上汽300MW汽轮机通流节能优化改造

　　摘要：大唐淮南洛河发电厂#4机组为上海汽轮机厂早期生产引进型300MW双缸双排汽凝汽式汽轮机组，投产以来一直存在效率低、煤耗高的问题。文章阐述了该型300MW汽轮机通流节能优化改造的必要性，通过优化改造后，机组热耗率较改造前降低409kJ/kWh，相应供电煤耗较改造前降低13.9g/kWh，年节约标煤2万吨，二氧化碳减排约3.3万吨。
　　关键词：300MW汽轮机；通流节能优化；供电煤耗；热耗率；双缸双排汽凝汽式汽轮机组 文献标识码：A
　　中图分类号：TK269 文章编号：1009-2374（2016）12-0080-03 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.12.038
　　大唐淮南洛河电厂#4机组为上海汽轮机厂生产N300-16.7/538/538型亚临界、一次中间再热、双缸双排汽、单轴、反动式、凝汽式汽轮机。机型代号H156，该型汽轮机的设计属于美国西屋公司20世纪80年代的设计水平，受当时设计技术、设计手段、制造加工能力和临时改型等因素的影响，效率相对低下，汽轮机热耗偏高。机组虽经历多次大、小修，但受先天结构条件制约，低效率高热耗问题并未得到有效改善。随着电力供求矛盾的逐步缓减、大容量机组的不断投运以及国家环保形势的发展，节能减排受到越来越多的关注，高能耗燃煤发电企业的生产经营压力越发严峻，同时也严重制约了企业的发展。为响应国家节能减排战略号召，实现企业的可持续性发展，大唐淮南洛河发电厂通过充分调研分析及论证，实施了#4机组上汽引进型300WM汽轮机节能优化改造工程。
　　1 机组运行现状及原因分析
　　1.1 机组运行现状
　　1.1.1 高中压缸各监视段运行参数：#4机组在THA工况下，调节级后压力为12.46MPa，远低于出厂设计值，高压缸排汽压力为3.98MPa，已接近制造厂极限设计值，高压缸*七压力级后抽汽温度为404.57℃，高压缸排汽温度为335.18℃，中压缸排汽温度为343.67℃，高中压缸1～4段抽汽压力、温度参数普遍**标，温度较高偏差为21℃，数据表明高中压缸效率明显偏低。
　　1.1.2 低压缸各监视段运行参数：五段抽汽温度为257℃，偏高23℃；六段抽汽温度为185.48℃，偏高43℃，数据表明低压缸效率也不理想。
　　1.1.3 根据安徽电科院#4机组改造前性能试验结果。
　　由试验数据看出，改造前机组高、中压缸效率明显低于制造厂设计值，中压缸效率受过桥漏汽影响，效率测量结果相对于真实值偏高。机组热耗值偏大，经济性不佳。
　　1.2 原因分析
　　通过对上汽H156机型300MW汽轮机结构设计分析，造成经济性能不佳的原因主要有以下八点：
　　1.2.1 调节级为反流布置，流动阻力大，效率低。高压部分调节级与高压压力级蒸汽流向相反，存在反流损失和绕流损失；高压部分级数布置较少为11级，焓降分配不合理。
　　1.2.2 汽轮机的全部34级动叶片，除低压缸末三级为扭转叶片外，其余均为直叶片，叶片效率低。该设计完成于20世纪70、80年代，虽然采取可控涡理论进行设计，但受设计手段和工具的限制，其热力设计水平现在看来已比较落后，设计不准确，其高、中、低压缸效率明显低于设计值。
　　1.2.3 汽缸、叶片持环变形。由于同型汽轮机均存在高中压缸上、下缸温差和变形大，导致汽缸结合面漏汽和通流部分径向汽封磨损，使汽轮机的热力性能下降。
　　1.2.4 汽轮机的动叶片采用的均是铆接围带，铆钉头凸出叶片围带，动叶叶**汽封齿数少，汽封间隙大。由于结构设计、安装及老化等原因，高压进汽插管高、中压中间部分轴封、高压缸夹层蒸汽泄漏量较大，也是导致汽轮机经济性能差的原因。
　　1.2.5 低压#1、2静叶持环变形严重，低压缸漏汽，影响机组的真空严密性。
　　1.2.6 高中压持环及汽缸变形大，“空扣缸”汽缸中分面内张口大，本问题在同型机组中普遍存在。
　　1.2.7 通流汽封间隙大。反动式机组的反动度高，动叶片前后的压差大，同样的汽封间隙下，漏汽量更大，因此对汽封间隙调整的要求更高。
　　1.2.8 汽封形式为传统的疏齿汽封结构。高中压合缸机组的中间过桥汽封漏汽对机组的经济性影响很大。一方面，为了减少漏汽，又要求汽封间隙尽量小；另一方面，此处是转子挠度较大的地方，为了保证机组顺利启动及运行安全，汽封间隙不能过小。如果采用先进的汽封型式能更好地实现二者的平衡。
　　2 改造节能优化方案选择及设计技术特点
　　2.1 改造优化方案选择
　　通过对目前国内各制造厂家所提出的改造方案进行调研分析，结合#4机组运行中突显出的各种问题，在充分考虑改造投资成本的基础上，决定采用高中压缸通流部分全部改造更换，将成本较高的低压转子保留（低压转子不换），但同时为了较大化地提高效率，将对低压叶片进行改造更换。
　　2.2 设计技术特点
　　针对上汽引进型300WM汽轮机组运行中所暴露出的影响效率的各种因素，在此次改造方案的设计阶段得到了充分考虑，并制定了相应的优化措施。其设计技术特点：
　　2.2.1 调节级优化。调节级动叶改为顺流布置结构，提高机组效率。调节级的性能对汽轮机整体效率以及出力具有较大影响。由于调节级叶片展弦比较小，二次流损失非常严重。子午面收缩可以降低叶栅通道前部的气动载荷，减小二次流损失。采用非定常设计技术对收缩子午面调节级叶栅的收缩规律、动静叶型匹配、轴向间距和叶片只数进行优化，提高调节级效率。
　　2.2.2 优化叶片型线及通流布局。将百万等级机组的先进技术应用到改造和设计中，如：采用百万机组先进的通流积木块进行设计；高中压通流叶片采用3DV叶片及变反动度设计（30%～60%）以提高通流效率；高压除调节级外，共有13级压力级（原11级），中压共10级（原9级），优化高中压各级叶片焓降分配，以获得更加平稳的热效率曲线，提高了级效率；采用弯扭联合成型静叶栅可以比直叶片的损失降低25%以上，从而提高汽轮机的级效率1%左右。
　　2.2.3 采用无中心孔整锻转子。转子更换为不带中心孔的整锻转子，大幅提高转子强度，改造后可取消中速暖机，缩短了65%的启动时间，提高了机组运行灵活性和调峰能力。
　　2.2.4 采用虾米弯中低压连通管。采用虾米弯及不锈钢波形膨胀节技术，提高效率及提高机组运行的安全可靠性，解决机组启停过程及运行中的膨胀补偿问题。
　　2.2.5 汽封。高中压通流各级汽封均采用较先进的1000MW机组设计理念，在转子上增设了多齿汽封，与隔板汽封形成多齿迷宫式汽封，大大降低了级间漏汽。各级动叶片**部增加径向汽封齿齿数，中压各级动叶片围带加工成带有凸台的结构，与高低齿围带汽封相配合。高中压缸、低压缸端部均采用刷式汽封；平衡活塞汽封采用布莱登汽封。
　　2.2.6 叶片的强度设计和振动设计。高中压缸叶片材料采用X19CrMoNbVN1和X20Cr13。动叶都为自带冠叶片，在工作转速条件下形成整圈联接，增强叶片的刚度，动应力水平小，彻底消除铆接围带存在的由磨损导致的围带脱落隐患，运行安全可靠。在叶片的振动方面，对叶片的振动特性进行优化设计，叶片具有更大的共振安全裕度。
　　2.2.7 结构优化。改造方案中对主要静止部件结构也进行了优化，进一步提高机组经济型，如高压内缸与持环及高压平衡活塞采用积木块设计，制作成整体缸，减少漏汽；低压内缸采用单层缸结构，增强缸的强度，减少运行过程中的变形等。
　　2.2.8 进汽和抽汽插管的结构改进。高压进汽插管和一抽抽汽插管的密封原设计采用的是“钟形罩”密封结构和活塞环密封结构，弹性密封圈的圈数少，多数机组有装反、压碎、弹性差、偏心和接触不良等问题，导致蒸汽泄漏量大。对原设计进行改进，采用新式堆叠式密封结构，并增加密封环圈数，以解决蒸汽泄漏问题。
　　3 改造后节能优化效果分析
　　2014年3～4月，结合#4机组大修，对汽轮机通流节能优化改造工程进行了实施，为了验证机组改造优化后的热力性能指标，特委托安徽省电科院依据《汽轮机热力性能验收试验规程》（GB 8117.2-2008）并参照美国机械工程师学会《汽轮机试验规程》（PTC6-ASME），对改造后#4机组进行了热力性能试验。其试验结果如下：
　　由试验数据看出，改造优化后高、中压缸效率分别为87.53%和93.20%，均达到制造厂设计值要求，较改造前分别提高了2.19%和0.92%。需要说明的是大修后，过桥汽封间隙经过调整，漏汽量减少，中压缸效率结果中的虚高成分相比改造前相应减少，机组热耗率7981kJ/kWh，较改造前降低了409kJ/kWh，除去高、中压缸效提升对热耗率的影响，可明显看出在此次改造优化中，低压缸效率得到了大幅度提升，相应供电煤耗较改造前降低13.9g/kWh，年节约标煤2万吨，二氧化碳减排约3.3万吨，二氧化硫排放约减少480吨、NOX排放减少约119吨，机组经济性及环保指标均得到较大改善。
　　4 结语
　　大唐淮南洛河发电厂通过对#4机组汽轮机通流节能优化改造，基本解决了该机型先天设计所存在的问题，其改造节能效果十分明显，机组经济性和安全性均得到了大幅提高，改善了机组环保指标，进一步提高了企业在燃煤发电企业当中的竞争力，同时为企业节能减排做出了贡献，在同类型机组当中具有一定的推广价值。
　　参考文献
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　　[2] 朱新华.电厂汽轮机[M].北京：中国电力出版社，2000.
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　　[4] 张贵杰，等.大唐淮南洛河发电厂4号机大修前热力性能试验报告[R].安徽新力电业科技咨询有限公司，2014.
　　[5] 张贵杰，等.大唐淮南洛河发电厂4号机大修后热力性能试验报告[R].安徽新力电业科技咨询有限公司，2014.