汽机技术|火力发电厂汽轮机高中压缸预防缸体变型技术开发与应用


国投钦州发电有限公司成立于2004年1月8日,是由国投电力公司、广西投资集团有限公司双方按61:39股权比例投资组成的有限责任公司。一期工程项目建设2×600兆瓦超临界发电机组,并同步建设烟气脱硫装置。该工程为国家“十一五”期间的重点建设工程,配套建设7万吨级煤码头一座。于2005年3月10日国家发展改革改委员会以发改能源【2005】357号核准广西钦州燃煤电厂2×600兆瓦项目。工程于2005年5月23日正式开工。总投资43亿元,其中环保投资4.73亿元,占总投资的11%。

一、机组情况简介

国投钦州发电有限公司一期工程设计安装超临界600兆瓦汽轮发电机组两台(电厂编号:1号、2号),三大主机由东电集团制造。

汽轮机是东方汽轮机厂引进日立技术制造的N600-24.2/566/566 型超临界、一次中间再热、冲动式、单轴、三缸四排汽、双背压纯凝汽式汽轮机。制造厂编号D600E-000025ASM。额定出力600兆瓦,设计热耗率7,564千焦/千瓦时;设计最大出力670.556兆瓦;THA工况给水温度282℃;凝汽器压力5.88千帕。

锅炉由东方锅炉(集团)股份有限公司制造,型号:DG1900/25.4-Ⅱ2型;锅炉设计煤种,收到基低位发热量Qnet,v,ar 26,020千焦/千克(6,214.8卡/千克);设计BMCR工况,锅炉蒸发量1,950吨/小时;排烟温度124℃,效率93.46%。

发电机是东方电机有限公司引进日立技术制造的QFSN-655-2-22A型汽轮发电机组,冷却方式为水、氢、氢。额定功率因子0.9时,额定出力600兆瓦;最大连续输出功率655.2 兆瓦。发电机额定容量667兆伏安;最大额定容量728兆伏安。

机组设计最大出力670兆瓦配置,机组设计年利用小时5,500小时,1、2号机组分别于2007年 7月5日,2007年11月2日全部投入商业运行。机组投产后,国投钦电公司根据机组的设计特性,为充分利用机组设计性能与能力,报请相关部门并经批准,于2007年12月31日将机组铭牌改为(凝汽器压力11.8千帕)630兆瓦。

二、开发背景

引进日立技术,由东方汽轮机厂制造的超临界N600-24.2/566/566型汽轮机,采用高中压合缸结构。该型高中压合缸结构汽轮机,与国内、外不同典型制造厂设计制造的同类型高中压缸合缸汽轮机结构有所不同。其中,高中压内缸采用了为一体的结构,内缸轴向长度3480毫米。使用中最为突出的问题之一,是机组正常运行时高压调节级后内缸内、外壁温差均达100℃以上等,造成内缸结合面严重变形,自由状态时中分面内张口最大间隙达3.0毫米以上。

为改善这一突出问题,制造厂采用高中压内缸等部件返厂加工处理方案,且费用高昂,同时还将影响机组发电运行。我公司结合西安热工研究院、东方汽轮机厂意见以及广泛的市场调研经反复讨论研究,成立课题攻关小组,开展了火力发电厂汽轮机高中压缸预防缸体变型技术开发与应用研究。并制定了《2号汽轮机高中压缸夹层汽改造方案》。在2号汽轮机组A级检修中,实施改造。

三、关键技术及主要科技创新点

为了解决机组正常运行时内缸结合面严重变形,自由状态时高中压内缸中分面内张口最大间隙达3.0毫米以上的问题,制造厂采用高中压内缸等部件返加工厂处理方案,由于高中压内缸返厂需延长机组检修工期25天以上。而采用我公司《火力发电厂汽轮机高中压缸预防缸体变型技术》,即取消原BDV蒸汽系统;高压外上缸不开孔,借用原高中压缸冷却蒸汽管在高压外上缸孔,引BDV蒸汽至内外缸夹层前腔室,蒸汽管路上加装手动门、电动门,缸内加一锻造弯头,接短管,翻过内上缸档汽环(挡汽环对应位置开槽),出口加一个大小头(减压、扩流);高中压内缸挡汽环上半焊接阻汽片。本创新成果的火力发电厂用汽轮机夹层汽,包括夹层汽隔离阀1,用于夹层汽投运与隔离的切换,夹层汽连接管路5低点设置疏水阀2,用于夹层汽投运阶段的疏水。通过对高中压缸夹层引入BDV高温蒸汽,加热腔室,减少高中压内缸内外壁温差,减小内缸变形。该技术具有投资小见效快,在机组A修中就能实现,既能从根本上解决问题,又无需延长检修工期。该技术于2014年4月30号进行专利申报,经国家产权局审核、公布,于2015年4月29号授予发明型专利,专利号:ZL20141081286.8。

四、实施的方法

由国投钦州公司组织并主持,西安热工研究院见证,由中广核苏州热工院研究有限公司进行A修后机组性能试验。试验期间投入夹层汽,试验过程中并进行了一系列高中压缸夹层汽试验。

1.正常运行,不投与投入夹层汽源,稳定状态时各参数比较(DCS系统数据);

2.试验工况由试验更换仪表,数据采集IMP装置取得的数据,对不投与投入夹层汽源,根据相关理论和汽轮机结构进行的漏汽量计算结果;

3.机组正常停机、正常启动过程,投入夹层汽源,应用DCS系统数据,对机组启、停过程的效果进行分析与判断。

经测量结果与分析表明,投入夹层汽源后,各工况机组各项缸温差指标发生显著变化,以机组630兆瓦以上工况,高压内缸调节级断面内缸内、外壁温差为例:

(1)A修前,2号汽轮机高压内缸调节级断面内缸内、外壁温差91 ℃以上;1号汽轮机105.7℃;

(2)A 修后,对结构等采取措施,不投入夹层汽,高压内缸调节级断面内缸内外壁温差下降为81.8 ℃;

(3)A修后,投入夹层汽后,高压内缸调节级断面内缸内、外壁温差下降为60 ℃;

(4)机组经历启动、停机过程中,投入夹层汽后,内、外壁温差为20 ℃左右。以及3抽温度;中压缸内、外壁温度与温差;中压缸上、下缸温度与温差;胀差;振动等所发生的变化,所有相关参数均符合相关技术规定的要求;

五、系统与改造

图1:夹层加热系统图

1.试投运操作。

(1)先开启外缸疏水阀门,2分钟后;

(2)再开启夹层手动门前疏水,观察夹层和手动门前的蒸汽温度T,待温度T逐渐上升后;

(3)先开手动门1-2圈,让门漏汽,温度t慢慢上升,待温度升至400℃以上后,再全开门;

(4)关闭外缸疏水门。

2.计算与评价。

(1)投夹层汽前。

1)漏汽率试验;2)调节级内、外壁温度与温差;3)高压缸排汽t,缸效率;4)3VWO工况热力性能计算;5)缸胀、振动、轴位移;6)各缸温度;7)中压缸排汽t与缸效率和中压缸进汽门前至3段抽汽效率。

(2)投夹层汽后。

重复以上1)-7)步骤。

3.数据测量:试验测量数据,见表1。

表1:试验测量数据

4.采用该措施试验前后结果。

(1)试验与数据概述。

图2:东汽超临界600兆瓦汽轮机高中压缸结构与温度测点位置

1)试验在机组工况稳定后,由DCS画面提供的相关参数汇总于表2,测点位置见图2。数据虽然是工况比较稳定时取得,但只能客观反映基本状态和趋势,不能作为计算经济性和缸相对内效率的依据,表中压力是表压力。

2)表2也对2号汽轮机投入夹层汽前后结果,与1号汽轮机没有进行夹层汽改造相应运行工况进行相对比较。

3)表2数据表明:各项缸温差指标较改造前发生明显变化与改善。

4)夹层汽投入后各项控制指标正常。与不投夹层汽相比,机组各项控制指标基本无变化。

(2)夹层漏汽量计算。

根据汽轮机结构、安装测量和试验数据,应用相关的理论,对投入与不投夹层汽进行了漏汽量计算,汇总于表3。

1)投入与不投入夹层蒸汽,高中压缸平衡盘汽封漏汽量均随负荷的增大而增大;

2)投入夹层蒸汽后,高中压缸平衡盘的漏汽总量大于不投入夹层蒸汽时的漏汽总量,640兆瓦工况为例,计算最大差额为9吨/小时左右;

3)依据东方汽轮机厂N600-24.2/566/566汽轮机热力特性书提供的参数,以设计VWO工况为例,机组功率670.556兆瓦、主蒸汽流量1943.5吨/小时、高压缸的功率202.400兆瓦(占整机功率为30.2%)、调节级功率31.943兆瓦、高压缸通流压力级功率170.457兆瓦、流量1911.1吨/小时。

由表3中的H列VWO试验工况,投入夹层加热后,平衡盘的漏汽量比不投夹层加热时漏汽量大约9吨/小时,平衡盘的漏汽来自调节级后,就是说520℃,9吨/小时蒸汽未经高压缸通流2-8压力级做功。经汽封节流温度降为480℃蒸汽,直接进入高压缸内、外缸夹层,到达了高压缸排汽口,加热高压缸排汽,再到达再热器。旁路高压缸2-8压力级,少做功<1兆瓦。

4)夹层汽投入后,带来以下几个方面变化:明显的减小了高中压内缸内,外和上,下缸温差;减小高压缸向中压缸的漏汽;提高了中压缸第一级的进汽温度和减小这股汽流对中压缸第一级动叶进汽的扰动;提高了3抽温度;480℃左右的蒸汽进入高压缸夹层与330℃左右的蒸汽混合,提高了高排温度,减少了再热器的吸热量等。但与不投相比,漏汽量有所增加,旁路高压缸2-8压力级,少做功<1兆瓦。

(3)取消BDV系统与增加夹层蒸汽机组安全性。

引进日立技术,由东汽厂制造的300兆瓦、600兆瓦亚临界、超临界高中压合缸结构汽轮机,在高中压缸分缸汽封段,第3-4汽封块之间,设计有一根DN80的蒸汽管道,引出外缸,通过一气动阀,直接排入凝汽器。气动阀门杆有二档漏汽,内侧高压档漏汽排入高压缸排汽,外侧低压档漏汽排入轴封自密封母管,称之为BDV系统。原设计思路与功能是:当电网线路等故障,主机突然甩负荷与电网脱开,BDV阀打开,将高压缸通流内部分残余蒸汽迅速排入凝汽器,防止机组飞升转速太高。BDV阀设计逻辑为:只要汽门关闭,BDV阀就打开。

六、实际运用

1.主机停机或突然甩负荷,只要主机与电网没有脱开,机组转速不会飞升;

2.电网线路故障等,主机被甩负荷,并与电网脱开,机组转速达到107%额定转速前,关闭高中压调节阀,低压旁路阀开始打开。

3.汽轮机甩负荷,缸内残余蒸汽中压缸部分直接经低压缸排入凝汽器。高压缸蒸汽一部分经高中压缸平衡盘汽封(汽封环隙当量面积1884.8平方毫米,相当DN50平方毫米管道)排向中压缸至凝汽器,低旁打开也排至凝汽器。根据计算,高中压缸平衡盘汽封漏汽量与转子直径、汽封间隙、调节级与中压缸第一级隔板后前、后差压有关,640兆瓦以上工况时,计算漏汽量约30吨/小时,若打开BDV阀,漏汽被分流,至中压缸的漏汽量下降,开与不开BDV阀,漏汽总量差别9吨/小时左右。故缸内部分残余蒸汽漏向中压缸,与打开BDV后,一部分漏向凝汽器效果差别不大。

4.实测640兆瓦工况,正常运行BDV阀前与凝汽器压力差为10兆帕左右,且停机不分实际情况,频繁开、关,难以保持严密性。目前,已所投产的机组几乎没有不内漏的。在安全条件下,取消该系统,也有利于提高机组经济性。

5.夹层汽源2号汽轮机改造后与国内、外各种结构与类型合缸汽轮机是一致的,经各种条件运行与试验表明,夹层汽源投入有效提高了机组安全性。

七、经济效益及社会效益

1.经济效益。

该创新成果已在国投钦州发电有限公司2×630兆瓦超临界火力发电机组中得以推广应用,从运行效果来看,该技术的应用,可以有效降低汽轮机组,高压调节级后内缸内、外壁温差,避免高中压内缸结合面严重变形的情况发生,若未采用该技术应用,我公司机组在一个大修周期内(一般为五年)极易由于设备设计缺陷,使汽轮机高中压缸体产生温差应力变型的后果,并且仅可以通过缸体返厂维修的方式进行修复,在大修周期内将增加维修工期约25天以上,进而影响公司发量情况,以2014年公司机组运行数据进行推算,按照年度平均负荷383兆瓦,厂用电率5.42%,测算25天售电量约为21735万千瓦时;根据2014年公司边际贡献值0.2008元/千瓦时,测算大修年度将损失利润约为4364.28万元,同时增加维修费用35万元。

2.社会效益。

随着工业化的发展,坚持经济的可持续发展之路,必须大力倡导和发展科技创新能力。火力发电厂汽轮机高中压缸预防缸体变型技术的开发与应用,正是响应了国家科技创新的发展战略,为了弥补大型汽轮机设计缺陷,而诞生的一种新技术成果。该技术在整体构思上充分体现了创新的设计理念,在不改变原有设备整体构造的前提下,利用设备既有特性,加以研发,并在机组检修过程中即可改造完成。

本技术成果应用后,有效地消除了大型汽轮发电机组缸体温差问题、改善了设备运行方式,弥补了600兆瓦日立公司技术引进型汽轮机设计缺陷。同时对我国大型火力发电厂汽轮机自主研发设计提供有效的借鉴与参考,使我国大型汽轮机研发制造向国际先进水平看齐。

表2:国投钦州东汽N600-24.2/566/566汽轮机高中压缸夹层试验相关参数汇总表

表3:2号汽轮机夹层蒸汽加热量计算结果汇总表ule:exactly’>(1)试验与数据概述。

注:*中压缸第一级轮毂前压力未知,计算平衡盘汽封总压差时,以中压缸第一级前压力代替。

文章来源于中国电力设备管理协会。


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