張繼紅，杜文斌，趙 杰，張朋飛

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600 MW等級(jí)超臨界汽輪機(jī)通流改造綜述

張繼紅，杜文斌，趙 杰，張朋飛

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)改革的深入和節(jié)能減排要求的提高，近年來(lái)600 MW等級(jí)超臨界汽輪機(jī)通流改造技術(shù)發(fā)展迅速。本文介紹了國(guó)內(nèi)、外超臨界汽輪機(jī)組的改造發(fā)展歷程，對(duì)比了主要廠家通流改造方案的技術(shù)特點(diǎn)，從經(jīng)濟(jì)性、可靠性兩方面對(duì)已經(jīng)完成的600 MW等級(jí)超臨界汽輪機(jī)通流改造項(xiàng)目的效果進(jìn)行了比較，并與國(guó)外超臨界汽輪機(jī)進(jìn)行了對(duì)標(biāo)，在此基礎(chǔ)上對(duì)通流改造下一步工作提出了建議。結(jié)果表明：600 MW 等級(jí)超臨界汽輪機(jī)通流改造技術(shù)成熟，改造后汽輪機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性得到顯著提高；與國(guó)外同類型機(jī)組相比，國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)組經(jīng)濟(jì)性已接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

600 MW等級(jí)；超臨界；汽輪機(jī)；通流改造；深度調(diào)峰；經(jīng)濟(jì)性；可靠性

我國(guó)自20世紀(jì)90年代開始引進(jìn)超臨界600 MW機(jī)組，此后通過(guò)逐步消化吸收，基本掌握了超臨界機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行、檢修技術(shù)。受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)水平、設(shè)計(jì)手段和制造加工工藝的限制，目前國(guó)內(nèi)在役的600 MW等級(jí)超臨界汽輪機(jī)普遍存在通流部分效率低、熱耗率高、主要性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)值的偏差較大等問題，嚴(yán)重影響了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，國(guó)家《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》明確要求：到2020年，現(xiàn)役600 MW等級(jí)及以上機(jī)組的供電煤耗必須低于300 g/(kW·h)[1]。特別是近年來(lái)國(guó)內(nèi)發(fā)電機(jī)組有效利用小時(shí)數(shù)不斷降低，600 MW等級(jí)機(jī)組平均負(fù)荷系數(shù)持續(xù)下降，并且需要參與經(jīng)常性調(diào)峰。因此，對(duì)600 MW等級(jí)超臨界汽輪機(jī)進(jìn)行有針對(duì)性的提效改造對(duì)提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，降低國(guó)內(nèi)煤電機(jī)組總體能耗水平具有重要意義。

近年來(lái)隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，國(guó)內(nèi)陸續(xù)有40多臺(tái)600 MW等級(jí)超臨界汽輪機(jī)完成了通流部分技術(shù)改造，使經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著提升。目前，相關(guān)文獻(xiàn)主要側(cè)重于對(duì)國(guó)內(nèi)通流改造機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性研究。本文介紹了國(guó)內(nèi)、外超臨界機(jī)組改造發(fā)展歷程，從經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性對(duì)比了通流改造后效果，并對(duì)國(guó)內(nèi)、外同類型機(jī)組進(jìn)行了對(duì)標(biāo)分析，結(jié)合當(dāng)前火電機(jī)組靈活性運(yùn)行等方面提出了下一步工作建議。

1 國(guó)內(nèi)、外超臨界汽輪機(jī)改造歷程

1.1 國(guó)外超臨界汽輪機(jī)改造

超臨界發(fā)電技術(shù)開始于20世紀(jì)50年代，世界上第一臺(tái)超臨界汽輪機(jī)是1957年投產(chǎn)的美國(guó)Philo電廠6號(hào)機(jī)組[2]。歐洲超臨界汽輪機(jī)大多分布在德國(guó)、英國(guó)、意大利和丹麥[3-5]，其中德國(guó)是發(fā)展超臨界技術(shù)最早的國(guó)家之一，在20世紀(jì)50—60年代和美國(guó)同步地開展了超臨界汽輪機(jī)的研究工作。日本于20世紀(jì)60年代中期開始發(fā)展超臨界壓力機(jī)組，在吸收美國(guó)和歐洲技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)引進(jìn)、仿制、創(chuàng)新，發(fā)展成為超臨界汽輪機(jī)技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家。俄羅斯立足于國(guó)內(nèi)情況進(jìn)行超臨界汽輪機(jī)的研制，第一臺(tái)超臨界300 MW機(jī)組于1963年投運(yùn)[6-7]。

從20世紀(jì)80年代起，一方面由于早期投運(yùn)的超臨界汽輪機(jī)事故偏多、可靠性較低，且機(jī)組已運(yùn)行15~20年，經(jīng)濟(jì)性降低；另一方面由于材料技術(shù)的發(fā)展，汽輪機(jī)材料性能有了大幅度改進(jìn)，美國(guó)GE、西屋公司開始對(duì)已投運(yùn)的超臨界汽輪機(jī)進(jìn)行改造和優(yōu)化，開發(fā)形成了新的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，有效提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性、可靠性[8-10]。典型的案例為美國(guó)Zimmer電廠1號(hào)汽輪機(jī)，機(jī)組容量1 300 MW，蒸汽參數(shù)25.4 MPa/538 ℃/538 ℃，是世界上單機(jī)容量最大的超臨界機(jī)組之一，于1986年進(jìn)行了汽輪機(jī)高、中壓缸通流改造。國(guó)外600 MW等級(jí)及以上機(jī)組通流改造情況見表1。

表1 國(guó)外600 MW等級(jí)及以上機(jī)組通流改造情況

Tab.1 The flow path retrofit situation of 600 MW class units and above at abroad

隨著超臨界發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步和改造技術(shù)的成熟，以彎扭聯(lián)合成型全三維葉片為代表的第三代通流設(shè)計(jì)進(jìn)入工業(yè)化實(shí)用階段，更先進(jìn)高效的汽封技術(shù)被開發(fā)應(yīng)用，2000年以后在美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、澳大利亞等國(guó)家，超臨界汽輪機(jī)通流改造得到快速發(fā)展[11-14]，機(jī)組性能得到進(jìn)一步提升，改造后汽輪機(jī)熱效率可達(dá)到47%~48%。典型的案例有：1）美國(guó)Brayton Point電廠3號(hào)汽輪機(jī)，機(jī)組容量600 MW，蒸汽參數(shù)24.2 MPa/538 ℃/552 ℃/565 ℃，二次 再熱機(jī)組，于2011年進(jìn)行了高壓缸通流改造； 2）上文提到的美國(guó)Zimmer電廠1號(hào)汽輪機(jī)，于2012年又進(jìn)行了低壓缸通流改造；3）德國(guó)Boxberg電廠Q號(hào)汽輪機(jī)，機(jī)組容量908 MW，蒸汽參數(shù) 26.0 MPa/580 ℃/580 ℃，2001年投產(chǎn)時(shí)汽輪機(jī)熱效率約為48.5%，為當(dāng)時(shí)效率較高的汽輪機(jī)組之一，于2014年進(jìn)行了高壓缸通流改造。國(guó)外汽輪機(jī)通流改造的特點(diǎn)是，單次改造一般只在部分缸體上實(shí)施，很少高、中、低三缸同時(shí)進(jìn)行改造。

1.2 國(guó)內(nèi)超臨界汽輪機(jī)改造

國(guó)內(nèi)超臨界汽輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)主要是通過(guò)對(duì)引進(jìn)機(jī)型消化吸收和國(guó)產(chǎn)優(yōu)化改進(jìn)發(fā)展而來(lái)。1992年我國(guó)引進(jìn)的首臺(tái)600 MW超臨界汽輪機(jī)在華能國(guó)際電力股份有限公司上海石洞口第二電廠（華能石洞口二廠）投入商業(yè)運(yùn)行，其后又經(jīng)過(guò)了多年的引進(jìn)、吸收和優(yōu)化，2005年我國(guó)首臺(tái)國(guó)產(chǎn)化600 MW超臨界汽輪機(jī)在華能沁北發(fā)電有限責(zé)任公司（華能沁北電廠）投入商業(yè)運(yùn)行。隨著我國(guó)電力設(shè)備制造水平的整體提升和超臨界技術(shù)的研發(fā)進(jìn)步，我國(guó)超臨界機(jī)組發(fā)展迅速，近幾年國(guó)內(nèi)新增燃煤裝機(jī)容量絕大多數(shù)為超臨界和超超臨界機(jī)組。截至2017年底，國(guó)內(nèi)現(xiàn)役的超臨界及以上參數(shù)機(jī)組共約480臺(tái)。

國(guó)內(nèi)超臨界汽輪機(jī)通流改造的發(fā)展與超臨界汽輪機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步密切相關(guān)。最早，華能石洞口二廠分別在1996年、2010年對(duì)2、1號(hào)汽輪機(jī)進(jìn)行了低壓缸通流改造嘗試，取得了預(yù)期的效果。其后，在2012—2014年間，浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司（蘭溪電廠）、淮浙煤電有限責(zé)任公司鳳臺(tái)發(fā)電分公司（鳳臺(tái)電廠）、浙江浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司（樂清電廠）進(jìn)行了首批國(guó)產(chǎn)600 MW等級(jí)超臨界汽輪機(jī)整體通流改造，改造后汽輪機(jī)熱耗率可達(dá)到7 620 kJ/(kW·h)左右，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性明顯提升。隨著國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)技術(shù)的研發(fā)改進(jìn)，新型低壓斜撐內(nèi)缸[15]、360°蝸殼進(jìn)汽結(jié)構(gòu)、排汽導(dǎo)流環(huán)優(yōu)化[16]、小間隙汽封等先進(jìn)技術(shù)在超臨界機(jī)組通流改造中得到不斷應(yīng)用。近2年來(lái)，平頂山姚孟發(fā)電有限責(zé)任公司（姚孟電廠）、國(guó)電豐城發(fā)電有限公司（豐城電廠）、阜陽(yáng)華潤(rùn)電力有限公司（阜陽(yáng)電廠）、浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司（烏沙山電廠）等多臺(tái)超臨界汽輪機(jī)陸續(xù)完成了通流改造，改造后機(jī)組熱耗率可達(dá)到7 550 kJ/(kW·h)左右，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性、可靠性均得到進(jìn)一步提高。

隨著國(guó)家節(jié)能降耗要求的不斷提高和發(fā)電機(jī)組的有效利用小時(shí)數(shù)不斷降低，早期投產(chǎn)的超臨界機(jī)組，甚至部分超超臨界機(jī)組通流改造的需求也更加迫切，很有必要對(duì)已經(jīng)完成的超臨界機(jī)組通流改造工作進(jìn)行梳理、總結(jié)，為其他發(fā)電企業(yè)實(shí)施同類型機(jī)組通流改造提供參考。

2 在役600 MW等級(jí)超臨界汽輪機(jī)存在問題

600 MW等級(jí)超臨界汽輪機(jī)存在的主要問題是經(jīng)濟(jì)性較差，與設(shè)計(jì)值的偏差較大。濕冷機(jī)組熱耗率設(shè)計(jì)值7 510~7 550 kJ/(kW·h)，試驗(yàn)實(shí)際測(cè)量 值7 720~7 850 kJ/(kW·h)，比設(shè)計(jì)值偏高200~ 300 kJ/(kW·h)。造成上述情況的主要原因?yàn)椋?）在未對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)的情況下，制造廠為更大程度爭(zhēng)取項(xiàng)目中標(biāo)，不斷壓低熱耗率設(shè)計(jì)值，設(shè)計(jì)值與機(jī)組實(shí)際性能偏差較大；2）早期的國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型汽輪機(jī)受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)水平和制造工藝的限制，汽輪機(jī)熱耗率較高。汽輪機(jī)設(shè)計(jì)方面存在的主要問題有：1）汽輪機(jī)葉片型線設(shè)計(jì)落后，葉型損失大，級(jí)效率低；2）通流級(jí)數(shù)偏少，各級(jí)焓降分配不合理，通流部分優(yōu)化不充分，汽輪機(jī)缸效率低[17-18]；3）高、中、低壓缸進(jìn)、排汽部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)老套，進(jìn)排汽損失大[19]；4）高中壓內(nèi)部套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)落后，內(nèi)部套數(shù)量較多，接合面較多，發(fā)生變形后內(nèi)漏嚴(yán)重；5）低壓內(nèi)缸產(chǎn)生變形，5號(hào)、6號(hào)抽汽溫度高于設(shè)計(jì)值；6）汽封間隙偏大，汽封系統(tǒng)漏汽量大。

3 600 MW等級(jí)超臨界汽輪機(jī)改造技術(shù)特點(diǎn)

3.1 高中壓整體內(nèi)缸

從在役機(jī)組運(yùn)行情況看，汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸變形、高壓內(nèi)缸與噴嘴室等靜止部件配合面泄漏、高壓進(jìn)汽插管泄漏等問題較為普遍。在汽輪機(jī)通流改造中，采用高中壓整體內(nèi)缸方案，高壓缸取消獨(dú)立的噴嘴室，將高中壓內(nèi)缸、噴嘴室、高壓靜葉持環(huán)整合為一體，進(jìn)汽插管焊接在高壓內(nèi)缸上，或優(yōu)化高壓內(nèi)缸與進(jìn)汽插管之間密封體[20-22]，通過(guò)上述措施有效減少接合面漏汽。

3.2 優(yōu)化低壓內(nèi)缸

改造前由于機(jī)組中低壓分缸參數(shù)高，低壓缸從入口到排汽口溫度梯度大，而原有的低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)不合理，機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后，多存在缸體變形 及5號(hào)、6號(hào)抽汽超溫等問題。在汽輪機(jī)通流改造中，S制造廠通過(guò)采用新型整體式單層斜撐低壓內(nèi)缸，抽汽室采用新型平行四邊形封閉腔室，使溫度梯度分布更均勻。D制造廠取消原來(lái)單獨(dú)的低壓進(jìn)汽室，將進(jìn)汽部分結(jié)構(gòu)整體焊接到低壓缸上，避免因裝配而帶來(lái)的蒸汽泄漏；取消中分面整體法蘭結(jié)構(gòu)，避免因法蘭為整板而產(chǎn)生的熱應(yīng)力及變形的情 況[23-24]。A制造廠在中分面抽汽口處增加螺栓，適當(dāng)加大螺栓的尺寸以防止漏汽。

3.3 優(yōu)化高壓調(diào)節(jié)級(jí)

調(diào)節(jié)級(jí)運(yùn)行工況復(fù)雜，約占整個(gè)高壓缸做功比例的20%，調(diào)節(jié)級(jí)效率對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性有顯著影響。目前在役運(yùn)行的超臨界機(jī)組普遍存在通流面積偏大、通流級(jí)數(shù)少、調(diào)節(jié)級(jí)單級(jí)焓降大、效率低的特點(diǎn)。在機(jī)組通流改造中，通過(guò)對(duì)機(jī)組的熱力部分進(jìn)行宏觀優(yōu)化調(diào)整，增加通流級(jí)數(shù)，合理選取調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴通流面積，減小調(diào)節(jié)級(jí)焓降，優(yōu)化噴嘴配汽[25]，綜合提升高壓缸效率。

3.4 優(yōu)化進(jìn)排汽結(jié)構(gòu)

進(jìn)排汽結(jié)構(gòu)型線的差異直接影響進(jìn)排汽流場(chǎng)及前幾級(jí)通流的均勻性，進(jìn)而影響汽輪機(jī)性能。對(duì)進(jìn)排汽部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)也是提高汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要措施。通過(guò)采用蝸殼進(jìn)汽、三段漸縮進(jìn)汽等技術(shù)，優(yōu)化高、中、低壓進(jìn)汽機(jī)構(gòu)及進(jìn)汽腔室型線，優(yōu)化低壓排汽導(dǎo)流環(huán)型線和擴(kuò)壓管型線，使進(jìn)排汽部分流場(chǎng)分布更加均勻，紊流度減小，蒸汽流動(dòng)更加順暢，流動(dòng)損失減小，缸效率提高。

3.5 低壓末級(jí)長(zhǎng)葉片技術(shù)

我國(guó)大容量機(jī)組長(zhǎng)期調(diào)峰運(yùn)行，在低負(fù)荷工況下，低壓段蒸汽容積流量顯著減小，容易造成低壓末級(jí)葉片根部倒吸，引起葉片出汽邊水蝕及葉片顫振，影響機(jī)組安全可靠性。為了保證機(jī)組在較寬的工況變化范圍內(nèi)保持較高的末級(jí)效率，末級(jí)葉片需要具有較好的工況適應(yīng)性。在汽輪機(jī)通流改造中，結(jié)合機(jī)組冷端現(xiàn)狀和負(fù)荷率優(yōu)化選取低壓末級(jí)葉片長(zhǎng)度，滿足機(jī)組經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性以及參與調(diào)峰靈活性要求。在600 MW等級(jí)超臨界汽輪機(jī)中，S制造廠主要采用1 050 mm或915 mm末級(jí)動(dòng)葉片，D制造廠家主要采用1 016 mm末級(jí)動(dòng)葉片，A制造廠主要采用940 mm末級(jí)動(dòng)葉片。

3.6 采用組合型式汽封方案

汽封作為汽輪機(jī)中限制蒸汽泄漏的必要部件，其性能的優(yōu)劣對(duì)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性均有影響。在汽輪機(jī)通流改造中，通過(guò)采用新型汽封以減少漏汽損失，提高機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性。DAS汽封、布萊登汽封、刷式汽封、蜂窩汽封、側(cè)齒汽封、接觸式汽封、小間隙汽封等多種型式的汽封技術(shù)均得到很好的應(yīng)用。各種不同型式的汽封，特點(diǎn)各不相同，適用的條件和范圍也不盡相同。在目前的汽輪機(jī)改造過(guò)程中，大多根據(jù)汽輪機(jī)不同部位選擇相適宜的不同型式汽封，這種組合型式汽封方案較單一型式汽封方案，能獲得更好的改造效果。

4 各制造廠通流改造方案

600 MW等級(jí)超臨界汽輪機(jī)通流部分改造中，由于技術(shù)路線不同，各制造廠采用的通流改造方案在本體結(jié)構(gòu)、通流部分、進(jìn)排汽部分以及汽封等部分均有所不同[26-28]。

4.1 S制造廠方案

1）采用小直徑、多級(jí)數(shù)的設(shè)計(jì)理念，適當(dāng)增加高、中、低壓通流級(jí)數(shù)。

2）動(dòng)、靜葉片采用彎扭馬刀型葉片，變反動(dòng)度，根據(jù)氣動(dòng)特性優(yōu)化各級(jí)的反動(dòng)度。

3）調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉采用自帶圍帶的三叉三銷三聯(lián)體葉片。

4）整體圍帶葉片，全切削加工。

5）全部采用T型葉根。

6）高中壓整體內(nèi)缸，原高壓內(nèi)缸、中壓內(nèi)缸、高壓靜葉持環(huán)等部件合并形成新的整體內(nèi)缸。

7）優(yōu)化高、中壓蒸汽室型線，采用滑入式噴嘴結(jié)構(gòu)。

8）新型整體式單層斜撐低壓內(nèi)缸，低壓內(nèi)缸抽汽室采用新型平行四邊形封閉腔室。

9）徑向隔板斜向布置。

10）三段漸縮低壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)，優(yōu)化進(jìn)汽腔室型線。

11）弱化水平中分面螺栓作用以減小缸體變形，在水平中分面處增加彈性密封鍵。

12）優(yōu)化低壓缸排汽導(dǎo)流環(huán)，提高靜壓恢復(fù)系數(shù)。

13）低壓末級(jí)采用1 050、915 mm長(zhǎng)葉片系列，根據(jù)電廠的實(shí)際負(fù)荷及背壓選擇適當(dāng)?shù)哪┘?jí)葉片。

14）通流部分隔板和葉頂汽封采用鑲片式汽封替換彈簧退讓式汽封，增加葉頂汽封齒數(shù)，平衡活塞處多采用布萊登汽封或刷式汽封，高中壓及低壓端部汽封采用蜂窩式汽封或刷式汽封，高、中壓進(jìn)汽插管密封形式由活塞環(huán)式結(jié)構(gòu)改為疊片結(jié)構(gòu)。

15）配合機(jī)組改造增容需求，對(duì)閥門口徑進(jìn)行放大，優(yōu)化閥門結(jié)構(gòu)。

4.2 D制造廠方案

1）采用小焓降、多級(jí)數(shù)、低根徑的設(shè)計(jì)理念，合理地增加通流級(jí)數(shù)，優(yōu)化通流級(jí)焓降分配。

2）動(dòng)、靜葉片采用彎扭全馬刀型葉片，后加載層流葉型，整體圍帶。

3）調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉采用四叉三銷三聯(lián)體葉片，雙層鉚接圍帶。

4）使用更高強(qiáng)度的葉片，優(yōu)化相對(duì)葉高，減小動(dòng)靜葉表面二次流損失。

5）采用邊界層抽吸技術(shù)，降低動(dòng)葉根部通道渦。

6）高壓缸動(dòng)葉采用菌型葉根，中壓缸動(dòng)葉采用縱樹型葉根，低壓缸前幾級(jí)采用菌型葉根，低壓末幾級(jí)采用叉形葉根。

7）高中壓整體內(nèi)缸，高壓缸取消獨(dú)立的噴嘴室，進(jìn)汽室與內(nèi)缸鑄為一體，進(jìn)汽插管焊接在高壓內(nèi)缸上。

8）優(yōu)化高壓、中壓進(jìn)汽腔室型線及進(jìn)汽部分結(jié)構(gòu)。

9）中壓第一級(jí)隔板采用雙支點(diǎn)設(shè)計(jì)，去掉原來(lái)的加強(qiáng)筋，取消中壓冷卻系統(tǒng)。

10）取消原來(lái)單獨(dú)的低壓進(jìn)汽室，將進(jìn)汽部分結(jié)構(gòu)整體焊接到低壓缸上，優(yōu)化低壓進(jìn)汽腔室型線。

11）取消低壓缸中分面整體法蘭結(jié)構(gòu)。

12）優(yōu)化高、中壓排汽缸結(jié)構(gòu)，優(yōu)化低壓排汽導(dǎo)流環(huán)型線和擴(kuò)壓管型線。

13）自帶冠動(dòng)葉，動(dòng)葉葉頂采用高低城墻齒密封系統(tǒng)，高、中、低壓端部汽封、隔板汽封處多使用DAS汽封，高中壓缸間過(guò)橋汽封采用DAS+刷式汽封，并增加高中壓缸間過(guò)橋汽封齒數(shù)。

4.3 A制造廠方案

1）高、中壓動(dòng)葉為沖動(dòng)式葉型，低壓動(dòng)葉為反動(dòng)式葉型，除低壓末級(jí)外均采用整體圍帶。

2）高、中壓動(dòng)葉葉根為叉型，低壓末兩級(jí)動(dòng)葉葉根為縱樹型，其他低壓動(dòng)葉葉根為雙T型。

3）采用高強(qiáng)度型線設(shè)計(jì)，優(yōu)化葉片的節(jié)圓直徑，減小葉片寬度和增大葉片高度。

4）采用大葉柵噴嘴葉片。噴嘴組通常用40~ 70個(gè)靜葉，大約是其他機(jī)組噴嘴組靜葉數(shù)量的1/2。

5）低壓末兩級(jí)為傾斜加彎扭葉片，質(zhì)量沿葉片徑向分布更均勻。末級(jí)動(dòng)葉為自支撐，不需拉筋等增加剛性的部件。

6）對(duì)低壓末級(jí)動(dòng)葉進(jìn)汽側(cè)外緣局部感應(yīng)硬化處理，對(duì)整個(gè)動(dòng)葉表面噴丸處理。

7）高中壓整體內(nèi)缸，高壓缸取消獨(dú)立的噴嘴室，進(jìn)汽室與內(nèi)缸鑄為一體，進(jìn)汽管與高壓內(nèi)缸之間采用熱彈性蒸汽活塞環(huán)密封。

8）使用葉輪隔板結(jié)構(gòu)，減小動(dòng)葉根部直徑處反動(dòng)度。

9）低壓內(nèi)缸中分面抽汽口處增加螺栓，在靜葉持環(huán)與內(nèi)缸間增加密封環(huán)。

10）低壓轉(zhuǎn)子為焊接轉(zhuǎn)子鼓型結(jié)構(gòu)。

11）優(yōu)化低壓缸排汽導(dǎo)流環(huán)。

12）隔板和葉頂采用迷宮式汽封系統(tǒng)，高、中、低壓端部汽封和高中壓缸間過(guò)橋汽封采用壓簧式汽封環(huán)結(jié)構(gòu)，并增加高中壓缸間過(guò)橋汽封環(huán)數(shù)量。隔板汽封采用防汽流激振設(shè)計(jì)。

13）高、中壓靜葉材料采用12Cr合金鋼，低壓末兩級(jí)靜葉材料為球墨鑄鐵。

5 汽輪機(jī)通流改造效果

5.1 改造后機(jī)組經(jīng)濟(jì)性

2012年以來(lái)，主要制造廠陸續(xù)進(jìn)行了600 MW超臨界汽輪機(jī)通流改造，改造效果對(duì)比見表2。改造后總體情況良好，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性能得到顯著提高[29-30]，機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均滿足國(guó)家節(jié)能減排要求。

表2 國(guó)內(nèi)600 MW等級(jí)超臨界機(jī)組通流改造效果對(duì)比

Tab.2 The results of flow path retrofit of 600 MW class supercritical units in domestic

通過(guò)比較主要廠家通流改造后的主要技術(shù)指標(biāo)可知：600 MW等級(jí)超臨界汽輪機(jī)改造后的高壓缸效率能夠達(dá)到88.9%，中壓缸效率（考慮高中壓缸間過(guò)橋汽封漏汽）能夠達(dá)到93.2%，低壓缸效率能夠達(dá)到90.8%，汽輪機(jī)熱耗率平均約為7 570 kJ/(kW·h)；經(jīng)過(guò)改造，機(jī)組熱耗率較改造前一般降低200~ 300 kJ/(kW·h)，供電煤耗降低7~10 g/(kW·h)，經(jīng)濟(jì)性得到顯著提高。

5.2 改造后機(jī)組安全可靠性

通流改造后，解決了高壓內(nèi)缸變形、低壓內(nèi)缸變形、高中壓隔板套/持葉環(huán)變形、高壓主汽閥、調(diào)節(jié)閥卡澀、高壓調(diào)節(jié)閥閥桿脫落、斷裂等問題，汽輪機(jī)5號(hào)、6號(hào)抽汽溫度高于設(shè)計(jì)值的情況也得到明顯改善，部分機(jī)組改造后5號(hào)、6號(hào)抽汽溫度與設(shè)計(jì)值接近或略低于設(shè)計(jì)值（表3），機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性也得到明顯提升。

表3 通流改造后THA工況5、6號(hào)抽汽溫度對(duì)比

Tab.3 The No.5 and No.6 extraction temperature under THA condition ℃

6 國(guó)內(nèi)、外超臨界汽輪機(jī)性能對(duì)標(biāo)

6.1 機(jī)組經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

國(guó)外早期投運(yùn)的超臨界機(jī)組，受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平限制，機(jī)組熱效率較低，為38%~41%。隨著超臨界汽輪機(jī)設(shè)計(jì)、制造水平的發(fā)展進(jìn)步，經(jīng)過(guò)通流改造后，機(jī)組性能不斷提高[31-33]。如澳大利亞Callide電廠汽輪機(jī)，2001年投產(chǎn)，是澳大利亞投運(yùn)的第一臺(tái)超臨界汽輪機(jī)，機(jī)組容量420 MW，蒸汽參數(shù) 25.1 MPa/566 ℃/566 ℃。改造后汽輪機(jī)熱耗率 7 513 kJ/(kW·h)（折算到汽輪機(jī)排汽壓力4.9 kPa），高壓缸效率88.5%，中壓缸效率93.0%，低壓缸效率為92.0%。

目前已知的資料顯示：國(guó)外600 MW等級(jí)超臨界汽輪機(jī)能效先進(jìn)水平為熱耗率7 470 kJ/(kW·h)左右，高壓缸效率約91.0%，中壓缸效率約94.0%，低壓缸效率約92.5%。

國(guó)內(nèi)600 MW等級(jí)超臨界汽輪機(jī)通流改造后，熱耗率可達(dá)到7 550 kJ/(kW·h)左右，結(jié)合實(shí)施煙氣余熱利用改造、冷端系統(tǒng)優(yōu)化、輔機(jī)變頻改造、空氣預(yù)熱器柔性密封等一體化節(jié)能改造，進(jìn)一步挖掘機(jī)組節(jié)能潛力，提升機(jī)組整體經(jīng)濟(jì)性水平。通過(guò)采用上述節(jié)能改造措施，部分機(jī)組供電煤耗達(dá)到約288 g/(kW·h)，接近美國(guó)最先進(jìn)的AEP公司Joho W.Turk Jr.電廠的供電煤耗水平（287 g/(kW·h)）。

通過(guò)以上國(guó)、內(nèi)外常規(guī)超臨界汽輪機(jī)能效指標(biāo)的對(duì)比，目前我國(guó)600 MW等級(jí)超臨界汽輪機(jī)通流改造后的經(jīng)濟(jì)性與國(guó)際先進(jìn)水平還有一些差距，但通過(guò)熱力系統(tǒng)一體化節(jié)能改造后，綜合供電煤耗已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

6.2 機(jī)組可靠性對(duì)比

隨著國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的研發(fā)進(jìn)步，汽輪機(jī)制造裝配工藝的優(yōu)化改進(jìn)，高性能汽輪機(jī)材料的開發(fā)應(yīng)用，以及電力企業(yè)管理水平的不斷提高，國(guó)內(nèi)機(jī)組的運(yùn)行可靠性得到顯著提升。

通過(guò)調(diào)研淮滬煤電有限公司田集發(fā)電廠（田集電廠）、樂清電廠、江蘇常熟發(fā)電有限公司（常熟電廠）、蘭溪電廠、姚孟電廠等已進(jìn)行600 MW等級(jí)超臨界汽輪機(jī)通流改造的發(fā)電企業(yè)發(fā)現(xiàn)，改造后機(jī)組總體運(yùn)行穩(wěn)定，機(jī)組性能保持較為良好，未存在明顯影響機(jī)組可靠性的設(shè)備缺陷。

根據(jù)北美電力可靠性組織（NERC）和中國(guó)可靠性中心[34-35]發(fā)布的2017年度電力可靠性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，北美地區(qū)（美國(guó)、加拿大、墨西哥）600 MW等級(jí)機(jī)組的等效可用系數(shù)、等效強(qiáng)迫停運(yùn)率為80.76%和8.24%，國(guó)內(nèi)600 MW等級(jí)機(jī)組的等效可用系數(shù)、等效強(qiáng)迫停運(yùn)率為92.54%和0.57%，國(guó)內(nèi)600 MW等級(jí)機(jī)組的運(yùn)行可靠性總體較高。

7 下一步工作建議

在國(guó)內(nèi)已經(jīng)完成40多臺(tái)次的通流改造實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，需要在今后的通流改造項(xiàng)目中予以重視。

1）通過(guò)通流改造后機(jī)組的性能試驗(yàn)及改造前、后技術(shù)方案對(duì)比表明，國(guó)內(nèi)超臨界汽輪機(jī)通流改造在通流部分設(shè)計(jì)、新型缸體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面取得了明顯技術(shù)進(jìn)步，但與國(guó)外汽輪機(jī)制造廠家先進(jìn)技術(shù)相比，在調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉葉型設(shè)計(jì)，低壓缸末級(jí)葉片葉型設(shè)計(jì)，內(nèi)缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各缸體進(jìn)、排汽結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面還有進(jìn)一步節(jié)能提升空間，特別是高、中、低壓缸排汽端的優(yōu)化。

2）在汽輪機(jī)通流改造的同時(shí)，建議與目前普遍采用的一體化節(jié)能改造通盤考慮，充分考慮通流改造與其他節(jié)能措施的耦合效應(yīng)，進(jìn)一步挖掘機(jī)組節(jié)能潛力，提升機(jī)組整體經(jīng)濟(jì)性水平。

3）隨著可再生能源裝機(jī)容量的迅速增長(zhǎng)，電源側(cè)負(fù)荷隨機(jī)快速擾動(dòng)增強(qiáng)，需要燃煤機(jī)組快速響應(yīng)以匹配可再生能源發(fā)電負(fù)荷的快速擾動(dòng)。我國(guó)電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃中明確提出挖掘燃煤機(jī)組調(diào)峰潛力，提升我國(guó)火電運(yùn)行靈活性。建議在制定汽輪機(jī)通流改造方案時(shí)，應(yīng)綜合考慮未來(lái)機(jī)組參與電網(wǎng)深度調(diào)峰和進(jìn)行靈活性改造的需求。

4）通流改造后個(gè)別機(jī)組仍然存在5號(hào)、6號(hào)抽汽溫度偏高的現(xiàn)象，說(shuō)明內(nèi)缸仍然存在蒸汽泄漏的現(xiàn)象，建議制造廠進(jìn)一步優(yōu)化低壓缸入口和低壓缸水平中分面處密封方式和結(jié)構(gòu)，考慮優(yōu)化分缸參數(shù)，降低低壓缸溫度梯度。

5）高中壓缸間過(guò)橋汽封漏汽量雖較原先已有明顯改進(jìn)，部分改造后的機(jī)組THA工況下的高中壓缸間過(guò)橋汽封漏汽流量平均水平仍然有30 t/h左右，與先進(jìn)水平比還有較大優(yōu)化的空間，建議在后續(xù)改造中繼續(xù)關(guān)注高中壓缸間過(guò)橋汽封漏汽量較大的問題，在安裝過(guò)程中注意控制汽封間隙。

6）在當(dāng)前發(fā)電企業(yè)降電價(jià)、降成本的形勢(shì)下，有效提高機(jī)組運(yùn)行可靠性，對(duì)改善企業(yè)經(jīng)營(yíng)狀況、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。建議在后續(xù)通流改造實(shí)施過(guò)程中，不僅要關(guān)注機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，更要關(guān)注機(jī)組的運(yùn)行可靠性。通過(guò)汽輪機(jī)材料的研發(fā)[36]、汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)、機(jī)組運(yùn)行方式的優(yōu)化以及結(jié)合狀態(tài)檢修方法[37-39]，提高機(jī)組運(yùn)行可靠性，延長(zhǎng)機(jī)組檢修周期，降低電廠運(yùn)行管理成本。

8 結(jié) 語(yǔ)

1）600 MW 等級(jí)超臨界汽輪機(jī)通流部分改造技術(shù)成熟，改造后的汽輪機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性均得到提高，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，是一項(xiàng)值得推廣的技改項(xiàng)目。

2）與國(guó)外同類型機(jī)組相比，目前我國(guó)600 MW等級(jí)超臨界汽輪機(jī)通流改造后的整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性已接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

3）在制定汽輪機(jī)通流改造方案時(shí)，應(yīng)綜合考慮未來(lái)機(jī)組參與深度調(diào)峰的可預(yù)見的現(xiàn)實(shí)情況，以及與其他節(jié)能、技改措施同步實(shí)施的耦合效應(yīng)，科學(xué)選擇改造方案。

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（責(zé)任編輯 劉永強(qiáng)）

Review of flow path retrofit of 600 MW class supercritical steam turbines

ZHANG Jihong, DU Wenbin, ZHAO Jie, ZHANG Pengfei

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

With the deepening of Chinese energy structure reform and increasing of energy-saving and emission reduction requirements, the 600 MW class supercritical steam turbine retrofit technology is developing rapidly in recent years. This paper introduces the process of flow path retrofit of supercritical steam turbine domestic and abroad, compares the technology features of flow path retrofit schemes in main manufacturers, discusses the economical and reliability effect of the completed 600 MW class supercritical steam turbine retrofit project, and benchmarks the performance with foreign supercritical steam turbines. On this basis, it puts forward some suggestions for the next step for retrofit practices. The results show that, the 600 MW class supercritical steam turbine retrofit technology is mature and the economic efficiency of the unit is significantly improved after transformation. Compared with the same type units abroad, the economical efficiency of the domestic steam turbines have been close to or reached the international advanced level. This study provides a reference for flow path retrofit of the same type steam turbines implemented by power generation enterprises.

600 MW class, supercritical, steam turbine, flow path retrofit, depth peak-load regulation, economical efficiency, reliability

National Key Research and Development Program (2017YFB0902102)

TK261

A

10.19666/j.rlfd.201808192

張繼紅, 杜文斌, 趙杰, 等. 600 MW等級(jí)超臨界汽輪機(jī)通流改造綜述[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(2): 1-8. ZHANG Jihong, DU Wenbin, ZHAO Jie, et al. Review of flow path retrofit of 600 MW class supercritical steam turbines[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(2): 1-8.

2018-08-06

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFB0902102)

張繼紅(1986—)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槠啓C(jī)性能診斷及運(yùn)行優(yōu)化，zhangjihong@tpri.com.cn。