(重慶發(fā)電廠 工程部，重慶 400053)

我國是一個能源消耗大國，目前火電在電力供給上依然占據(jù)重要地位。隨著汽輪機組大型化、高參數(shù)的發(fā)展趨勢，以及對節(jié)能降耗的極致追求，在機組設(shè)計和項目規(guī)劃階段盡可能選用目前較為成熟并具有良好前景的優(yōu)化技術(shù)路線，是火電建設(shè)初期必須進行的一項工作。某電廠環(huán)保遷建工程規(guī)劃建設(shè)2×660 MW高效一次再熱超超臨界燃煤濕冷發(fā)電機組，同步建設(shè)煙氣脫硫、脫硝裝置，以期達到超低排放的目的。該工程汽輪機采用東方汽輪機有限公司(以下簡稱“東汽”)生產(chǎn)的高效超超臨界、中間一次再熱、四缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式、十級回?zé)崞啓C。汽輪機額定進汽參數(shù)28.0 MPa(a)/600 ℃/620 ℃，平均背壓4.93 kPa，THA工況汽機熱耗7 164 kJ/kW·h。在初步設(shè)計階段，經(jīng)過與設(shè)計院、主機廠反復(fù)溝通協(xié)調(diào)，確定了汽輪機系統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)路線[1-2]。

1 主要的優(yōu)化技術(shù)路線

1.1 汽輪機系統(tǒng)配置

要提高汽輪機組的整體效率，除了汽輪機本體的優(yōu)化外，還要盡可能減小各個環(huán)節(jié)的損失。本工程汽輪機系統(tǒng)采用三高加(含3#高加的前置式蒸汽冷卻器)、五低加以及除氧并增設(shè)0#高加的十級回?zé)嵯到y(tǒng)，取消高壓導(dǎo)汽管道，高壓管道用彎管代替彎頭。每臺機組給水泵采用由小汽輪機驅(qū)動的單臺全容量給水泵，凝結(jié)水泵采用一拖二變頻裝置，采用高位收水塔降低噪聲和循環(huán)水泵電耗，循環(huán)水泵采用一臺定速一臺雙速的配置。

1.2 技術(shù)規(guī)范

汽輪機型號為N660—28/600/620型，其技術(shù)參數(shù)如下。

1)額定功率(銘牌功率TRL)下參數(shù)：額定功率為660 MW；額定主汽門前壓力為28 MPa(a)；額定主汽門前溫度為600 ℃；額定再熱汽閥前溫度為620 ℃。

2)最大連續(xù)功率(TMCR)下參數(shù)：功率為691.133 M；主汽門前壓力為28 MPa(a)；主汽門前溫度為600 ℃；再熱汽閥前溫度為620 ℃。

3)閥門全開(VWO)功率下參數(shù)：功率為710.465 MW；主汽門前壓力為28 MPa(a)；主汽門前溫度為600 ℃；再熱汽閥前溫度為620 ℃。

4)通流級數(shù)：高壓12～14級(暫定，可能會采用更多級數(shù))+中壓10級+低壓2×2×5級。

5)低壓缸末級葉片長度為1 016 mm。

1.3 汽輪機本體的優(yōu)化

1)主蒸汽壓力及再熱蒸汽溫度優(yōu)化：將新蒸汽初壓從26.25 MPa提高到28 MPa，降低汽輪機熱耗約22 kJ/kW·h；將再熱蒸汽溫度從600 ℃提高到620 ℃，降低汽輪機熱耗約28 kJ/kW·h。兩種措施共降低熱耗約50 kJ/kW·h，發(fā)電標(biāo)煤耗約降低1.8 g/kW·h。隨著耐高溫耐高壓材料的不斷研制開發(fā)，高壓管道、汽輪機轉(zhuǎn)子、汽缸材料也更先進，耐受更高壓力、溫度的金屬材料得到應(yīng)用。高壓管道采用了A335P92，中壓轉(zhuǎn)子采用FB2、中壓缸內(nèi)缸采用CB2以適應(yīng)汽輪機主蒸汽和再熱蒸汽高參數(shù)的要求。

2)高壓缸進汽采用節(jié)流配汽方式，取消噴嘴室，取消調(diào)節(jié)級；進汽方式采用上下切向進汽，進汽腔室為變截面進汽。圖1為最新的結(jié)構(gòu)布置圖。東汽原600 MW等級超超臨界機組采用調(diào)節(jié)級噴嘴配汽方式，由于部分進汽以及調(diào)節(jié)級安全性等因素，調(diào)節(jié)級效率較低。優(yōu)化后高壓缸采用節(jié)流配汽方式，為全周進汽，首級效率高。采用節(jié)流配汽后的設(shè)計點效率與噴嘴配汽的調(diào)節(jié)級設(shè)計點效率對比見表1。采用四缸四排汽全周進汽新機型降低熱耗約50 kJ/kW·h，發(fā)電標(biāo)煤耗約降低1.8 g/kW·h。除此之外，優(yōu)化高壓進汽管道配置，取消高壓導(dǎo)汽彎管，主蒸汽從調(diào)節(jié)閥后直接插入汽缸，減少壓力損失約3%，進一步提高了機組效率。

圖1 高壓缸配汽結(jié)構(gòu)布置圖

表1 噴嘴配汽調(diào)節(jié)級與節(jié)流配汽首級效率對比表 %

項目噴嘴配汽節(jié)流配汽首級效率73.585.3首級效率收益-11.8缸效率收益-1.75

3)高壓缸內(nèi)缸采用筒形紅套環(huán)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在萬州(28 MPa)、焦作(25 MPa)、安源(31 MPa)等項目上均已投產(chǎn)。此種結(jié)構(gòu)內(nèi)缸結(jié)構(gòu)對稱，形狀簡單，承壓能力強，熱變形小，可以實現(xiàn)機組的快速啟停；同時由于幾何尺寸小，可以在主機廠整體組裝后整體發(fā)貨，減少現(xiàn)場的安裝調(diào)試工作量，提高整體安全性；在機組投產(chǎn)后，大修周期在8年以上，可以很方便地進行現(xiàn)場檢修且所需要的檢修周期很短，成本費用低廉。

4)高中壓分缸，高壓缸逆流布置，中壓缸采用單流程順流布置，高中壓缸反向布置有利于平衡汽輪機軸向推力；優(yōu)化高壓缸級數(shù)，擬采用多級數(shù)、小焓降優(yōu)化匹配，采用先進葉形、全氣動三維設(shè)計，提高效率。采用DAS汽封和沖動式設(shè)計，可以保證有較好的持久效率。優(yōu)化高中低壓缸的分缸壓力匹配，東汽原設(shè)計機型再熱壓力約為主汽壓力的17.5%，針對本工程高效超超臨界機組，對再熱壓力進行了優(yōu)化，優(yōu)化后再熱壓力為主汽壓力的20%。東汽原機型中壓缸排汽壓力約為1 MPa，針對新型的高效超超臨界機組，東汽對中壓缸排汽壓力進行了優(yōu)化，將中壓排汽壓力降低到了0.5 MPa左右，提高再熱壓力以及降低中壓排汽壓力。一方面由于汽輪機中壓缸效率較高，所以增加了中壓缸焓降，提升了汽輪機的整體經(jīng)濟性；另一方面降低中壓缸排汽壓力，使得低壓缸的進汽參數(shù)降低，減少了潛在的低壓缸變形風(fēng)險，提高了機組的壽命以及安全性。中壓模塊采用成熟的單流程設(shè)計，采用CB2/FB2材料適應(yīng)620 ℃高溫，采用內(nèi)缸加隔板套的特色設(shè)計，熱應(yīng)力低，變形小，脹差小。低壓缸模塊采用雙層低壓缸、整體內(nèi)缸，A、B缸對稱布置，采用雙流四排汽；整體內(nèi)缸體積縮小，結(jié)構(gòu)簡單，剛性好；采用更低的低壓缸進汽參數(shù)，降低了熱應(yīng)力；兩缸分別負(fù)責(zé)抽汽，單缸抽口減少，抽汽對主流流場擾動較小，提高了低壓缸效率。

5)末級葉片選型優(yōu)化：末級葉片的選擇原則主要是根據(jù)排汽容積流量確定合適的排汽面積，以使機組在各工況運行時排汽環(huán)形速度在合理范圍內(nèi)，減小排汽損失，提高機組運行經(jīng)濟性。在660 MW等級濕冷機組上，東汽擁有1 016 mm、909 mm末葉低壓模塊，用以適應(yīng)不同的冷端條件，以使機組性能達到最佳。針對本工程機組，在方案設(shè)計中，東汽在末葉選取方面進行了相關(guān)比較論證工作，詳見圖2。

圖2 不同負(fù)荷下1 016 mm末葉方案和909 mm方案熱耗對比

從圖2中可以看出，對于本工程機組，在70%負(fù)荷率以上，1 016 mm方案均優(yōu)于909 mm方案。因此，該機組采用1 016 mm末葉低壓模塊。

6)通流設(shè)計采用新技術(shù)進行葉型優(yōu)化，加工制作彎扭葉片，提高級效率。采用通流流道整體優(yōu)化技術(shù)，對流場進行優(yōu)化，減少二次流、摻混、擾流損失。

1.4 汽輪機熱力系統(tǒng)的優(yōu)化

1)增設(shè)0#高加

在1#高加前增設(shè)一個0#高加，提高機組低負(fù)荷時的給水溫度，高負(fù)荷時0#高加不投運，從而改善汽輪機低負(fù)荷時的經(jīng)濟性，另外一個較為明顯的好處是改善低負(fù)荷時脫硝系統(tǒng)的工況。設(shè)置0#高加，該工程機組高壓缸為筒型缸，在高壓缸上開孔具備可行性。本工程機組高壓通流級數(shù)暫定為14級，0#抽汽從第7級后抽取。設(shè)置0#高加的初步系統(tǒng)圖見圖3。

圖3 0#高加系統(tǒng)圖

①增設(shè)0#高加相當(dāng)于在部分負(fù)荷時增加一級回?zé)幔⑻岣咦罱K給水溫度，從而改善汽輪機在低負(fù)荷的運行經(jīng)濟性。0#高加在75%及以下負(fù)荷時完全投入；機組在75%～100%負(fù)荷運行時，0#高加通過調(diào)整抽汽調(diào)節(jié)門開度來控制給水溫度與THA工況給水溫度相當(dāng)。增設(shè)0#高加后，由于給水溫度升高，省煤器受熱面吸熱量減少，SCR入口煙溫升高，鍋爐排煙溫度相應(yīng)升高，鍋爐效率略有降低；設(shè)置0#高加后鍋爐排煙溫度升高，排煙損失相應(yīng)增大，但由于在除塵器前設(shè)置有低溫省煤器，煙氣熱量可通過低溫省煤器的凝結(jié)水回收。因此，綜合來看，設(shè)置0#高加在鍋爐側(cè)引起的變化對機組運行經(jīng)濟性影響很小。

②增設(shè)0#高加后，在機組低負(fù)荷運行時投入加熱給水，提高了低負(fù)荷時的機組效率。表2所示為不同負(fù)荷下0#高加投運與0#高加不投運的熱耗差，從中可以看出：與不設(shè)置0#高加方案相比，0#高加投運后在75%THA工況時汽輪機的熱耗降低27 kJ/kW·h；在50%THA工況時汽輪機的熱耗降低47 kJ/kW·h；在40%THA工況時汽輪機的熱耗降低50 kJ/kW·h。隨著機組負(fù)荷的降低，設(shè)置0#高加帶來的收益越大。

表2 汽機熱耗對照表

當(dāng)然，設(shè)置0#高加，將增加項目初始投資，但是經(jīng)過相關(guān)設(shè)計院和主機廠的核算，收益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于投資，具備很好的經(jīng)濟性。

2)冷端優(yōu)化技術(shù)

①在常規(guī)的抽真空系統(tǒng)上進行了優(yōu)化，系統(tǒng)采用擴大單元制運行方式。機組正常運行時，真空泵二運一備，其中指定的兩臺真空泵分別對應(yīng)高/低背壓凝汽器運行，低背壓側(cè)采用1臺70 kg/h抽空氣能力真空泵，高背壓側(cè)采用1臺54 kg/h抽空氣能力真空泵，另設(shè)置1臺70 kg/h抽真空能力真空泵作為任意一臺運行真空泵的備用，從而降低運行電耗。

②常規(guī)塔的冷卻水經(jīng)填料自由跌落的高度(即雨區(qū))較大，導(dǎo)致常規(guī)塔供水高度較高，故循環(huán)水泵揚程較高、功率較大。近年來隨著大容量的1 000 MW火電機組及內(nèi)陸核電機組的增多，所配超大型冷卻塔面積達到12 000～20 000 m2，加之燃料費用不斷升高，高位塔的優(yōu)勢逐漸突顯，國內(nèi)對高位塔的應(yīng)用研究已經(jīng)逐步成熟，目前已在重慶萬州、安徽安慶等電廠2×1 000 MW機組得到應(yīng)用。與采用常規(guī)冷卻塔相比，采用高位收水塔，循環(huán)水泵揚程降低約8 m，循環(huán)水泵電機可由3 300 kW降低到2 400 kW，出塔水溫相同情況下，將大量節(jié)約廠用電，廠用電率降低0.172%，供電煤耗降低0.49 g/kW·h，收益可觀。由于收水裝置采用了導(dǎo)流斜板，所以經(jīng)過換熱降溫后的循環(huán)水在雨區(qū)降落時基本沒有噪聲，減輕了環(huán)保壓力。

圖4 采用高位收水冷卻塔的循環(huán)供水系統(tǒng)圖

3)采用低溫省煤器回收鍋爐側(cè)的煙氣余熱。該工程設(shè)一級低溫省煤器，布置在靜電除塵器前，加熱凝結(jié)水，排擠汽機7#低加抽汽，可降低汽機熱耗約31 kJ/kW·h，節(jié)約發(fā)電標(biāo)煤耗約1.13 g/kW·h。

1.4 汽輪機輔機的優(yōu)化

1)采用100%容量由小汽輪機驅(qū)動的給水泵，并規(guī)定芯包為原裝進口設(shè)備。采用雙側(cè)出軸，前置泵同軸布置以便降低廠用電。小汽輪機自帶凝汽器，從而方便大機凝汽器管束布置，其端差和背壓也便于優(yōu)化。

2)凝泵設(shè)變頻裝置。凝結(jié)水系統(tǒng)采用2×100%國產(chǎn)凝泵，配一套變頻裝置。簡化系統(tǒng)設(shè)計，提高國產(chǎn)化率，減少投資，同時又能達到經(jīng)濟運行、節(jié)能降耗的目的。

3)設(shè)置低加疏水泵+變頻。7#低加疏水管道出口設(shè)有2臺100%容量的互為備用的疏水泵，將5#、6#及7#這3臺低加的疏水引至7#低加出口凝結(jié)水管道，可以減少冷源損失，提高機組運行經(jīng)濟性。與常規(guī)逐級自流的疏水系統(tǒng)比較，可降低汽輪機熱耗約3.5 kJ/kW·h。同時由于進入8#、9#低加的疏水量大大減少，凝結(jié)水泵的軸功率也因流量的減少而相應(yīng)降低。

4)高加上端差優(yōu)化為(-1.7，-1.0，0)，能降低汽輪機熱耗約2 kJ/kW·h。

5)循環(huán)水泵采用雙速電機。對循環(huán)供水系統(tǒng)，循環(huán)水泵按1臺機組配2臺循環(huán)水泵方案，采用擴大單元制，每臺機組配1臺雙速電機，根據(jù)水溫及負(fù)荷變化調(diào)節(jié)流量，采用此種配置后的循環(huán)水冷卻倍率為54/47.5/44.8/41/38.3，能達到較好的節(jié)能效果。

6)采用無頭內(nèi)置式除氧器。每只除氧器采用2只stork盤式恒速噴嘴(進口)，除氧器的出水含氧量≤5 μg/L，兩端除氧，除氧效率高。

7)開式循環(huán)水泵采用變頻調(diào)節(jié)控制，根據(jù)冷卻水溫度調(diào)節(jié)設(shè)備出力，有利于節(jié)約廠用電。

2 結(jié)論

汽輪機設(shè)備和系統(tǒng)是發(fā)電廠主要的組成部分，在熱力循環(huán)系統(tǒng)中占據(jù)決定性的位置，提高汽輪機設(shè)備系統(tǒng)的效率、降低其主輔機的能耗、提高設(shè)備運行的可靠性和經(jīng)濟性是發(fā)電廠節(jié)能降耗且高效安全可靠運行的主要方向。合理利用新技術(shù)、新材料、新工藝于新建機組，未雨綢繆，選擇最佳的優(yōu)化技術(shù)路線和方案，是汽輪機專業(yè)人員的不懈追求和努力的目標(biāo)。通過采取以上各項優(yōu)化方案，該工程機組的汽輪機效率可在國內(nèi)同類型機組中達到頂尖水平，接近神華萬州港電百萬機組的能耗水平，THA工況汽機熱耗7 164 kJ/kW·h，設(shè)計供電標(biāo)煤耗273.67 g/kW·h，作為660 MW機組，其先進性是不言而喻的。