300 MW亚临界汽轮机通流改造研究

2020-07-29徐星

发电设备 2020年4期

徐星

(国电科学技术研究院有限公司，南京 210046)

当前，燃煤发电企业面临着经济增长方式转变、市场竞争、资源约束、环境保护等多方面的严峻挑战[1-2]。为实现节能减排约束性目标，政府制定了相关的政策措施，鼓励和支持发电企业进行节能减排的技术改造，采用节能环保的新设备、新工艺、新技术[3]。为了适应新形势，确保机组效率高、经济效益好，进一步提高竞争力，某厂300 MW亚临界机组计划实施汽轮机通流改造项目。

我国300 MW亚临界汽轮机主要是通过对早期引进机型进行逐步消化吸收和国产优化改进等来不断提升性能和效率。2014年以来，随着技术不断升级，汽轮机主要制造商结合当前机组运行特点，采用最新技术对300 MW亚临界汽轮机进行通流改造，改造后机组性能大幅提升，取得了良好效果[4]。笔者通过分析该厂300 MW亚临界汽轮机存在的主要问题，比较全面通流改造与部分通流改造两种方案的技术指标，针对通流改造中存在的问题提出建议，为今后汽轮机通流改造工作提供参考。

1 机组概况

该厂装机2台300 MW机组，分别于2005年、2006年投入商业运营。汽轮机为亚临界、中间一次再热、两缸两排汽、凝汽式汽轮机，型号为N320-16.7-537/537。

目前，2台机组(1号、2号机组)汽轮机高、中、低压缸效率下降较大，已远低于原设计值，通过常规大修难以恢复其经济性能，汽轮机中、低负荷经济性下降幅度更大，无法满足当前深度调峰的经济性要求。以1号机组汽轮机为例，最近一次大修后性能试验结果见表1。

表1 1号机组汽轮机最近一次大修后性能状况

THA工况时，修正后热耗率比设计值7 905 kJ/(kW·h)高395 kJ/(kW·h)。机组热耗率偏高，主要原因是汽轮机本体性能下降。中、低负荷热耗率较设计值偏差较大，通流改造兼顾额定负荷经济性的同时要重点关注中、低负荷运行经济性。

经测算，机组额定负荷工况修正后供电煤耗较国家要求的310 g/(kW·h)偏高约20 g/(kW·h)，机组供电煤耗指标与国家要求差距较大，主要问题在于汽轮机本体经济性下降导致机组热耗率偏高，迫切需要进行汽轮机通流改造。

2 通流改造调研

2.1 常规通流改造

目前，国内制造厂家在通流改造方面技术日益先进、成熟。上海汽轮机厂(简称上汽)运用整体通流设计技术实现了亚临界汽轮机技术改造升级，如上海外高桥发电厂3号和4号机组、华能阳逻电厂1号和2号机组等。东方汽轮机厂(简称东汽)利用第三代优化叶型、采用新结构、优化热力系统等先进技术对已投运亚临界300 MW及600 MW机组进行通流改造，实现了国内汽轮机设计技术的飞跃，如国华三河电厂3号和4号机组等。哈尔滨汽轮机厂(简称哈汽)利用现代设计技术研发设计了新一代亚临界300 MW、600 MW机组，并对在役亚临界300 MW机组进行了技术改造升级，并于2015年底完成亚临界600 MW大唐七台河电厂4号机组的通流技术升级。ALSTOM由众多公司不断合并重组演变而来，其融合了ABB、TOSHIBA、GE等知名公司的先进技术，近几年，ALSTOM改造的300 MW亚临界机组为深圳妈湾电厂3号和4号机组等。

对同机型已改造的A厂、B厂汽轮机通流改造后的性能进行调研，结果见表2。

表2 部分汽轮机通流改造后性能状况

从表2可以看出：经过通流改造后，各台机组热耗率都有大幅下降，在THA工况下，热耗率约为7 900 kJ/(kW·h)，较当前300 MW亚临界机组平均热耗率(8 200～8 400 kJ/(kW·h))有了明显改善，煤耗降低显著；在75%THA工况下，各台机组热耗率可达 7 950～8 050 kJ/(kW·h)，较当前300 MW亚临界机组平均热耗率(8 300～8 500 kJ/(kW·h))有了明显改善，煤耗降低显著。

2.2 提参数通流改造

目前，单提主蒸汽温度或再热蒸汽温度的改造项目没有实施案例。300 MW亚临界双提温改造机组已投产的有东汽安阳改造项目。上汽300 MW亚临界提参数改造机组已投产的有谏壁改造项目。ALSTOM目前没有亚临界提参数改造的工程案例。

除常规通流改造范围外，汽轮机侧改造涉及高压进汽阀、中压进汽阀、旁路系统，锅炉侧改造涉及高温过热器(简称高过)、高温再热器(简称高再)、顶棚受热面以及相应的集箱受热面管夹等。与常规通流改造相比，提参数通流改造增加的成本主要来自锅炉系统改造，总体改造成本大幅增加。目前，机组年运行时间不断下降，延长了亚临界机组提参数改造的投资回收期，进一步增加了投资风险。

常规通流改造范围不大，投资相对较小，因此目前绝大多数的改造都是常规通流改造。单提温改造、双提温改造的改造范围扩大到阀门、锅炉受热面、热力系统等，收益比常规通流改造要好，但是投资也比较大。随着机组年运行时间不断降低，投资风险增大。

当前我国已经具有了自主设计、制造大型发电机组的能力，国内汽轮机制造厂以及ALSTOM具有丰富的通流改造经验，其通流改造技术成熟、应用广泛、安全可靠。改造后，机组热耗率降低、发电功率增加，具有明显的经济效益、社会效益和环保效益。上汽、东汽、哈汽、ALSTOM等汽轮机改造厂家技术成熟、先进，各有特点。对于300 MW亚临界机组通流改造，上汽、东汽有较多业绩。

3 通流改造技术路线

研究对象机组运行时间已超过10 a，机组老化导致性能下滑明显，虽经过历次大修和节能改造，机组热耗率暂时有所降低，但持续时间不长且效果有限。由于原通流设计技术相比目前先进技术落后，而且经过多年的发展，国际和国内整体工业技术得到了提升，各设备制造商的技术也达到了新的水平，利用当代的通流设计和机械制造水平，对现役机组进行通流改造是提高机组经济性的重要方法，通过通流改造可以大幅提高机组的经济性与安全性。通流改造技术路线有以下几点：

(1) 先进的通流设计技术和体系，提高汽轮机通流效率和变负荷适应性。

①采用先进的静、动叶型线，降低叶型损失。

②优化反动度沿叶高的分布，使静、动叶间的能量转换达到最优。

③采用最佳速比设计提高通流级效率。

④采用优化设计的末级叶片。

(2) 先进的本体结构优化设计，提升汽轮机经济性和安全性。

①优化设计高、中、低压内缸结构，消除内缸变形带来的内漏问题。

②优化进汽和排汽流道，降低进、排汽压损。

(3) 采用先进汽封结构，降低漏汽损失。

(4) 在工艺、采购、制造、检验等生产环节采用先进的质量改进措施和质量管控体系，保证产品质量。

(5) 改造后机组在THA工况应该能达到高压缸效率不低于87%，中压缸效率不低于93%，低压缸效率不低于88.5%的目标。

4 方案分析

根据改造范围差异，通流改造可以分为部分通流改造和全面通流改造，部分通流改造对机组的经济性提升有限，全面通流改造效果明显。

4.1 技术方案对比

全面通流改造方案以机组安全可靠性为前提，采用先进通流改造技术，对高中压缸及低压缸进行全面优化改造，利用汽轮机通流现代化改造的成熟技术，达到节能降耗、提高经济性的目的。

部分通流改造方案，即根据全面通流改造中高中压缸通流改造的技术和措施，仅对汽轮机高中压缸进行通流改造，低压缸不做通流改造。

对全面通流改造方案和部分改造方案进行技术对比，结果见表3。

4.2 性能指标对比

对全面通流改造和部分通流改造方案的经济指标进行比对，结果见表4。

表4 两种改造方案经济指标对比

由表4可以看出：全面通流改造方案的THA工况热耗率和加权工况热耗率均较部分通流改造方案的热耗率低120～130 kJ/(kW·h)。以现有锅炉效率93.5%、厂用电率5%计算，全面通流改造后预计供电煤耗率达310 g/(kW·h)，部分通流改造后预计供电煤耗率达315 g/(kW·h)。因此，全面通流改造方案更能满足机组性能指标要求。