火電廠300MW等級(jí)亞臨界機(jī)組通流改造方案研究

華北電力大學(xué) 李延峰 山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?劉靜茹

關(guān)鍵字：亞臨界機(jī)組；汽輪機(jī)通流改造；節(jié)能

我國(guó)發(fā)電用煤量大，且火電企業(yè)整體發(fā)電效率不高；另一方面，近年來火電機(jī)組的增長(zhǎng)還帶來了一系列的環(huán)境問題[1]。為了提高火電機(jī)組發(fā)電效率，解決環(huán)境問題，國(guó)家發(fā)改委、環(huán)保部、能源局等三部委聯(lián)合下發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》[2]，其中提出：要實(shí)施綜合節(jié)能改造，因廠制宜采用汽輪機(jī)通流部分改造、供熱改造等成熟適用的節(jié)能改造技術(shù)，重點(diǎn)對(duì)30萬kW 和60萬kW 等級(jí)亞臨界、超臨界機(jī)組實(shí)施綜合性、系統(tǒng)性節(jié)能改造，改造后供電煤耗力爭(zhēng)達(dá)到同類型機(jī)組先進(jìn)水平。

本文以某電廠300MW 亞臨界機(jī)組為例，分析機(jī)組存在問題。通過對(duì)機(jī)組進(jìn)行通流改造，以減少運(yùn)行時(shí)的節(jié)流損失，提高機(jī)組運(yùn)行效率，并提出了三種機(jī)組汽輪機(jī)通流改造方案，對(duì)改造前后各個(gè)方案的技術(shù)參數(shù)、節(jié)能效果以及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了對(duì)比分析，給出推薦方案。

1 機(jī)組運(yùn)行概況

1.1 機(jī)組汽輪機(jī)規(guī)范

某電廠汽輪發(fā)電機(jī)組為亞臨界、一次再熱、直接空冷機(jī)組，帶基本負(fù)荷并具有調(diào)峰能力，目前機(jī)組大部分時(shí)間運(yùn)行在50%～75%負(fù)荷之間。具體規(guī)范參數(shù)見表1。

表1 機(jī)組汽輪機(jī)具體規(guī)范參數(shù)

1.2 機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)狀

300MW 工況汽輪機(jī)修正后熱耗率遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值，較設(shè)計(jì)值（8126.50kJ/kWh）偏高367.61kJ/kWh。

對(duì)300MW 試驗(yàn)工況機(jī)組缸效進(jìn)行對(duì)比：高壓缸效率原設(shè)計(jì)值84.87%，試驗(yàn)值79.42%，偏差-5.45%；中壓缸效率原設(shè)計(jì)值91.88%，試驗(yàn)值89.03%，偏差-2.85%；低壓缸效率原設(shè)計(jì)值92.51%，試驗(yàn)值85.80%，偏差-6.71%。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，機(jī)組A 修后汽輪機(jī)熱耗率有所降低，但仍與原設(shè)計(jì)熱耗率差別較大，導(dǎo)致整機(jī)效率下降，經(jīng)濟(jì)性降低。

根據(jù)多次的性能試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的相關(guān)因素。如汽輪機(jī)通流間隙超標(biāo)嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)較為落后，內(nèi)效率降低較大；降低背壓運(yùn)行情況下，熱耗依然不能達(dá)到原設(shè)計(jì)值。通過分析，上述影響經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的相關(guān)因素通過大修已不能解決，需更換相應(yīng)的部件或改進(jìn)設(shè)計(jì)，才能使整個(gè)機(jī)組達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)。

除了機(jī)組A 修后中壓缸效率稍好外，機(jī)組汽輪機(jī)其余各缸效率偏低，且低于平均水平，汽輪機(jī)各缸效率偏低是導(dǎo)致熱耗率偏高的主要原因。結(jié)合該電廠汽輪機(jī)運(yùn)行存在的實(shí)際問題，對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行三缸通流改造是必要的。

圖1 機(jī)組試驗(yàn)熱耗率與發(fā)電負(fù)荷關(guān)系曲線

2 機(jī)組汽輪機(jī)通流改造方案

2.1 通流改造基本原則

對(duì)于該電廠機(jī)組通流部分整體改造項(xiàng)目是在原機(jī)組框架的基礎(chǔ)上采用先進(jìn)的AIBT 通流技術(shù)進(jìn)行汽輪機(jī)換心改造，增加通流級(jí)數(shù)，提高通流效率，同時(shí)對(duì)原機(jī)組的高溫高壓部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，解決老機(jī)組中存在的安全隱患和對(duì)高效運(yùn)行的不利因素，提高原機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，增加機(jī)組出力，大幅降低機(jī)組的熱耗，提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)盡最大可能達(dá)到節(jié)能減排的效果。該電廠通流改造基本原則如下：現(xiàn)有汽輪機(jī)相關(guān)主要輔機(jī)系統(tǒng)保持不變；保持各管道接口位置、汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)連接方式和位置、現(xiàn)有的汽輪機(jī)基礎(chǔ)等不變；保持汽輪機(jī)各軸承座不變、低壓外缸不變[3]。

2.2 高中壓缸通流改造方案

高中壓缸通流改造采用AIBT 通流技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，有效提高中壓缸效率。AIBT 通流技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大功率新機(jī)設(shè)計(jì)和老機(jī)組的改造項(xiàng)目以及最新的聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)中，產(chǎn)品具有實(shí)測(cè)性能指標(biāo)高效、穩(wěn)定的特點(diǎn)。高中壓通流改造后部分動(dòng)、靜葉片均采用整體圍帶彎扭馬刀葉型，且均為單片銑制、全切削加工，具有強(qiáng)度好、動(dòng)應(yīng)力低、抗高溫蠕變性能好等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 低壓缸通流改造方案

低壓缸通流改造也采用AIBT 技術(shù)進(jìn)行通流設(shè)計(jì)，并綜合電廠的排汽、功率及背壓需求，優(yōu)選末級(jí)葉片。低壓內(nèi)缸采用新型斜撐結(jié)構(gòu)：特殊的抽汽腔室、漸縮的進(jìn)汽流道、變截面的抽汽口優(yōu)化以降低無葉片區(qū)域的壓損，合理的搭子布置便于檢修運(yùn)輸?shù)龋拐麄€(gè)內(nèi)缸結(jié)構(gòu)更加合理[4]。

2.4 機(jī)組汽輪機(jī)通流改造方案綜述

汽輪機(jī)通流改造和參數(shù)優(yōu)化可分為三個(gè)方案，分別為：

方案一：對(duì)汽輪機(jī)高中壓缸、低壓缸進(jìn)行通流改造，維持主汽和再熱蒸汽參數(shù)不變。

方案二：對(duì)汽輪機(jī)高中壓缸、低壓缸進(jìn)行通流改造，維持主汽參數(shù)不變，將再熱蒸汽溫度提升至566℃。

方案三：對(duì)汽輪機(jī)高中壓缸、低壓缸進(jìn)行通流改造，維持主汽壓力不變，將主汽和再熱蒸汽溫度均提升至566℃。

對(duì)于升參數(shù)的方案二和方案三，改造范圍不僅包括汽輪機(jī)內(nèi)部的零件，還包括汽輪機(jī)高中壓外缸及配汽機(jī)構(gòu)的材料升級(jí)。

3 機(jī)組汽輪機(jī)通流改造方案對(duì)比分析

3.1 技術(shù)參數(shù)對(duì)比分析

根據(jù)該電廠負(fù)荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果及發(fā)電量情況，機(jī)組50%、75%、100%負(fù)荷率時(shí)段比例為2:2:1，加權(quán)平均熱耗及供電煤耗按此比例計(jì)算。

3.1.1 改造前情況

機(jī)組A 修后的熱耗及供電煤耗如下：300MW汽輪發(fā)電機(jī)組熱耗率8494.11kJ/kWh，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率352.87g/kWh；225MW 汽輪發(fā)電機(jī)組熱耗率8749.22kJ/kWh，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率356.37g/kWh；150MW 汽輪發(fā)電機(jī)組熱耗率8937.84kJ/kWh，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率364.82g/kWh。加權(quán)平均熱耗率8773.65kJ/kWh。

3.1.2 改造后情況

汽輪機(jī)三種改造方案的主要參數(shù)如下：

方案一：300MW 汽輪發(fā)電機(jī)組主蒸汽壓力/溫度16.67MPa（a）/538 ℃，主蒸汽流量932058kg/h，高溫再熱蒸汽壓力/溫度3.26MPa（a）/538℃，高溫再熱蒸汽流量780679kg/h，高壓缸效率85.7%，中壓缸效率92.8%，低壓缸效率90.2%，汽輪機(jī)熱耗8186.6kJ/kWh，機(jī)組的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率340.09g/kWh；225MW 汽輪發(fā)電機(jī)組主蒸汽壓力/溫度16.35MPa（a）/538℃，主蒸汽流量679559kg/h，高溫再熱蒸汽壓力/溫度2.43MPa（a）/538℃，高溫再熱蒸汽流量578758kg/h，高壓缸效率80.9%，中壓缸效率92.8%，低壓缸效率90.9%，汽輪機(jī)熱耗8359.9kJ/kWh，機(jī)組的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率340.51g/kWh；150MW 汽輪發(fā)電機(jī)組主蒸汽壓力/溫度11.14MPa（a）/538℃，主蒸汽流量453363kg/h，高溫再熱蒸汽壓力/溫度1.67MPa（a）/538℃，高溫再熱蒸汽流量394463kg/h，高壓缸效率80.7%，中壓缸效率92.4%，低壓缸效率89.6%，汽輪機(jī)熱耗8776kJ/kWh，機(jī)組的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率358.22g/kWh。加權(quán)平均熱耗8491.68kJ/kWh，加權(quán)平均供電煤耗347.51g/kWh。

方案二：300MW 汽輪發(fā)電機(jī)組主蒸汽壓力/溫度16.67MPa（a）/541℃，主蒸汽流量910576kg/h，高溫再熱蒸汽壓力/溫度3.38MPa（a）/566℃，高溫再熱蒸汽流量762894kg/h，高壓缸效率85.6%，中壓缸效率92.8%，低壓缸效率90.4%，汽輪機(jī)熱耗8136.6kJ/kWh，機(jī)組的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率338.01g/kWh；225MW 汽輪發(fā)電機(jī)組主蒸汽壓力/溫度16.67MPa（a）/541℃，主蒸汽流量668758kg/h，高溫再熱蒸汽壓力/溫度2.53MPa（a）/566℃，高溫再熱蒸汽流量569672kg/h，高壓缸效率80.8%，中壓缸效率92.8%，低壓缸效率91.0%，汽輪機(jī)熱耗8314.7kJ/kWh，機(jī)組的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率338.67g/kWh；150MW 汽輪發(fā)電機(jī)組主蒸汽壓力/溫度11.40MPa（a）/541℃，主蒸汽流量445839kg/h，高溫再熱蒸汽壓力/溫度1.74MPa（a）/566℃，高溫再熱蒸汽流量388291kg/h，高壓缸效率80.6%，中壓缸效率92.4%，低壓缸效率89.7%，汽輪機(jī)熱耗8733.5kJ/kWh，機(jī)組的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率356.48g/kWh。加權(quán)平均熱耗8446.6kJ/kWh，加權(quán)平均供電煤耗345.66g/kWh。

方案三：300MW 汽輪發(fā)電機(jī)組主蒸汽壓力/溫度16.67MPa（a）/566 ℃，主蒸汽流量893121kg/h，高溫再熱蒸汽壓力/溫度3.348MPa（a）/566℃，高溫再熱蒸汽流量752506kg/h，高壓缸效率85.6%，中壓缸效率92.8%，低壓缸效率90.5%，汽輪機(jī)熱耗8075.4kJ/kWh，機(jī)組的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率335.47g/kWh；225MW 汽輪發(fā)電機(jī)組主蒸汽壓力/溫度16.67MPa（a）/566℃，主蒸汽流量652287kg/h，高溫再熱蒸汽壓力/溫度2.492MPa（a）/566℃，高溫再熱蒸汽流量558275kg/h，高壓缸效率80.7%，中壓缸效率92.8%，低壓缸效率91.0%，汽輪機(jī)熱耗8249.9kJ/kWh，機(jī)組的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率336.03g/kWh；150MW 汽輪發(fā)電機(jī)組主蒸汽壓力/溫度11.81MPa（a）/566℃，主蒸汽流量436479kg/h，高溫再熱蒸汽壓力/溫度1.716MPa（a）/566℃，高溫再熱蒸汽流量381266kg/h，高壓缸效率80.6%，中壓缸效率92.3%，低壓缸效率89.7%，汽輪機(jī)熱耗8664.6kJ/kWh，機(jī)組的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率353.67g/kWh。加權(quán)平均熱耗8380.88kJ/kWh，加權(quán)平均供電煤耗342.97g/kWh。

3.1.3 改造前后節(jié)能效果對(duì)比

三種方案改造后與改造前相比節(jié)能效果如下：

表2 三種方案節(jié)能效果對(duì)比表

在發(fā)電量相同時(shí)，該電廠現(xiàn)有發(fā)電利用小時(shí)數(shù)下汽輪機(jī)通流改造三個(gè)方案節(jié)約的供電標(biāo)煤耗分別為11.55g/kWh，13.40g/kWh，16.09g/kWh。三個(gè)方案在機(jī)組高負(fù)荷率下的供電煤耗均達(dá)到現(xiàn)役機(jī)組的平均水平。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析

綜合考慮上述各項(xiàng)改造的經(jīng)濟(jì)性后，機(jī)組通流改造三個(gè)方案的投資和收益對(duì)比如下表[5]：

表3 三種方案投資和收益對(duì)比表

4 結(jié)語

該電廠汽輪機(jī)通流改造三個(gè)方案較改造前節(jié)約的供電標(biāo)煤耗分別為12.56g/kWh、14.41g/kWh、17.10g/kWh，方案一節(jié)能減排效果低于方案二和方案三，但方案一投資回收期較短且改造范圍小、工程量小、設(shè)計(jì)和施工簡(jiǎn)單、改造周期短。由于該方案主蒸汽參數(shù)和再熱蒸汽參數(shù)不變，對(duì)鍋爐受熱面影響較小。

方案二和方案三雖然節(jié)煤減排效果好，但涉及再熱管道、旁路閥門和鍋爐改造，改造范圍較大，設(shè)計(jì)和施工復(fù)雜，改造周期較長(zhǎng)，投資回收期過長(zhǎng)。由于該方案主蒸汽參數(shù)和再熱蒸汽參數(shù)將變化，對(duì)鍋爐受熱面影響較大，鍋爐此類升參數(shù)改造方案尚未有實(shí)施業(yè)績(jī)。

綜合分析，推薦方案一為優(yōu)選方案，對(duì)汽輪機(jī)高中壓缸、低壓缸進(jìn)行通流改造，維持主汽和再熱蒸汽參數(shù)不變。