大型火電機組汽機側的綜合節(jié)能改造

于光佐

（山西魯能河曲發(fā)電有限公司，山西 忻州 036500）

近年來，隨著火電技術的飛速發(fā)展，機組也向大功率化、自動化、高參數化方向邁進了一大步。但與世界發(fā)達國家的水平相比，還有一定的差距。加強火電機組優(yōu)化運行，轉變節(jié)能方式，提高經濟效益，改善生態(tài)環(huán)境，是我國能源行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。為此，需要全面了解和掌握機組的熱力特性、汽輪機的運行狀況以及熱力系統(tǒng)的各項技術指標，準確評估機組的狀況，為機組大修期間設備改造的實施提供技術依據。電力科學研究院對該機組進行了綜合測試，在對測試結果進行分析的基礎上，通過現(xiàn)場檢查，準確識別了機組當前存在的問題。

一、火力機組發(fā)展現(xiàn)狀

隨著電力體制改革方案的逐步實施，電力企業(yè)的思維方式、工作方式和管理體制都經歷了新的考驗，競爭更加激烈。隨著電力市場的逐步興起和電力行業(yè)改革進程的深入，商業(yè)化開發(fā)已成為我國能源企業(yè)改革的方向。五大發(fā)電集團的成立，拉開了電力生產企業(yè)全面競爭的序幕。競爭機制的引入，讓五家主力發(fā)電集團更加注重提高原有機組的生產效率，通過建設大型機組來降低發(fā)電成本。如何提高機組的經濟效益，使機組各項指標接近設計水平，達到或超過國內外同類機組水平，使發(fā)電企業(yè)處于有利的競爭地位，已成為發(fā)電企業(yè)生產經營的重要課題。可見，火力發(fā)電廠降低煤耗標準，分析現(xiàn)有機組能耗水平，闡明其節(jié)能潛力，在節(jié)能領域進行轉型，指導汽輪機組節(jié)能改造具有很大意義。

二、機組運行現(xiàn)狀

此大型火力發(fā)電機組汽輪機為600MW 亞臨界單軸三缸（高中壓合缸）四排汽，具有一次中間再熱的凝汽式輪機，其中高壓部分為1+8 級，中壓部分為5 級，低壓部分為對稱分層流雙層缸結構，蒸汽由低壓缸中部進入通流部分，分別向兩個方向流動，經2×2×7 級做功后向下排入凝汽器。機組給水系統(tǒng)由3 臺高壓加熱器、4 臺低壓加熱器和1 臺除氧器組成，供水系統(tǒng)配備2 臺50%容量汽動給水泵和1 臺30%容量備用電動給水泵。

該機組汽輪機采用了上世紀90 年代末的引進技術，受當時設計技術、設計手段、制造加工能力等因素的影響，葉片型線等技術相對落后，存在流動損失較大、缸效率較低，熱耗偏高的問題。上一次修前熱力性能試驗，THA 工況下汽輪機熱耗率為8069.6kJ/kWh，比設計值7736 kJ/kWh 高333.6kJ/kWh。此外，汽輪機高、中壓合缸處軸封漏氣量偏大，高壓后軸封一段漏氣至四段抽汽流量偏大。凝汽器設計為雙殼體、雙背壓，設計背壓為4.27/5.61KPa，實際運行中無法實現(xiàn)高、低背壓分離。涼水塔噴濺裝置為傳統(tǒng)的反射型，噴濺效果一般。綜合上述，汽機側有較大定的節(jié)能潛力。

三、診斷性能測試

為充分了解和掌握機組的熱力特性和熱力系統(tǒng)的各項技術指標，準確評估機組的當前狀態(tài)，為實施節(jié)能改造提供技術依據，該廠聘請電力科學院對該機組進行了性能綜合診斷試驗。THA 工況下汽輪機熱耗率為8052.6kJ/kWh，比設計值7736 kJ/kWh 高316.6kJ/kWh。高壓缸效率為84.22%，比86.4%的設計值低2.18 個百分點，中壓缸效率為88.8%，比92.54%的設計值低3.74 個百分點，低壓缸效率為87.3%，比92.35%的設計值低5.05 個百分點，對機組效率的影響非常明顯。

冷端系統(tǒng)，特別是涼水塔，傳熱效率差。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)水塔填料有多處損壞脫落，需要更換填料同時進行優(yōu)化。

凝汽器傳熱效率低，來自低壓缸排氣的熱負荷高，同時凝汽器真空系統(tǒng)無法實現(xiàn)高、低背壓運行。從試驗結果可以看出，該機組的凝汽器在600MW 工況下的試驗壓力為6.43/6.45kPa，（冷卻水流量34500t/h 和冷卻水入口溫度21℃）。循環(huán)水進水溫度接近設計值，凝汽器壓力比設計值 4.27/5.61 kPa 高出2.18/0.82 kPa。可以看出，凝汽器管束潔凈度和整體傳熱系數均低于設計值，凝汽器管束臟污、堵塞現(xiàn)象會導致凝汽器器潔凈比和傳熱效率下降。

四、節(jié)能改造、檢修計劃

針對上述問題，充分借鑒了國內外主機廠等動力裝置生產企業(yè)現(xiàn)代化改造的成功經驗，并在此基礎上提出了合理的節(jié)能改造、檢修方案。

（一）汽輪機本體通流改造

1.高壓部分噴嘴進汽腔室優(yōu)化設計，降低進氣壓損；采用先進的動、靜葉基礎葉型，動葉頂部采用自帶冠結構，設置葉頂高低齒迷宮汽封，降低漏氣損失；葉片采用成圈結構設計，使其具有高阻尼、低動應力特點；高壓部分增加2 級，由1+8級增加為1+10 級。提高根部反動度，優(yōu)化速比，優(yōu)化各級焓降。高壓缸壓力級靜葉型線全部采用先進的層流靜葉葉型（SCH），壓力級動葉采用高負荷動葉型線（HV葉型）。

2.中壓部分進汽腔室優(yōu)化設計，降低進氣壓損，同時增加1 級，優(yōu)化葉片型線，優(yōu)化各級焓降和速比，適當降低高排壓力和溫度。

3.低壓部分進汽腔室優(yōu)化設計，降低進氣壓損，動葉根部葉型采用“K”型通道葉型，頂部區(qū)域葉型采用先進的適合跨音速流動的縮放葉型。

4.優(yōu)化汽封結構，高、中壓后軸封全部采用錯齒汽封，其中高、中壓后軸封第1 列采用封嚴汽封；過橋汽封采用錯齒汽封，其中第1 列采用封嚴汽封并在進汽邊設置防漩齒；低壓端汽封采用DAS汽封。通過對汽封密封齒進行優(yōu)化，增加密封有效齒數，大幅減少汽封漏氣量。

（二）凝結器本體

試驗數據表明，凝汽器的運行潔凈度系數和總傳熱系數均低于設計值。這是由于凝汽器管束臟污、堵塞現(xiàn)象導致凝汽器的清潔效率和傳熱降低。結合檢修進行凝汽器的化學清洗除垢，疏通堵塞管路，同時檢修膠球清洗裝置，重點檢查收球網閉合情況和收球管口是否正常。

（三）涼水塔改造

水塔內70%的傳熱面積集中在填料區(qū)。當水塔填料出現(xiàn)問題或傳熱效果不佳時，會對水塔的傳熱能力產生較大的影響。對該機組水塔進行現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)水塔填料損壞嚴重，含泥沙較多，噴濺裝置濺水部件損壞嚴重，成股水流可直接沖擊填料層，嚴重影響水塔冷卻效果。

將水塔填料全部進行更換，并根據風水匹配的原理，通過三維數值模擬計算將水塔內區(qū)進行非等高布置方式，換熱面積增容至8500m2；噴濺裝置改造為離心旋轉結構形式；修復斷裂損壞的配水管。

（四）真空系統(tǒng)改造

改造加裝兩套羅茨真空泵組，并將原抽真空母管進行優(yōu)化，凝汽器高、低背壓側分別引管路至兩套羅茨真空泵組，原三臺水環(huán)真空泵作為啟動、備用泵。

（五）改造后節(jié)能效果分析

1.汽輪機本體

THA 工況下，高壓缸效率89.33%，中壓缸效率93.19%，低壓缸效率90.76%，各汽缸效率大大提升，汽輪機熱耗率為7766.5kJ/kW.h，比保證值7776kJ/kW.h 低9.5kJ/kW，對比修前降低303.1kJ/kW，供電煤耗率下降約12.37g/kWh。按照全年發(fā)電量30億kWh 計算，僅汽輪機通流改造，每年降低煤耗約12.37g/kWh×30 億kWh=37110 噸，達到了通流改造的目的。

2.凝汽器本體

THA 工況下，改造前凝汽器壓力6.45/6.43kPa，檢修、改造后凝汽器壓力5.08/6.18kPa，真空度平均提高0.845kPa。根據《火力發(fā)電廠節(jié)能和指標管理技術》中的耗差分析，真空度每提高1kPa，供電煤耗率下降2.65g/kWh。凝汽器改造后降低供電煤耗0.845×2.65=2.24g/kWh。

3.水塔

根據熱工院實驗，水塔改造后，循環(huán)水溫升增加了1.64℃。根據《火電廠生產指標管理指南》，循環(huán)水溫度每變化1℃，影響煤耗變化0.4%—0.6%。據電廠統(tǒng)計，供電煤耗為313 克/千瓦時，即循環(huán)水溫度變化按1.64℃計算，供電煤耗降低313×0.4%×1.5=2.053g/kWh。

4.真空系統(tǒng)改造

真空系統(tǒng)改造加裝兩套羅茨真空泵組后，運行電流從原水環(huán)真空泵的180A 降低為66A，原水環(huán)真空泵電耗為×380×180×0.78×0.94 ≈87kW，改造后真空泵組電耗為×380×66×0.87×0.9 ≈34kW，節(jié)約電耗53kW，按照泵組全年運行6000h計算，每年節(jié)約電耗53×6000=31.8 萬kW，按供電煤耗313g/kWh 計算，每年節(jié)約標煤約995 噸，折算成煤耗0.33g/kWh。

該機組汽機側綜合節(jié)能改造后煤耗降低16.993g/kWh，按上一年度機組供電量30億kWh 測算，每年節(jié)約標煤50979 噸。

結束語：火力發(fā)電廠是一次能源消耗大戶，全年消耗大量煤炭。提高火電廠一次能源利用率，降低熱耗，節(jié)約燃料，提高電廠熱效率，盡可能降低發(fā)電成本，減少環(huán)境污染已成為火力發(fā)電技術發(fā)展的主要方向。以熱力學第一定律和第二定律為理論指導，診斷大型火電機組的節(jié)能潛力，對節(jié)能理論在電力行業(yè)的應用和推廣具有重要意義。

該電廠由于實施了汽機側節(jié)能改造工程，年節(jié)約標準煤50979 噸，減少CO2 排放130298 噸，一方面降低了能源消耗，提高了企業(yè)機組的經濟效益。另一方面，減少CO2 氣體排放量，對保護環(huán)境，具有良好的社會效益。