，实现动静叶之间的最佳气动匹配，可有效降低叶片的叶型损失。该叶片适用于亚临界600 MW直接空冷机组的改造，高压通流级数由改造前的I+8级变为I+12级；中压通流级数由改造前的6级变为8级。通过对高中压通流设计的优化，高压缸效率可达到87.4%。

b）为了减少高压内缸配合面的漏汽损失，增设了密封键结构。

c）叶型功角适应范围广，提高了机组变负荷运行的经济性。

d）采用新型装配式调节级喷嘴组。高压调节级运行环境恶劣、设计难度大，调节级效率普遍偏低；改造时，要同时考虑增加100%容量汽动给水泵对改造的影响，除保证足够的通流能力外，应避免发生改造后出现出力不足的问题。

3.4.2 低压部分

a）原低压外缸全部由钢板焊接而成，设计是3层缸结构，运行一段时间后发生内缸变形，结合面漏汽大。本次改造保留外缸不变，采用新型设计的铸造低压内缸和两级隔板套结构替换原来的两层内缸，同时采用自密封型缸体构造技术，保证低压内缸良好的刚性和密封性。

b）低压动叶片采用多级汽轮机全三元流气动热力设计，叶片采用气动性能更加先进的的型线技术，优化机组低压气动性能。通流级数与改造前一样。

c）采用新型旋压式一体成型排汽导流环，能够避免原拼焊结构排汽导流环变形问题，保证实际导流环与设计结构基本保持一致。

3.4.3 采用预扭装配式隔板（静叶栅）技术

原高、中、低压隔板采用焊接式，存在由于焊接和焊后热处理带来的叶片变形，有焊接缺陷，隔板静叶内环之间膨胀缝光洁度差，影响通流效率。先将隔板静叶栅按照预留紧力要求进行装配，组装好后按要求加工，能够保证流道光洁，提高机组效率，也便于静叶片的拆装更换。

3.4.4 采用小间隙汽封技术

为了降低叶顶漏汽损失，叶顶汽封采用新材料工艺，该材料既耐磨损又不损伤叶顶围带表面。该汽封在汽轮机启动过程中允许同转子摩擦，而不会造成汽轮机振动过大。改进后的叶顶汽封间隙较原设计值减少0.3～0.4 mm。

3.4.5 中压和低压连通管采用热压弯头式

原中低压连通管弯头、导流叶栅均是焊接结构，存在气流流动阻力大、压损大、焊接后残存应力大导致导流叶栅断裂，断裂的导流叶栅会进入低压缸，进而损伤动静部件的问题。本次改造考虑供热抽汽需要的抽汽接口采用热压弯头式连通管，转角处采用圆弧弯管形式，与传统直角过渡形式比较，可以有效降低蒸汽流动损失，提高效率，也可以解决由于抽汽引起的振动问题。

3.4.6 采用680 mm末级叶片

原低压末级叶片为620 mm，现改造为680 mm末级叶片，可降低叶型损失，保证动静叶片合理匹配，末级变工况气动性能良好；静叶为弯扭后加载叶型，动叶为自带冠凸台拉筋结构；拉筋、围带采用间隙装配，使叶片在工作中受到叶冠和拉筋间的摩檫力作用，该摩擦力具有阻尼减震作用；动叶材质选用抗衰减特性优良的0Cr17Ni4Cu4Nb材料，主要的防水蚀措施是激光固溶强化。

3.4.7 中压末级及次末级叶片设计

本次改造考虑供热抽汽的需要，需对中压缸排汽口前面的叶片强度进行设计校核。中压末级及次末级叶片，由于增加了抽汽，级后压力降低，焓降增加，增大了中压末级及次末级叶片承受的动应力，必须增加叶片的自身强度以保证叶片的安全运行。在保证一定的通流面积的基础上，合理选择叶片只数和叶根型线，满足叶片工作部分、叶根、轮缘的强度要求，在增加级数后，为保证轮缘强度，增加了末三级叶轮的轴向宽度。

3.4.8 其他相关设备系统改造

a）给水系统。每台机组原配置3台50%容量电动调速给水泵，计划实施100%汽动给水泵改造，给水泵小汽轮机排汽排入主机空冷系统。

b）空冷系统。汽轮机通流改造设计时，在考虑空冷系统现状和已建设尖峰冷却系统的基础上，结合汽动给水泵改造，综合考虑设计通流改造方案，以获得最优的汽缸效率。

c）热工控制系统。按照设计要求对调整后的温度、压力测点进行改造。

4 600 MW直接空冷机组改造预期效果

600 MW直接空冷机组改造完成后，机组在额定负荷工况下热耗率可降低约240 kJ/（kW·h），可降低机组煤耗约10 g/（kW·h），经济性达到国内先进水平，节能效果显著。

5 结论

对于早期投运的亚临界600 MW直接空冷机组，受当时设计水平、加工制造工艺、安装技术水平的影响，机组效率普遍达不到设计值，能耗较大。为此，应用先进的三元流气动设计技术进行汽轮机通流改造，可以达到节煤、减排，提高可靠性和降低维修成本等多重效果，对保障机组安全、稳定、经济运行具有深远意义，经济收益和社会效益显著。