一、前言
電力工業(yè)是支撐國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎性產(chǎn)業(yè)，其中，火力發(fā)電占全國發(fā)電的73%，用煤量占煤炭產(chǎn)量的50%以上?；鹆Πl(fā)電也是一次能源消耗和大氣污染物排放的大戶，節(jié)能減排對火力發(fā)電及環(huán)境保護有著重大意義。
《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014-2020)》提出到2020年現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組改造后的供電煤耗要低于310g/(kW.h)，要求加快現(xiàn)役機組的綜合升級改造，重點對300MW等級的亞臨界機組實施綜合性、系統(tǒng)性的節(jié)能改造，改造后供電煤耗力爭達到同類型機組的先進水平。安陽發(fā)電廠2號機組為亞臨界300MW采暖抽汽凝汽式機組，根據(jù)2014年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2號機組平均供電煤耗高于310g/(kW.h)，隨著機組服役年限的增加，機組性能會有一定老化，煤耗也會逐年增加，因此只有對2號機組實施綜合升級改造，才能達到機組節(jié)能降耗、安全經(jīng)濟運行的目的。
二、機組改造前運行情況
安陽發(fā)電廠2號機組汽輪機為亞臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、抽汽凝汽式汽輪機，機組型號C300/235-16.7/0.343/537/537。鍋爐為DG1025/17.4-Ⅱ4型亞臨界參數(shù)、四角切圓燃燒方式、自然循環(huán)汽包爐，單爐膛п型布置，燃用煙煤，一次再熱，平衡通風、固態(tài)排渣，全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)，爐頂帶金屬防雨罩，設計煤種為貧煤。發(fā)電機是東方電機有限公司生產(chǎn)的水氫氫汽輪發(fā)電機，形式為三相交流隱極式同步發(fā)電機，型號QFSN-300-2-20B，最大連續(xù)容量388MVA，最大連續(xù)功率330MW，額定容量353MVA，額定功率300MW。于2008年12月正式投入商業(yè)運營，
2號機組采用D300P機型，設計開發(fā)于上世紀90年代末，雖然應用了當時的先進技術(shù)，但受制造加工能力等因素的影響，效率較低，熱耗偏高。此外隨著機組的運行，原設計一些缺陷逐步暴露，也進一步影響效率，在經(jīng)濟性方面和安全可靠性方面都存在較多問題。
2.1.汽機側(cè)
經(jīng)濟性方面，2號機組汽輪機熱耗率偏高。2013年7月，安陽發(fā)電廠委托河南電科院對2號汽輪機進行了性能試驗，結(jié)果表明300MW工況下修正后熱耗率為8141.39kJ/kWh，較設計值7892kJ/kWh高249.89kJ/kWh，影響供電煤耗9.76g/kWh。同時存在7號低加疏水不暢等問題。
安全可靠性方面，2號機組汽輪機存在啟動中1號瓦振動大，運行中1、2號瓦溫度偏高等問題。
2.2鍋爐側(cè)
爐頂大包內(nèi)二次密封存在漏風，積灰較多;過再熱減溫水水量大，300MW負荷下，過熱減溫水量為42t/h，再熱減溫水量為19t/h。
三、改造可行性
升參數(shù)節(jié)能改造是為了進一步節(jié)能降耗，在傳統(tǒng)汽輪機通流部分改造的同時將蒸汽初參數(shù)提高，即需要對鍋爐受熱面進行改造，增加受熱面積，同時對受熱面材料進行升級，以提高主再熱參數(shù)。汽輪機通流部分改造國內(nèi)已實施了多年，國內(nèi)主要汽輪機廠家至少有幾十臺甚至上百臺的造業(yè)績，技術(shù)上已非常成熟，因此改造方案的的確定主要集中在鍋爐受熱面部分。
由于升參數(shù)改造此前在國內(nèi)未實施過，改造風險大。為此，2號機組改造前大唐集團公司對升參數(shù)改造課題多次組織制造廠家及業(yè)內(nèi)專家對項目提溫、提壓方式及幅度進行充分論證，并進行了大量計算和深入分析研究。在此基礎上提出了三種方案，即一是提升主汽溫度至545℃;二是提升主汽溫度至570℃;三是提升主汽溫度、再熱汽溫至550℃/570℃，并將壓力提升至18.2MPa。具體如下表：
針對三個方案，汽輪機廠家分別給出了核算后的熱平衡圖：
根據(jù)方案提升參數(shù)要求及汽機熱平衡圖，鍋爐廠家對三個改造方案分別進行了鍋爐熱力計算，計算結(jié)果如下：
提升參數(shù)后鍋爐熱力計算結(jié)果(設計煤種)
從計算結(jié)果看：
方案一鍋爐不需要進行受熱面大的改造，可以達到改造方案要求。
方案二鍋爐側(cè)主汽溫度只有566℃，達不到改造要求，必須進行相應受熱面改造。初步核算具體為加長高過管圈長度，面積增加約15%，大屏過熱器長度增加500mm，面積增加約5%，同時在低過增加一圈管圈，面積增加20%。考慮原鍋爐再熱汽溫裕度偏通過對高過、屏過、低過和中再、高再受熱面進行必要的改造，小，再熱器系統(tǒng)可縮小高再縱向節(jié)距，增加管圈數(shù)量，面積增加約700m2。
因受鍋爐高度及寬度的限制，鍋爐中無法再更多的受熱面，計算后方案三的主汽溫度為只可達到553℃，再熱蒸汽溫度為568℃，達不到改造要求，需要進行受熱面改造，具體為過熱器、再熱器系統(tǒng)按方案二的方式進行。
從項目投資上看：
方案一相比來說鍋爐側(cè)投資少，只對中溫再熱器要進行改造。改造費用約350萬，但通過計算對應的汽輪機熱耗為7875kJ/kWh，相對于其他幾種方案收效低，不進行考慮。
方案二改造范圍主要是高溫過熱器、低溫過熱器、高溫再熱器(關于方案二，聯(lián)系鍋爐廠到現(xiàn)場收集資料并計算后認為通流改造后再熱器入口溫度會降低約10℃，因此將改造范圍有所擴大，低溫再熱器及大屏過熱器面積均需要增加)，該方案雖改造范圍大，但對應的設計熱耗為7790kJ/kWh。收益也較明顯。
方案三除了方案二中提到的改造范圍外，由于提高蒸汽壓力，涉及到多個集箱更換，配套閥門(安全閥、PVE閥等)也要進行更換，對應的設計熱耗為7755kJ/kWh，相比于方案二，投資收益上較低，另外因受鍋爐高度及寬度的限制，已經(jīng)無法再增更多的受熱面。因此方案三方案在實際改造中無法實施。
通過對以上幾種方案進行可行性、投資、收益綜合比較，確定按方案二進行改造，采用將主、再熱溫度分別提升至570/570℃，壓力保持不變的方案，既在鍋爐本體外部結(jié)構(gòu)不做改變的情況下通過對高過、高再和低過等受熱面進行必要的改造，實現(xiàn)提高鍋爐主再熱汽溫、提升汽輪機做功能力、降低汽輪機熱耗的目標。
改造范圍：
3.1汽輪機本體部分：
汽輪機通流分部改造技術(shù)成熟，應用廣泛。本次改造包括：更換高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、高中壓外缸、高壓內(nèi)缸、低壓內(nèi)缸、調(diào)節(jié)級噴嘴、高中低壓各級動葉及隔板、各段軸封體及軸封、低壓進排汽分流環(huán)、高壓主汽調(diào)節(jié)閥、中壓聯(lián)合汽閥，設計上增加了中壓進汽隔熱罩和中壓進汽冷卻管，取消了高壓內(nèi)缸疏水和高中壓間汽封排放閥。高壓缸由1+8級增加3級變?yōu)?+11級，中壓缸增加1級變?yōu)?級。(2)
3.2鍋爐本體部分：
.低溫過熱器改造在原基礎上下部增加一組管圈，面積增加20%;大屏過熱器延長管屏長度500mm，面積增加5%，出口段材質(zhì)由12Cr1MoVG提升至SA-213MT91;后屏過熱器出口段提升材料檔次，材質(zhì)由12Cr1MoVG提升至SA-213MT91;高溫過熱器延長后半管圈長度至水平煙道底部，管圈長度與前半管圈長度相同，面積增12%。高過全部更換，材質(zhì)提升至SA-213T91。中溫再熱器面積不變，出口段提升材料檔次。高溫再熱器管屏全部更換，管子規(guī)格由Φ60×4改為Φ63.5×4。面積增加了100m2。對高過進口集箱、出口集箱、高再出口集箱進行升檔更換，壁再出口集箱更換，規(guī)格由Φ457.2×25更換為φ457.2×30，材質(zhì)不變。
為保證受熱面管壁安全運行，配合機務增加受熱面管屏壁溫測點283點，修改相關報警定值及邏輯，保證受熱面安全運行。
3.3發(fā)電機及主變部分：
在定、轉(zhuǎn)子氣隙中裝設風區(qū)隔板，將全臺定子槽楔更換為新型結(jié)構(gòu)。更換高效新型大容量氫氣冷卻器，更換轉(zhuǎn)子集電環(huán)。主變改造更換4臺冷卻器及冷卻器控制箱。
3.4輔機及熱力系統(tǒng)部分：
由于鍋爐側(cè)主再熱汽溫的提高，各系統(tǒng)管道壓力、溫度、流量發(fā)生改變。因此需要對四大管道、抽汽管道和閥門進行材質(zhì)、壓力和流量校核，不滿足要求的進行更換，需要高低加、除氧器等壓力容器制造廠家進行容器內(nèi)部核算。安陽電廠2號機組改造輔機對再熱蒸汽管道進行更換，材料由12Cr1MoV更換SA-335P91;對汽機側(cè)、鍋爐側(cè)主再熱蒸汽系統(tǒng)閥門進行更換，汽機側(cè)包括主再熱管道疏水、高低旁疏水、本體疏水管道及閥門，鍋爐側(cè)包括對過熱器出口和再熱器出口的安全閥、水壓實驗堵閥、對空排氣閥;過熱器出口的放空氣閥、疏水閥、反沖洗閥、壓力訊號閥等進行更換;高、低壓旁路調(diào)節(jié)閥閥芯材質(zhì)為12Cr1MoV，材質(zhì)不滿足改造后閥前565℃要求，更換高、低壓旁路調(diào)節(jié)閥，材質(zhì)為P91。
為了進一步進行節(jié)能挖潛，提高機組低負荷下的經(jīng)濟性，本次改造增設0號高壓加熱器。配套增加O段抽汽管道、給水管道及高加疏水管道及排水管道、閥門，配套需要對1號高加增加外殼改造增加疏水接口。低負荷段降低熱耗率約23kJ/kWh。
四、改造后效果
4.1安全性
通過改造，達到了在保證鍋爐鋼結(jié)構(gòu)、各承壓部件、水動力循環(huán)安全可靠的基礎上，實現(xiàn)主、再熱蒸汽出口壓力不變，主、再熱蒸汽出口溫度達到570℃/570℃的目的，且提升參數(shù)改造后不影響鍋爐效率、不影響尾部環(huán)保設備長期安全可靠運行。鍋爐受熱面改造工作，水壓試驗一次通過，再熱系統(tǒng)工作壓力5分鐘下降0.1Mpa，過熱系統(tǒng)工作壓力5分鐘壓力下降0.01Mpa，2015年1月23日2號機組點火，24日機組并網(wǎng)，2月5日鍋爐達到滿負荷出力，在各級受熱面沒有超溫的情況下，過熱蒸汽、再熱蒸汽溫度達到570℃。
汽輪機通流采用現(xiàn)代設計技術(shù)，更換通流部分高中、低壓轉(zhuǎn)子，高、中、低壓內(nèi)缸，高中壓外缸，噴嘴組、各級動葉和靜葉、汽封等;新型葉型的剛性將大大優(yōu)于原設計葉片，隔板的剛性也增強;同時，末級和次末級動葉將采用先進的更為安全可靠的連接結(jié)構(gòu)，保證葉片的振動與強度安全性，改造后機組的安全性大為提高。汽輪機解決了此前機組振動及瓦溫高問題，各瓦振動達到了優(yōu)秀值。發(fā)電機、主變壓器隨機組啟動后，各部位溫度、噪聲、振動等參數(shù)均正常，運行情況良好。
4.2技術(shù)經(jīng)濟性
改造后機組的效率、熱耗率得到最大程度的改善，高、中、低壓缸效率分別達到85.1%、93%和89.1%;機組熱耗率達到7801kJ/kW•h考核值;機組鍋爐效達到92.54%設計值，折合供電煤耗率約301.4g/kW•h。改造后機組熱耗率下降約341kJ/kW•h，發(fā)電煤耗率下降約12.7g/kW•h，折合供電煤耗率下降13.2g/kW•h。
4.3環(huán)保效益
改造后大氣污染物排放大幅降低，環(huán)保效益顯著，改造后按機組熱耗率下降341kJ/kw˙h，機組年利用小時數(shù)4000小時，年發(fā)電量12.8億度計算，機組年節(jié)約標準煤約1.69萬噸，每年減少CO2排放4.44萬噸，減少SO2排放0.066萬噸，減少NOx排放168噸。
五、結(jié)束語
安陽發(fā)電廠2號機組實施的高效亞臨界升能參數(shù)節(jié)能改造提高了機組經(jīng)濟性和安全性，實現(xiàn)節(jié)能降耗并增加出力，在提高初參數(shù)的同時采用先進的熱力氣動技術(shù)對汽輪機通流部分進行改造，提高通流效率、減小或消除汽輪機本體的內(nèi)漏，使改造后機組的熱耗率得到改善，實現(xiàn)節(jié)能降耗。采用先進的動強度和結(jié)構(gòu)設計技術(shù)消除目前機組高、中壓缸、低壓缸及其它方面存在的安全隱患，提高機組運行安全性和可靠性。
目前我國在役的300MW亞臨界等級機組已超過450多臺，按照該等級汽機組的設計熱耗、爐效及廠用電率水平計算，純凝工況下設計供電煤耗是無法滿足國家《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014-2020)》中提出的目標要求，因此探索300MW亞臨界等級機組升參數(shù)改造的可行性意義重大，安陽發(fā)電廠2號機組升參數(shù)改造項目屬國內(nèi)首創(chuàng)，項目的實施對進一步降低該等級純凝汽機組和采暖抽汽機組非供熱工況下機組供電煤耗具有示范效果，將是實現(xiàn)煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃目標的重要技術(shù)改造措施。
