江苏省内在役1 000 MW汽轮机的特点与运行问题

2013-07-06姚永灵

电力工程技术 2013年3期

姚永灵，徐斌

(江苏方天电力技术有限公司，江苏南京211102)

随着2006年11月28日华能玉环电厂1号机组及同年12月4日华电国际邹县发电厂7号机组2台国产1 000 MW超超临界机组的相继投产，国内1 000 MW机组进入了快速发展时期。由于采用了较高的初参数，提高了蒸汽循环效率，再加上一些新技术的应用，超超临界机组经济性得到了大幅提高。1 000 MW超超临界机组比目前的主力机组600 MW超临界机组煤耗能降低约15 g/（kW·h），比300 MW亚临界机组降低的煤耗更是在20 g/（kW·h）以上，因此，越来越多大容量高参数的1 000 MW超超临界机组投产，必将大大提高火电机组整体经济性，减少发电厂二氧化碳和污染物的排放。

1 设计参数

我国三大汽轮机制造厂都采取了与国外公司合作的方式来发展超超临界汽轮机的技术路线，上海汽轮机有限公司、哈尔滨汽轮机有限公司和东方汽轮机有限公司分别与西门子公司、东芝公司和日立公司合作，生产了各自的1 000 MW超超临界汽轮机。从整体来看，3种机型都采用了单轴、一次中间再热、四缸四排汽、双背压、凝汽式、八级回热抽汽的方式，高压缸采用单流式，中压缸都是对称双流式，都有2个双流低压缸。3种机型的主要技术数据如表1所示。

表1 3种机组主要技术数据

东汽、哈汽机组为冲动式。上汽机组为反动式，高、中压缸级数较多。从蒸汽参数来看，2种机型都采用了600℃的主再热蒸汽温度，东汽、哈汽机组的主汽压力都为25 MPa，而上汽机组的主汽压力较高，达到26.25 MPa，而且该机型的主汽压力还有再提高的空间，这与其独特的高压缸结构有关。3种机组的设计热耗都达到了相当好的水平，相对而言，上汽机组由于更高的主汽压力及其独特的结构，设计的热力性能更好一些，其设计热耗达7 319 kJ/kW·h，比哈汽机组的设计热耗低了0.6%。

江苏省自2007年12月4日第一台投产到目前为止，已经有10台1 000 MW超超临界机组投产，其中2台是哈汽-东芝机组，其他都是上汽-西门子机组，目前正在建设中的6台1 000 MW机组也是上汽-西门子机组。

2 结构特点

文中讨论省内已投产的哈汽-东芝和上汽-西门子1 000 MW超超临界机组影响热力性能的几个主要结构特点。

2.1 高压缸

哈汽机组高压缸内外缸都采用了传统水平中分面形式[1]。上汽机组采用无中分面的圆筒型高压缸，高压外缸为轴向对分筒形结构，内缸为对剖垂直中分面筒形结构。圆筒型高压缸以紧凑的轴向法兰连接，有很高的承压能力，可承受更高的压力和温度。哈汽机组还是传统的4个调门，通过导汽管与高压缸相连。而上汽机组只有2个主汽调门并直接和汽缸相连，无导汽管，结构紧凑，流动损失大大减小。

对于大容量超超临界机组，调节级应力是影响机组结构设计和热力性能的关键因素[2]。哈汽机组采用喷嘴调节方式，为了保证调节级叶片在部分进汽情况下有足够的强度，不得不使用双流调节级结构（如图1所示），主汽通过4个高压调门分2路逆流进入调节级，其中一路调节级后蒸汽通过180°转向后进入压力级。相对于全周进汽方式，双调节级喷嘴调节方式的特点是能在低负荷时保持额定进汽压力，有利于提高循环效率；其不足是部分进汽损失以及汽流转向引起的调节级效率较低。

图1 哈汽-东芝机组调节级

上汽机组采用全周进汽加补汽阀方式，高压第一级采用斜置静叶、切向进汽（如图2所示），结构紧凑、损失小。全周进汽滑压运行，无效率相对较低的调节级，有利于提高汽轮机效率。

图2 上汽-西门子机组第一级

上汽机组的高压缸由于其独特的圆筒型汽缸、阀门配置和配汽方式，在效率上有明显优势。而哈汽机组由于缸体结构和调节级应力的限制，机组设计主汽压力为25 MPa，在超超临界机组中是比较低的，另外调门压损较大等因素对循环效率有一定影响。

2.2 中压缸

与高压缸类似，哈汽机组再热主汽门通过导汽管与汽缸连接，而上汽机组2个再热主调门直接和汽缸相连，有利于减少阻力。上汽机组中压第一级也是斜置静叶、切向进汽。虽然2种机型都采用双流中压缸，但排汽管结构有所区别。哈汽机组中压缸有2个排汽口分别与连通管相连。上汽机组中压缸则只有1个排汽口布置在汽缸中间顶部，与连通管相连。这样的布置使中低压连通管结构紧凑顺畅，有利于减少排汽阻力。

这2种机型中压缸最大区别体现在对中压转子的冷却方式上。为降低中压进汽前几级的温度，必须设计中压转子的冷却蒸汽系统，哈汽机组冷却蒸汽来自高压调节级后的节流蒸汽，通过冷却蒸汽管进入中压汽轮机，利用菌型叶根与叶轮的预留间隙流动，冷却中压前2级叶根。上汽机组对中压转子的冷却方式比较独特，在中压缸进口有4个切向进汽孔，将蒸汽引入进汽室与转子之间并加速形成涡流，蒸汽能量转换为动能后，温度可下降15℃左右，起到冷却中压转子的作用。

2.3 低压缸

无论冲动式还是反动式汽轮机，低压缸部分结构基本相近。2种机型都采用了2个双流低压缸，共4个流程，每个流程都包含6级。

哈汽机组的48英寸末级叶片高度达到了传统叶片材料的极限长度，是目前最长的汽轮机叶片，排汽面积比上汽机组大8.3%。更大的排汽面积有利于降低余速损失，提高汽轮机整体效率。

3 实际热力性能及存在的问题

国内已经投产的1 000 MW超超临界汽轮机都进行了性能考核，从试验结果来看，各种机型都达到了制造厂的热耗保证值。考虑到考核试验考核的是汽轮机本体，热力系统一般不在考核范围之内，考核的边界条件较多而且比较严格，导致试验结果修正项目较多和修正量较大，再加上进行考核试验时汽轮机都处于刚投产时新的状态或者考虑了老化修正，这些因素导致考核试验结果并不一定能全面反应整个汽轮机的实际性能，尤其不能反应经过一段时间运行后处于相对稳定状态下汽轮机的实际性能。

省内哈汽1 000 MW机组投产已有4年，上汽机组投产也有近3年的时间，这些机组陆续进行了多次的性能试验，通过对各1 000 MW机组历次性能试验以及运行统计情况分析，目前1 000 MW机组实际的热耗水平在7 450～7600 kJ/（kW·h），与热耗设计值之间有一定差距，一方面是汽轮机本体性能下降，另一方面是热力系统的状态造成的。在机组运行及性能试验过程中，发现如下几个问题。

3.1 主汽调门压损问题

哈汽机组采用传统的喷嘴调节方式，除了部分进汽损失，还存在调门节流损失，试验发现该机组调门即使在全开状态下节流压损也较大，影响了高压缸实际运行效率，该机组实测高压缸效率在87%左右。

上汽厂机组采用无调节级方式，全周进汽，没有部分进汽损失，而且调门节流损失也达到最小，在阀门全开状态下，高压缸试验效率可以达到91%。该机组高压缸设计了1个补汽阀，其作用是在夏季高背压情况下保证机组出力，实际运行情况表明2个主调门基本能满足出力的要求，夏季满负荷一般也无需开补汽阀。但是，为了满足电网调频的要求，实际运行时机组调门并没有处于全开状态，而是处于节流状态（保留5%左右的流量裕量）以提高机组负荷响应能力，这种运行状态实际上消弱了该机组全周进汽设计在经济性方面的优越性，导致高压缸效率降低1%左右。

对于上汽机组而言，如何在满足电网调频要求的前提下尽可能使调门节流损失降到最低，充分发挥其设计上的优势，是值得研究的课题。

3.2 汽封漏汽偏大问题

汽轮机动静间隙之间漏汽量对汽轮机效率影响很大。抽汽温度相对于设计值的偏高程度可以比较直观反映缸内汽封漏汽情况。因为汽轮机动静间隙逐步变大难以避免，所以抽汽温度偏高是普遍存在的现象。相对而言哈汽机组抽汽温度偏高比较明显，特别是低压缸的第5级和第6级抽汽，严重时超温达30℃多。其原因可能是该低压缸容易变形，导致动静间隙变大，而且很难消除。另外，汽封的形式和性能也是影响因素。与汽缸内汽封漏汽类似，轴端汽封漏汽量也存在偏大的问题。如曾经在性能试验中测量上汽机组高压缸轴封去中压缸排汽口的漏汽量，比设计值大了近1倍。

解决汽封漏汽偏大问题，有些可以通过更换性能更好的汽封或在检修过程中调整汽封间隙来解决。但对于汽缸变形等因素导致的漏汽量偏大则较难解决，需要对汽缸结构进行改进。

3.3 冷却蒸汽量问题

哈汽机组中压转子的冷却采用了传统的从高压缸调节级后引入较低温蒸汽的方法，其流量是通过节流孔和阀门控制的，但实际上该流量很难合理控制，导致该流量大大高于设计值，在某次试验中应用间接测量的方法对该流量进行了测量，结果是达到了54 t/h，而设计流量只有不到20 t/h，过大的冷却蒸汽绕过高压缸直接进入中压缸，将大大影响机组的经济性。