1、前言
某厂600MW机组为东方汽轮机厂生产的D600B型，汽轮机型号为N600-16.67/538/538-1，汽轮机型式为亚临界、一次中间再热、冲动式、单轴、三缸四排汽、凝汽式汽轮机，设有八段回热抽汽。汽轮机结构紧凑，共有三个汽缸。高、中压部分为合缸结构，高压通流和中压通流采用反向布置，其中高压部分通流级数共9级，包括1个单列调节级和8个压力级，高压所有隔板全部装在高压内缸上，中压通流级数共5个压力级，全部隔板安装在中压内缸上。低压通流包括2个低压缸，每个缸包含2×7个压力级，低压缸为对置分流、双层缸结构。低压内外缸为钢板焊接结构。低压末级动叶片高度为1016mm。设计THA工况热耗为7803 kJ/kW.h，汽轮机总内效率92.20％，高压缸效率88.47％，中压缸效率94.04％，低压缸效率93.22％。
2、汽轮机存在的主要问题
2.1该型汽轮机为东方汽轮机厂上世纪90年代末引进日立技术生产的亚临界600MW汽轮机，代号D600B，机组的实际经济性能与设计值和同型机组的先进水平相比均存在一定的差距。该机型虽然应用了当时的先进技术，但受当时总体技术水平限制，存在诸多不足，技术水平相对于目前先进技术有一定差距。受当时技术条件的限制，在通流部件的制造、安装、运行质量方面一直存在质量控制不精细的问题。
2.2在经过汽封改造后，该厂四台机组THA工况热耗分别为8006 kJ/kW.h、8084 kJ/kW.h、8097 kJ/kW.h、8027 kJ/kW.h，较设计值7803 kJ/kW.h分别高203 kJ/kW.h、281 kJ/kW.h、294 kJ/kW.h、224 kJ/kW.h，高压缸效率较设计值低3~7个百分点，中压缸效率较设计值低3~7个百分点，低压缸效率较设计值低4~8个百分点；
2.3改型汽轮机原设计为带基本负荷，汽轮机末级叶片选用1016mm成熟叶片，在额定负荷下经济性较好，但在低负荷情况下，机组性能劣化较多，热耗较高，在目前机组调峰频繁，调峰深度逐步加大的情况下，低负荷所占的运行时间及发电比例逐渐上升，低负荷的经济性较差。
2.4低压内外缸为焊接结构，受缸体变形等因素的影响，监视段参数偏离设计值较多，特别是低压五、六抽温度，较设计值偏高20~30℃左右，对缸效影响较大。
2.5改型汽轮机铭牌工况设计背压为11.8kPa，汽轮机通流设计富裕量较大，机组最大负荷达到640MW左右，导致了汽轮机在在低负荷运行时段通流效率较大，热耗偏高，影响机组经济性。
3、解决方案
3.1边间条件优化：边界条件是汽轮机设计的重要条件，只有在确定边界条件后，才能确定整体汽轮机设计思路，选择通流配置及通流面积等重要参数。
3.1.1背压优化：原汽轮机设计背压为5.8kPa，2016和2017年两年的凝汽器平均入口冷却水温为20.91℃，在结合多年的气候数据，按照凝汽器实际运行清洁系数计算得到的凝汽器压力为4.80kPa，按设计运行清洁系数计算得到的凝汽器压力为4.62kPa；通过查询当地的气象条件参数条件，并获取冷却塔塔芯部件的热力性能参数，优化循环水流量，通过迭代计算出冷却塔的出塔水温（凝汽器的冷却水温）为22.78℃，考虑设计气象条件后，按照凝汽器实际运行清洁系数计算得到的凝汽器压力为5.30kPa，按设计运行清洁系数计算得到的凝汽器压力为5.11kPa。考虑设计气象条件的凝汽器压力能满足机组的运行要求，将机组的设计背压确定为5.3kPa（凝汽器平均压力）。
3.1.2夏季背压优化：原汽轮机铭牌工况下背压设计值为11.8kPa，导致原汽轮机设计裕量偏大，机组低负荷经济性差，为了兼顾低负荷的经济性，对夏季背压已进行了同步优化。根据查询机组运行状况及极端气候的水温得出夏季冷却水入口水温取32℃，考虑设计气象条件后，按照凝汽器实际运行清洁系数计算得到的凝汽器压力为8.72kPa，按设计运行清洁系数计算得到的凝汽器压力为8.31kPa。考虑设计气象条件的凝汽器压力能满足机组的运行要求，将机组的夏季设计背压确定为9kPa（凝汽器平均压力）。
3.1.3初参数优化：汽轮机原设计初参数为16.67MPa、538℃、538℃，为了充分挖掘节能空间，考虑锅炉设计考虑一定的富裕量，提出了将汽机初参数提升至17MPa、541℃、541℃，则锅炉过热器出口参数将相应提升至17.5MPa、544℃、544℃，并开展相关的校核和研究工作。分别对四大管道及锅炉进行校核。
（1）四大管道校核：首先，校核各管道材质对新温度的适应情况；其次，根据介质流量和比容变化，校核管道流速变化；第三，根据介质压力、温度变化，校核管道壁厚的强度；最后，通过应力计算软件，校核管道参数变化后对管道一次应力、二次应力、管道支吊架位移、接口推力力矩、普通弹簧和恒力弹簧的影响。根据校核分析数据，本次通流改造对于主汽、再热等系统的压力和温度提升值较小，其主要管道系统在参数提升后的运行是安全的，主汽、再热等系统参数的提升不会对机组的正常运行产生不利影响。
（2）锅炉校核：由于机侧初参数提升，炉侧初参数同步提升，对汽水系统、安全阀、风烟系统开展安全系校核。经校核，以锅炉BMCR为核算工况，除后屏过热器因进口蒸汽参数及流量等因素引发受热面超温超限无法满足外，其它受压元件能适应汽机侧参数提升（17.00MPa.a/541℃/541℃）后锅炉侧参数同步提升（17.5MPa.g/544℃/544℃）的要求。针对后屏过热器超温超限的问题，经核算，必须对后屏过热器采取每片管屏封堵一根管子（增加流经此受热面的蒸汽流量，提高冷却能力）的措施后才能满足安全要求。上述措施在实施通流改造过程中一并进行。
3.2结构优化
3.2.1 通流优化
采用东方高效第四代通流技术，对高、中、低压缸通流进行优化，高压通流级数由I+8级调整为I+11级，中压由5级调整为6级，低压维持2ⅹ2ⅹ7级不变。通过优化通流焓降分配、采用全新设计的高效可靠调节级、最佳速比设计的压力级，以及采用最新的低损失静、动叶型，优化通流级反动度等措施，使静、动叶间的能量转换比更高、通流效率达到最优。叶型开发时重点优化宽负荷性能，减小叶型损失，改善端部二次流损失，提高机组在部分负荷的效率。
根据电厂年平均负荷水平，低压末级叶片选用925mm叶片。 925mm叶片是一只传承优良气动性能母型，通过优化得到具有高的级效率、高的根部反动度、低的顶部反动度，且具有可控涡优化流型、优良变工况特性的湿冷末级叶片，保证额定工况高效性的同时，也兼顾机组部分负荷经济性。
3.2.2 进排汽优化
进、排汽是蒸汽轮机通流部分的重要组成部分，对进、排汽部分进行优化设计也是保障机组经济性的重要举措。通过对机组的进、排汽进行大量数值研究及分析，提出相应的优化方案，减少进、排汽压损，从而提高汽缸效率。
3.2.3 汽缸结构优化
(1)高压内缸结构优化：改造后的高压内缸取消独立的喷嘴室，进汽室与内缸铸为一体，进汽插管一端用螺栓把接在高压内缸上，另一端与外缸采用密封圈密封，减少一个漏点，有利于提高高压缸效率。为了减小高中间汽封体与汽缸配合面的漏汽风险，取消单独的汽封体结构，把汽封体与内缸直接铸为一个整体，这也带来了气动性能更佳的高压进汽腔室型线。同时，为了保证中分面的密封性，对法兰结构和螺栓布置进行了优化，通过先进的有限元分析技术，保证改造后高压内缸的强度、汽密性满足设计要求，并有效减小汽缸变形问题。
(2)低压内缸结构优化：取消了原来单独的低压进汽室，低压进汽室整体铸造成型，气动性能好，成型后整体焊接到低压缸上，避免原来因装配而带来的蒸汽泄漏的问题；取消了中分面整体法兰结构，将中分面法兰分散，避免原来因法兰为整板而产生的热应力及变形的情况，降低了中分面蒸汽泄漏的概率。新的低压内缸可以有效避免因缸体内漏而使抽汽压力温度偏高的问题，另一方面，新设计方案结构较原结构更简单，可方便设计、制造、安装及检修。
3.2.4 汽封优化
为进一步减小轴封漏汽，优化汽封配置：
（1）高、中、低压隔板汽封采用DAS、DAS+防漩汽封。
（2）高压后轴封全部采用错齿汽封，其中高压后轴封第1列采用封严汽封。
（3）中压后轴封全部采用错齿汽封，其中中压后轴封第1列采用封严汽封。
（4）过桥汽封采用错齿汽封，其中第1列采用封严汽封并在进汽边设置防漩齿。
（5）低压端汽封采用DAS汽封。
（6）根据设计和实际运行等综合考虑，进一步优化高中低压隔板汽封、轴端汽封的径向设计间隙，提高机组经济性。
4、经济效益核算
4.1本次汽轮机改造后，通过采用ASME标准进行性能验收试验，改造后机组设计THA工况热耗为7769 kJ/kW.h，高压缸效率89.16％，中压缸效率94.75％，低压缸效率90.64％。 较改造前热耗降低328kJ/kW.h，高压缸效率提升6.16％，中压缸效率提升2.75％，低压缸效率提升3.66％。
4.2监视段参数均达到设计值，无超温现象，彻底解决5、6抽抽汽温度偏高偏离设计值问题。
4.3机组年利用小时按照4000小时计算，降低热耗影响煤耗为12g/kWh，则年可节约标煤28800吨，每吨标煤单间按照600元核算，则年可节约燃煤成本1728万元，减少S02、NOx、CO2各6912、2016、74880吨，节能减排效果显著。
5、结语
汽轮机通流改造作为目前节能升级改造的主要手段，如何最大限度的发挥改造作用，切实提高机组的经济性，在结合机组实际运行条件及电厂实际经营环境，在投资最省的情况下，充分挖掘节能空间，保证最大的改造收益。本文就亚临界600MW机组的改造进行介绍，在综合考虑情况下，选择了微升参数同时结合边界条件优化的思路，在结合目前最为先进的通流改造技术，在投资不增加的情况下，机组改造效能大幅提升，改造效果显著。项目的实施，既取得了巨大的经济效益，同时环保效益显著。同时通过改造，使机组单机煤耗达到了国家2020行动计划的目标要求，值得在同行业推广。
参考文献
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[3].凝汽器新背压计算分析报告，西安热工研究院,2018
[4].运行参数提升主再热蒸汽系统校核报告，中国电力工程顾问集团西南电力设计院，2019
[5].适用汽机通流改造安全校核报告，上海锅炉厂有限公司，2019
[6].3号热力性能试验报告，贵州创星电力科学研究院，2020
作者简介：闵昌发（1982-），男，工程师，主要从事火电机组运行、检修技术管理工作。