300MW亞臨界火電機組節(jié)能降耗的工程應用

摘 要：火電機組作為我國電力行業(yè)的重要支撐力量，在國家持續(xù)推進煤炭清潔高效利用、助力“雙碳”目標實現(xiàn)的背景下，進一步挖掘火電機組節(jié)能降耗空間、提高運行經(jīng)濟性成為火力發(fā)電企業(yè)必須認真思考的現(xiàn)實問題。本文以某300MW亞臨界火電機組為研究對象，針對該機組運行能耗高的現(xiàn)狀，發(fā)電企業(yè)對其分別開展了汽輪機通流提效改造和對外供熱改造，不僅有效降低了機組運行能耗水平，而且還積極響應了國家提出的“三改聯(lián)動”號召，可為同類型火電機組開展節(jié)能降耗工作提供參考。

關鍵詞：火電機組；節(jié)能降耗；通流提效；供熱改造

中圖分類號：F 407 " " " " 文獻標志碼：A

我國煤炭資源稟賦以及火力發(fā)電能穩(wěn)定輸出的雙重特點，決定了火電機組在電力行業(yè)的重要地位。21世紀初新建投產(chǎn)的300MW等級及以上容量火電機組主要為引進型和引進國產(chǎn)優(yōu)化型產(chǎn)品，受限于當時的設計制造水平，這些火電機組普遍存在汽缸效率低于設計值、熱耗率偏高以及變負荷特性較差的問題，機組整體運行經(jīng)濟性不高。國家為了促進經(jīng)濟、能源以及環(huán)保之間更好的協(xié)調(diào)發(fā)展，多次出臺了有關火電機組節(jié)能減排要求的文件，火力發(fā)電企業(yè)面臨日益嚴峻的節(jié)能降耗壓力。

隨著汽輪機行業(yè)工藝設計水平的不斷提升，火力發(fā)電企業(yè)對原有運行機組進行汽輪機通流提效改造是一種切實可行的節(jié)能降耗舉措[1]；同時，發(fā)電企業(yè)結(jié)合周邊供熱市場的需求，擴大熱電聯(lián)產(chǎn)范圍，在滿足機組安全運行的前提下，提高對外供熱量也是節(jié)能降耗的有效途徑[2]。

本文以某300MW亞臨界火電機組為研究對象，根據(jù)該機組開展的通流提效改造和對外供熱改造，針對改造方案和節(jié)能降耗效果進行論述。

1 機組現(xiàn)狀

某電廠300MW亞臨界汽輪發(fā)電機組于2010年10月投產(chǎn)。鍋爐為上海鍋爐廠有限公司制造的亞臨界壓力、一次再熱、控制循環(huán)汽包鍋爐，單爐膛，四角切圓擺動燃燒，“П”型露天布置，SG1025/17.5-M8型鍋爐；汽輪機為上海汽輪機有限公司制造的單軸、雙缸雙排汽、中間再熱凝汽式N300-16.67/538/538亞臨界機組；根據(jù)2011—2018年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，該機組平均的供電煤耗為331.5g/kW·h。為實現(xiàn)該火電機組節(jié)能降耗以及提升市場競爭力的雙重目標，對其進行通流提效改造和供熱改造。

2 汽輪機通流改造方案

2.1 改造方案對比

通過調(diào)研國內(nèi)各電廠主要實施的節(jié)能改造技術路線和改造效果，制定以下5種改造方案。

方案一：常規(guī)通流不增容（末級葉片為915mm短葉片，取消調(diào)節(jié)級）。

主要改造內(nèi)容：保持汽輪機及鍋爐原參數(shù)不變，發(fā)電機容量不變，汽輪機高中壓外缸、低壓外缸不更換，高中壓外缸上部增加補汽口，其他外部接口保持不變。更換高壓內(nèi)缸、高中壓靜葉持環(huán)、汽封、高中壓轉(zhuǎn)子、低壓內(nèi)缸、靜葉持環(huán)、汽封、低壓轉(zhuǎn)、中低壓聯(lián)通管，同時對排汽導流環(huán)進行優(yōu)化改造。取消效率較低的調(diào)速級，增加布置高效率的壓力級，提高軸系穩(wěn)定性和熱效率；低壓末級葉片采用915mm短葉片，以適應中低負荷運行工況。電氣勵磁系統(tǒng)同步實施升級改造。

方案二：常規(guī)通流改造，機組增容至315MW（末級葉片為915mm短葉片，取消調(diào)節(jié)級）。

主要改造內(nèi)容：發(fā)電機增容至315MW，主變冷卻系統(tǒng)擴容、勵磁變擴容、發(fā)電機空冷器擴容、發(fā)電機內(nèi)冷水系統(tǒng)冷卻器擴容。其他改造內(nèi)容與方案一相同。

方案三：單提溫增容改造，機組增容至315MW（末級葉片為915mm短葉片，取消調(diào)節(jié)級，再熱汽溫提升至566℃。調(diào)研對象諫壁電廠）。

主要改造內(nèi)容：增設#0高加，再熱主汽門、再熱調(diào)閥、再熱導氣管管材升級改造，低旁改造，再熱熱段（包括堵閥）及疏水管道管材升級改造。鍋爐屏再、高再重新設計受熱面并進行材料升級。其他改造內(nèi)容與方案二相同。

方案四：雙提溫增容改造，機組增容至315MW（末級葉片為915mm短葉片，取消調(diào)節(jié)級，主再熱汽溫提升至566℃。調(diào)研對象安陽電廠、岱海電廠）。

主要改造內(nèi)容：增設#0高加再熱主汽門、再熱調(diào)閥、再熱導氣管管材升級改造，高低旁改造，主汽系統(tǒng)疏水管道管材升級改造，再熱熱段（包括堵閥）及疏水管道管材升級改造。鍋爐屏再、高再重新設計受熱面并進行材料升級，低溫過熱器、分隔屏過熱器、后屏過熱器、末級過熱器重新設計受熱面。其他改造內(nèi)容與方案二相同。

方案五：雙提溫增容改造，機組增容至315MW（末級葉片為915mm短葉片，取消調(diào)節(jié)級，主再熱汽溫提升至600℃）。

主要改造內(nèi)容：增設#0高加再熱主汽門、再熱調(diào)閥、再熱導氣管管材升級改造，高低旁改造，主汽系統(tǒng)疏水管道管材升級改造，再熱熱段（包括堵閥）及疏水管道管材升級改造。鍋爐重新設計改造，原汽包爐改造成直流爐；鋼結(jié)構補強；鍋爐重新設計改造，保留汽包（可節(jié)省投資約2000萬）；鋼結(jié)構補強。其他改造內(nèi)容與方案二相同。

通流改造方案受益對比見表1。

通過方案對比，最終選擇收益率最高的方案二，主再熱蒸汽參數(shù)保持不變；更換高中壓內(nèi)缸，高中壓外缸保持不變，各接口保持不變，高壓部分取消調(diào)速級，通流級數(shù)增加6級，中壓部門通流級數(shù)增加3級；更換低壓內(nèi)缸，保持外缸不變，各接口尺寸不變，低壓通流級數(shù)增加1級；機組額定出力由 300MW 提高到315MW。

2.2 改造方案先進技術應用

2.2.1 高中壓通流部分

全周進汽，不設調(diào)節(jié)級：取消調(diào)節(jié)級后，采用全周進汽，汽機全程單閥調(diào)節(jié)，高壓蒸汽室內(nèi)壓力場分布更均勻，高壓第一級焓降大幅降低，第一級動葉片受蒸汽力更小，降低了汽流擾動，提高軸系穩(wěn)定性。同時，取消效率較低的調(diào)節(jié)級，機組軸向空間可排布更多的高效壓力級，在THA工況下比采用調(diào)節(jié)級的機組熱耗低28.4kJ/kW·h。

增設補氣閥：即使機組具有超負荷的能力，也使機組在部分負荷階段具有較高的性能，同時也可為今后增設#0高加提供汽源。

采用高中壓整體內(nèi)缸設計：通過計算優(yōu)化結(jié)構，將原高壓持環(huán)、高壓內(nèi)缸、蒸汽室、中壓#1持環(huán)整合成一個高中壓內(nèi)缸。

整體內(nèi)缸具有以下優(yōu)點：1）在滿足安全性的前提下，提高汽缸剛度，減小汽缸運行過程中的變形；均勻汽缸壁厚，有利于機組快速啟停。2）采用整體內(nèi)缸后，由于沒有原高壓持環(huán)、高壓內(nèi)缸、蒸汽室、中壓#1持環(huán)間裝配結(jié)合面和蒸汽室汽封，因此徹底解決了原結(jié)合面和蒸汽室蒸汽泄漏問題，可以提高效率。3）采用整體內(nèi)缸后，還可以減少現(xiàn)場安裝調(diào)整工作量和勞動力。4）根據(jù)中分面密封的計算結(jié)果，優(yōu)化缸體結(jié)構形式、缸壁厚度、螺栓排布方式和數(shù)量，局部利用加強筋加強等，控制中分面間隙，減小汽缸變形量，降低中分面漏汽的可能性。

采用先進的整體設計技術AIBT，重新布置軸向通流，提高通流性能：1）設計布置更多級的小直徑高效率葉片，提高效率，改造前高壓I+14級，中壓8級，改造后高壓增加至20級，中壓增加至10～11 級。2）采用變反動度葉片設計，使各個全三維葉片級均處在最佳的氣動狀態(tài)，通過不同反動度葉片級的組合提高整個高中壓缸的整體通流效率。3）采用彎扭馬刀型動、靜葉，可以比原采用的馬刀型葉片降低流動損失25%以上，使汽輪機級效率提高1.5%～2%，從而大幅提高汽輪機高中壓缸效率。4）采用“T”型（單、雙）葉根，原中壓動葉片全部采用樅樹型葉根，改造后“T”型葉根良好的密封性能可有效降低蒸汽沿葉根軸向泄漏，進一步提高效率。5）葉頂、葉根采用鑲片式汽封，與原采用退讓式汽封相比，由于采用由軟鋼制成的薄而平的汽封片，不僅可以增加汽封片的數(shù)量，而且還可以與轉(zhuǎn)動部件間保持很小的間隙，有效減少葉頂、葉根處的蒸汽泄漏。高壓、中壓蒸汽進汽插管，在典型活塞環(huán)密封的基礎上，增設新型“L”型密封環(huán)，可以顯著減少蒸汽泄漏量，提高效率。

2.2.2 低壓通流部分

低壓缸末級葉片采用915mm，提高中低負荷運行經(jīng)濟性；低壓通流級數(shù)從原來的2X7級增加至2X9級；中低壓連通管優(yōu)化，將原蝦米彎更換成整體彎頭，優(yōu)化流道、減小壓損；排汽導流環(huán)優(yōu)化設計，應用CFD計算分析排汽導流環(huán)流場，配合新設計的通流結(jié)構形式，對低壓缸排汽導流環(huán)進行優(yōu)化處理。優(yōu)化后的排汽導流環(huán)型線能夠更好地適應改造后的蒸汽流動，可以降低蒸汽流動過程中的排汽損失，提高機組整體效率。

低壓內(nèi)缸采用新型的單層斜撐結(jié)構，優(yōu)化結(jié)構，降低流道損失和漏汽損失，提高效率；使用三段漸縮的進汽流道設計，使整個機組的無葉通流區(qū)域的流道設計更合理，通過CFD流場計算分析，與原低壓進汽部分由一斜段和一長直段組成相比，三段漸縮結(jié)構的紊流度明顯減小，速度分布更均勻，氣動性能明顯改進，減少了蒸汽流動損失。

低壓內(nèi)缸采用一種新型平行四邊形的抽汽腔室結(jié)構和新的螺栓法蘭布置方法，即將傳統(tǒng)的垂直徑向隔板朝進汽中心線傾斜，通過1塊有孔的覆板連接徑向隔板的內(nèi)側(cè)端部，組成一個可以滿足抽汽要求的封閉平行四邊形腔室。通過中分面少量的法蘭和螺栓布置，利用汽缸的熱脹達到其運行狀態(tài)自行密封的效果，從而解決傳統(tǒng)螺栓密封技術存在的問題，是一種利用特殊結(jié)構達到自密封的技術。應用自密封技術以后，整個低壓內(nèi)缸中分面的結(jié)構大大簡化，解決了低壓抽汽溫度偏高的痼疾，有效解決了汽缸蒸汽內(nèi)漏的問題，提高了機組內(nèi)效率。此新型結(jié)構與傳統(tǒng)結(jié)構相比主要有以下不同。1）抽汽腔室型式的不同。新型結(jié)構的低壓內(nèi)缸抽汽腔室由一個封閉的整圈平行四邊形構成，腔室的軸向尺寸增長，內(nèi)部結(jié)構相對簡單。整個結(jié)構似一個放大的加強筋。原低壓內(nèi)缸抽汽腔室徑向隔板和法蘭的端部并不封閉，在進汽腔室旁的第一個抽汽腔室兩側(cè)隔板間甚至沒有加強筋相連。2）徑向隔板的設計。新型低壓內(nèi)缸的徑向隔板為斜向布置，而原低壓內(nèi)缸的徑向隔板垂直于中分面法蘭。斜向布置的隔板在軸向方向上的投影增長，能使軸向的溫度梯度更均勻，減小變形不協(xié)調(diào)問題，減少漏氣，提高效率。

3 供熱改造方案

已有研究結(jié)果表明，純凝機組供熱改造可以大幅度降低供電煤耗約40g/kW·h，投資少，回收周期短，是提高機組能效水平和經(jīng)濟性的較佳途徑[3]。因此，在火電廠有熱用戶的條件下應積極考慮實施供熱改造。

隨著當?shù)亟?jīng)濟的快速發(fā)展，該火力發(fā)電企業(yè)周邊工業(yè)用汽量逐步增加，3號機組已于2015年實現(xiàn)向外供汽，根據(jù)供熱調(diào)研，至2020年供熱需求將至100t/h，預計2023年供熱需求將超過200t/h。

根據(jù)設備廠家的校核結(jié)論，對于亞臨界300 MW機組在滿負荷階段再熱器冷段最大抽汽量不能超過50t/h，并且當?shù)拓摵蛇\行時，需要注意檢測推力瓦溫，適當減少抽汽量甚至停止抽汽。當抽汽量超過50t/h時，需要中壓調(diào)門參與調(diào)節(jié)[4]。

由于3號機組已從冷再抽汽50t/h，因此考慮從熱再增加供熱抽汽100t/h，通過對比采用蒸汽噴射、直接減溫減壓以及背壓機梯級能源利用等措施獲得供熱蒸汽的方案后，最終選定直接經(jīng)過減溫減壓滿足供熱參數(shù)需求，通過供熱改造后進一步降低機組發(fā)電煤耗水平[5]。

根據(jù)上海汽輪機廠的熱力校核計算分析（見表2）可以得出，在熱再抽汽100t/h加上冷再抽汽50t/h的條件下，機組負荷在50%以上，機組供電煤耗均能達到300g/kW·h以下。

4 綜合改造效果

以效益最大化為原則，采用當代先進汽輪機設計技術對汽輪機通流部分所有部件進行重新設計，保留高中壓外缸、低壓外缸，高中壓轉(zhuǎn)子及缸內(nèi)部套、低壓轉(zhuǎn)子及缸內(nèi)部套全部進行改造。2021年10—12月，完成通流改造安裝、調(diào)試工作，同步完成3號機供熱擴容改造。

4.1 通流改造效果

根據(jù)通流改造前后THA工況試驗結(jié)果，改造前機組在高壓調(diào)門三閥全開狀態(tài)下，試驗發(fā)電熱耗率為8334kJ/kW·h，經(jīng)過參數(shù)修正后的發(fā)電熱耗率為8152kJ/kW·h；改造后THA工況試驗因3號機組本次通流改造后取消了調(diào)節(jié)級，因此機組在高壓調(diào)門四閥全開狀態(tài)下，試驗發(fā)電熱耗率為7948kJ/kW·h，經(jīng)過參數(shù)修正后的發(fā)電熱耗率為7875kJ/kW·h；比改造前下降了277kJ/kW·h，按廠用電率4.78%、管道效率98%計算，供電煤耗下降10.79g/kW·h。

根據(jù)性能考核試驗結(jié)果，該廠3號機組THA工況經(jīng)修正后的平均熱耗率為7864 kJ/kW·h，75%THA工況經(jīng)修正后的平均熱耗率為7984 kJ/kW·h。按（THA×1/3+ 75%THA×2/3）熱耗率加權，得到3號機組加權后的熱耗率為7944kJ/kW·h，折算供電煤耗309.58g/kW·h。較通流改造前該機組的平均供電煤耗為331.5 g/kW·h，有明顯的節(jié)能降耗效果。

4.2 供熱改造效果

結(jié)合能耗實測試驗，對3號機組開展了純凝工況和對外供熱工況的能耗比對，具體數(shù)據(jù)見表3、表4。

通過表3看到，與純凝工況相比，3號機組在對外供熱工況，機組供電煤耗在不同負荷工況下均有不同程度的下降。

利用在線基于耗差分析系統(tǒng)，通過機組在線運行參數(shù)的實際值，分析計算機組運行經(jīng)濟性指標，當機組供熱量在100t/h及以上、機組負荷在76%及以上時，機組供電煤耗可降低至300g/kW·h。

5 結(jié)語

3號機組經(jīng)過汽輪機通流提效改造，大幅度降低了熱耗率和供電煤耗等能耗指標，節(jié)能降耗效果明顯；該機組在此基礎上又進行了供熱改造，機組運行經(jīng)濟性得到進一步提高。在積極響應國家“三改聯(lián)動”號召的同時，也增加了火力發(fā)電企業(yè)的市場競爭力，3號機組的成功改造可為同類型火電機組開展節(jié)能降耗工作提供參考。

參考文獻

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