張彬 趙金濤 胡雪梅

摘 要：TOSHIBA原型1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)存在級(jí)間焓降過(guò)大、調(diào)節(jié)級(jí)效率偏低、中壓進(jìn)汽部分需要冷卻、低壓缸采用非落地軸承等設(shè)計(jì)缺陷。在長(zhǎng)期運(yùn)行中，汽輪機(jī)隔板疲勞會(huì)導(dǎo)致宏觀(guān)裂紋，汽輪機(jī)熱耗偏離設(shè)計(jì)值至少200 kJ/（kW·h），低壓軸承在高真空下出現(xiàn)振動(dòng)突增?；谏鲜鰡?wèn)題，本文結(jié)合機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，提出一套較為理想的汽輪機(jī)通流部分改造方案并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，在增量機(jī)組困難的現(xiàn)狀下，這對(duì)于百萬(wàn)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性提升具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：通流改造;全周進(jìn)汽;節(jié)流調(diào)節(jié);寬負(fù)荷葉片

中圖分類(lèi)號(hào)：TM621文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）08-0128-03

Transformation and Benefit Analysis of 1 000 MW Ultra-supercritical Impulse Steam Turbine

ZHANG Bin ZHAO JintaoHU Xuemei

（Pingdingshan Power Generation Branch， Henan Electric Power Co.， Ltd. of SPIC，Pingdingshan Henan 467000）

Abstract： The TOSHIBA prototype 1 000 MW ultra-supercritical steam turbine has design defects such as excessive interstage enthalpy drop， low regulating stage efficiency， low-pressure steam inlet parts requiring cooling， and low-pressure cylinders using non-ground bearings. In long-term operation， the fatigue of the turbine diaphragm will cause macro cracks， the heat loss of the turbine will deviate from the design value by at least 200 kJ/（kW·h）， and the low-pressure bearing will experience a sudden increase in vibration under high vacuum. Based on the above problems， this paper combined with the actual operation of the unit， put forward a set of more ideal steam turbine flow-through reconstruction scheme and economic analysis， which had certain guiding significance for the economic improvement of millions of units under the current situation that the incremental unit was difficult.

Keywords： through-flow reformation;full-period intake steam;throttling adjustment;wide-load blade

根據(jù)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、原環(huán)境保護(hù)部和國(guó)家能源局聯(lián)合下發(fā)的《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）的通知》（發(fā)改能源〔2014〕2093號(hào)）、《國(guó)家能源局綜合司關(guān)于分解落實(shí)煤電節(jié)能減排升級(jí)改造目標(biāo)任務(wù)的通知》（國(guó)能綜電力〔2014〕767號(hào)）要求，原則上，各單位每年技術(shù)改造資金中，在去除脫硫、脫硝、除塵器和灰壩等重大環(huán)保改造項(xiàng)目資金外，節(jié)能改造的投入應(yīng)達(dá)到其余技改資金的40%。對(duì)于汽機(jī)通流、供熱改造等重大節(jié)能改造項(xiàng)目，經(jīng)技術(shù)方案論證可行且資本金內(nèi)部收益率≥8%的應(yīng)盡早安排改造。因此，本次改造研究原則為：汽輪機(jī)原有基礎(chǔ)不變，各抽汽口參數(shù)變化不超過(guò)5%，抽汽級(jí)數(shù)不變，汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變[1-3]。

1 機(jī)組設(shè)備概況

1.1 汽輪機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)介

某電廠(chǎng)汽輪機(jī)型號(hào)為N1030-25/600/600，為超超臨界、一次中間再熱、沖動(dòng)式、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)，汽輪機(jī)磨機(jī)葉片長(zhǎng)度為1 219 mm，設(shè)計(jì)運(yùn)行背壓為4.9 kPa。熱力系統(tǒng)采用常規(guī)的8段非調(diào)節(jié)抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)，即三高、四低、一除氧，高壓加熱器為單列布置。

1.2 機(jī)組缺陷情況

自2010年投產(chǎn)以來(lái)，機(jī)組（以1號(hào)機(jī)組為例）經(jīng)歷過(guò)3次大修，第一次大修為投產(chǎn)4年后，當(dāng)時(shí)檢查高、中壓隔板外觀(guān)及變形量均正常，僅有高中壓第一級(jí)噴嘴中分面出汽邊存在部分吹蝕現(xiàn)象;但次年同類(lèi)型機(jī)組在運(yùn)行中出現(xiàn)中壓反向第二級(jí)隔板脫落的事件，因此該機(jī)組大修后第二年又進(jìn)行揭缸檢查，雖然未發(fā)現(xiàn)隔板宏觀(guān)裂紋，但仍然根據(jù)廠(chǎng)家意見(jiàn)，將高、中壓15級(jí)共21列隔板進(jìn)行返廠(chǎng)，加固后，噴嘴流線(xiàn)發(fā)生變化;為檢驗(yàn)加固效果，2017年再次開(kāi)展揭缸檢查，對(duì)高中壓隔板進(jìn)行相控陣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)隔板內(nèi)外環(huán)與靜葉之間的深焊縫存在大量焊接未融合的現(xiàn)象，高中壓隔板全部都有缺陷，未融合平均長(zhǎng)度約為200 mm，最長(zhǎng)的達(dá)870 mm。根據(jù)廠(chǎng)家意見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)深度在20 mm以?xún)?nèi)的表面缺陷進(jìn)行挖補(bǔ)冷焊處理。

同樣地，#2機(jī)組在2015年進(jìn)行隔板加固，2019年進(jìn)行B修復(fù)查，發(fā)現(xiàn)高中壓隔板表面均已存在明顯裂紋，部分隔板裂紋縫隙較大，高壓隔板更為嚴(yán)重，且主要集中在出汽邊內(nèi)外圍帶焊縫處。經(jīng)專(zhuān)家會(huì)診確認(rèn)，對(duì)隔板裂紋進(jìn)行挖補(bǔ)冷焊處理無(wú)法保證隔板的安全性，需要返廠(chǎng)對(duì)隔板裂紋進(jìn)行處理。隨后，高中壓共19級(jí)隔板全部返廠(chǎng)，進(jìn)行車(chē)削、加焊、熱處理后重新安裝。該缺陷表層原因在于焊接性隔板的窄焊縫焊接水平未達(dá)到東芝的工藝要求，焊接未融合缺陷導(dǎo)致裂紋從內(nèi)到外延伸產(chǎn)生表面缺陷。深層原因?yàn)榇笕萘?、高參?shù)汽輪機(jī)組隔板承受的壓力過(guò)大，大焓降的沖動(dòng)式隔板設(shè)計(jì)不適用于大容量汽輪機(jī)組。

1.3 機(jī)組性能情況

該機(jī)型原設(shè)計(jì)熱耗率為7 310.9 kJ/（kW·h），然而機(jī)組實(shí)際運(yùn)行熱耗為7 633.2 kJ/（kW·h），較設(shè)計(jì)值偏高4.41%，在高壓部分設(shè)計(jì)中，采用雙列調(diào)節(jié)級(jí)，效率降低0.3%，采用中壓轉(zhuǎn)子冷卻使機(jī)組熱耗增加25 kJ/（kW·h），隔板加固后，級(jí)效率降低0.3%，主汽閥組壓損5%。上述情況主要受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)技術(shù)、制造加工能力因素的影響，具體包括：采用沖動(dòng)式大焓降葉片通流設(shè)計(jì)理念，級(jí)效率偏低;高、中壓部套接配面過(guò)多，機(jī)組存在不同程度的內(nèi)漏;汽封間隙質(zhì)量控制不佳，影響漏汽損失;低壓內(nèi)缸存在變形和漏汽;高中壓焊接隔板結(jié)構(gòu)制造與設(shè)計(jì)存在一定偏差等。

2 通流部分改造研究

2.1 高壓部分改造方案

若高參數(shù)、大容量汽輪機(jī)采用沖動(dòng)式設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致隔板上的級(jí)間壓力及蒸汽焓降增加，因此將高壓缸整體更換，內(nèi)缸采用較為成熟的反動(dòng)式套環(huán)或筒形缸，充分利用原有高壓部分空間，按照多級(jí)小焓降、變反動(dòng)度設(shè)計(jì)理念，布置14～17級(jí)壓力。配套對(duì)壓損超過(guò)5%的四個(gè)主汽閥組進(jìn)行更換，采用2主+2調(diào)+2過(guò)載閥方式，主汽閥全開(kāi)壓損小于2%，補(bǔ)汽閥開(kāi)啟點(diǎn)為T(mén)HA工況，汽輪機(jī)原基礎(chǔ)、支撐方式不變，改造后，各工況高壓缸缸效不低于91%。

2.2 中壓部分改造方案

中壓外缸和中壓主汽門(mén)保留，僅更換內(nèi)缸和轉(zhuǎn)子。內(nèi)缸采用三段布置結(jié)構(gòu)，內(nèi)缸與外缸的配合按原機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，中壓內(nèi)缸進(jìn)汽仍采用底部進(jìn)汽、通過(guò)插管連接的方式設(shè)計(jì)。改造后，現(xiàn)有機(jī)組的抽汽管道結(jié)構(gòu)將保留，無(wú)須進(jìn)行改動(dòng)，中壓內(nèi)缸采用中分面螺栓進(jìn)行把合，轉(zhuǎn)子加裝平衡塊的位置和原來(lái)相同，平衡面的入口位置保持不變。

中壓缸進(jìn)汽第一級(jí)采用切向進(jìn)汽斜置靜葉結(jié)構(gòu)，并采用低反動(dòng)度葉片級(jí)（約20%的反動(dòng)度）設(shè)計(jì)方式;采用切向渦流冷卻技術(shù)，取消中壓轉(zhuǎn)子冷卻;采用變反動(dòng)度設(shè)計(jì)的原則，即由最佳的汽流特性決定各級(jí)的反動(dòng)度，使各級(jí)葉片均處在最佳運(yùn)行狀態(tài)，提升機(jī)組的通流效率;改造后，中壓缸通流級(jí)數(shù)為2×（11～13），中壓缸效率在各工況下不低于92%。

2.3 低壓部分改造方案

保留低壓外缸，更換低壓內(nèi)缸和轉(zhuǎn)子。低壓內(nèi)缸設(shè)計(jì)中采用斜置撐板結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)缸溫度場(chǎng)，利用汽缸自身的熱脹達(dá)到運(yùn)行狀態(tài)自密封，使低壓內(nèi)缸中分面具有更好的密封性，明顯緩解或者消除低壓段抽汽溫度偏高的問(wèn)題。

低壓缸為座缸式軸承，不適合采用傳統(tǒng)反動(dòng)式機(jī)組的整鍛轉(zhuǎn)子，因?yàn)樵擃?lèi)轉(zhuǎn)子輪轂平均直徑大于沖動(dòng)式轉(zhuǎn)子，自重往往偏大。為了避免自重的增加給低壓外缸和軸承帶來(lái)更大的負(fù)荷，引起潛在的安全問(wèn)題，新的低壓轉(zhuǎn)子將采用輕量化的焊接設(shè)計(jì)思路，使得改造后低壓轉(zhuǎn)子作用在軸承座上的載荷基本不變，保證低壓缸運(yùn)行安全穩(wěn)定。改造后，通流級(jí)數(shù)2×2×7～8，末3級(jí)為自由葉片，末級(jí)葉片長(zhǎng)度為1 146 mm或1 200 mm，低壓缸效率在各工況下不低于90%。

2.4 熱力系統(tǒng)優(yōu)化方案

本次改造充分考慮機(jī)組靈活性，通流部分設(shè)計(jì)兼顧低負(fù)荷運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[4-5]，為寬負(fù)荷設(shè)計(jì);考慮低負(fù)荷脫硝系統(tǒng)投入運(yùn)行的安全性，本次改造增加#3高加外置蒸冷器，同步對(duì)#1高加進(jìn)汽汽源進(jìn)行改造，增加低負(fù)荷汽源，提升低負(fù)荷下給水溫度，其間至少提高15℃。

3 通流改造優(yōu)化

3.1 再熱阻力優(yōu)化

統(tǒng)計(jì)歷年的再熱器壓損情況，三年來(lái)，平均值為6.7%，在常規(guī)的汽輪機(jī)設(shè)計(jì)中，該數(shù)據(jù)均按照10%。本項(xiàng)目根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況，按照7%的再熱器壓損進(jìn)行設(shè)計(jì)，在中壓部分增加一級(jí)壓力級(jí)，有效提升機(jī)組能效，其間至少提升10 kJ/（kW·h）。

3.2 高壓部分優(yōu)化

原機(jī)組高壓缸效率在THA工況下只能保持87%，因此本次改造重點(diǎn)為該區(qū)域。本次利用沖動(dòng)式汽輪機(jī)的較大跨距（5 810 mm），優(yōu)化設(shè)計(jì)高壓各級(jí)，并盡可能增加通流級(jí)數(shù)，減少每級(jí)焓降，重?zé)嵯禂?shù)高，通流效率提升。其間主要采取以下措施：采用圓形內(nèi)缸，整體在生產(chǎn)車(chē)間組裝完成，裝配質(zhì)量得到極大保證;隔板由鍛造合金鋼塊加工而成的單個(gè)葉片整圈裝配而成，葉片強(qiáng)度提高，采用反動(dòng)式設(shè)計(jì)，承受荷載比沖動(dòng)式小，其整體強(qiáng)度得到大幅提升;變反動(dòng)度設(shè)計(jì)，使得各級(jí)葉片均處在最佳運(yùn)行狀態(tài)，提升機(jī)組的通流效率;采用斜置靜葉成功解決了首級(jí)葉片強(qiáng)度問(wèn)題，無(wú)汽隙激振;第一級(jí)采用低反動(dòng)式葉片級(jí)，第一級(jí)靜葉后，溫度降低15 ℃，從而降低第一級(jí)葉輪和轉(zhuǎn)子表面的溫度，為高壓轉(zhuǎn)子提供有利的工作條件。

3.3 #1高加汽源優(yōu)化

在新建機(jī)組中，設(shè)置零號(hào)高加，可提高機(jī)組低負(fù)荷工況的經(jīng)濟(jì)性，但本機(jī)組在設(shè)計(jì)初期已進(jìn)行場(chǎng)地優(yōu)化，高壓加熱器分三層布置，均在A排以外，因此現(xiàn)場(chǎng)無(wú)零號(hào)高加的安裝位置。為提高低負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)性，保證深度調(diào)峰階段脫硝效率，本工程將#1高加增加一路高壓汽源（即零抽），在75%負(fù)荷以下投入運(yùn)行，且系統(tǒng)做到無(wú)勿擾切換，避免零號(hào)高加頻繁啟停造成的設(shè)備疲勞。

4 效益分析

該電廠(chǎng)處于內(nèi)陸地區(qū)，按照以下條件進(jìn)行效益分析：年利用小時(shí)數(shù)為4 300 h，標(biāo)準(zhǔn)煤?jiǎn)蝺r(jià)為703.47元/t，100% THA、75% THA和50% THA三個(gè)工況負(fù)荷比例分配系數(shù)為2∶5∶3。

4.1 汽輪機(jī)本體改造效益分析

汽輪機(jī)本體改造前后，各工況指標(biāo)對(duì)比如表1所示?？紤]汽輪機(jī)0.8%老化的影響，經(jīng)計(jì)算，年度節(jié)煤4.66 94萬(wàn)t，節(jié)煤收益為3 284.8萬(wàn)元。項(xiàng)目投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為18.22%，靜態(tài)投資回收期為4.64年。

4.2 #1高加新增汽源效益分析

#1高加增加高壓汽源各負(fù)荷階段熱耗率如表2所示。經(jīng)計(jì)算，節(jié)煤收益約為88.85萬(wàn)元/年，財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為40.26%，靜態(tài)投資回收期為2.36年。該項(xiàng)目靜態(tài)總投資為200萬(wàn)元，而增加0號(hào)高加需要靜態(tài)總投資1 400萬(wàn)元，在財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率和靜態(tài)投資回收期方面，采用#1高加增加高壓汽源方案更為優(yōu)越。

4.3 #3高加外置冷卻器效益分析

本機(jī)組三級(jí)抽汽溫度較高，達(dá)到450 ℃，過(guò)熱度較大，能級(jí)利用效率低，因此可以在三級(jí)抽汽進(jìn)入加熱器前增設(shè)外置蒸冷器以提高給水溫度，可以進(jìn)一步降低機(jī)組煤耗。由于增加外置蒸冷器，#3高加出現(xiàn)換熱面積不足，蒸冷段出口處干壁溫度低于設(shè)計(jì)值，容易引發(fā)安全性問(wèn)題，人們需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)局部處理。上述改造費(fèi)用約為750萬(wàn)元，改造后，可降低機(jī)組熱耗12～15 kJ/（kW·h），節(jié)煤收益約為137.32萬(wàn)元/年，項(xiàng)目投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為14.97%，靜態(tài)投資回收期為6.04年。

5 結(jié)論

本工程實(shí)施后，機(jī)組發(fā)電煤耗有較大降低，相同發(fā)電量下，鍋爐耗煤量減小，同時(shí)實(shí)施環(huán)保改造，機(jī)組NOx、SO2、粉塵的年排放量下降，對(duì)改善區(qū)域環(huán)境有重大貢獻(xiàn)，有利于推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，打造美麗中國(guó)。

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