国产超临界600MW机组运行现状及其分析
迺苗金
西安热工研究院有限公司，西安兴庆路136号，710032
The analysis of operation status on the supercritical 600mw steam turbine manufactured by china
MIAO Naijin
TPRI，136 Xing-Qing Road Xian,China,710032
摘 要：本文介绍了对近几年来投运的国产600MW超临界机组运行状况的初步调研概况，分析了目前机组在实际运行过程中存在的主要问题，并对今后相关的节能降耗技改工作等提出了建议。
关键词：超临界；600MW机组；国产化；机组运行；经济性分析；
Abstract: the operation status at present and some of problems existed in practice are presented about the supercritical 600mw power station recently in china. And some of proposes for technical improvements and construction management are summarized both for the 600mw supercritical steam turbines existed and the one built newly.
Key word: supercritical 600mw power station; domestic; power station operation; operation status analysis;
1．我国国产超临界600MW机组发展概况
随着国家“十五”重大技术装备研制计划 “600MW超临界火电机组成套设备研制”项目的成功实施，确定了我国开发参数为24.2MPa、566℃/566℃等级的600MW超临界燃煤发电技术和装备的技术方案和技术路线，并通过引进技术消化吸收和科技攻关，开发出了国产600MW超临界机组的设计、制造技术，具备了国内自主设计和制造600MW超临界火电机组的能力，同时也推动了我国超临界燃煤火电机组的快速发展。目前国产600MW级超临界燃煤火电机组已经成为我国在建火电工
程的主力机型。这对于优化我国电网中火电机组的装机结构、提高我国火电机组技术发展的整体水平和节能降耗及减排工作等方面都起到了积极的推动作用。
1.1机组主要发展特点
分析目前我国超临界600MW机组的发展状况具有以下几个特点：
1）新增机组发展迅速。
自从作为国家“十五”重大技术装备研制计划 “600MW超临界火电机组成套设备研制”项目依托工程的华能沁北电厂一期2x600MW超临界机组于2004年12月投产以来，目前我国已经投运的国产600MW级超临界燃煤机组约为100余台，同时还有近百余台左右的600MW等级超/ 超临界机组在建或计划在建。在已投运的600MW级超临界机组中，所采用的主蒸汽参数等级主要为24.2MPa、566℃/566℃，少数初期机组也采用了24.2MPa、538℃/566℃档参数。
在先进的和洁净、高效的超（超）临界燃煤发电技术不断进步的支持下，近几年来我国国产600MW级超/超临界燃煤机组正在迅速发展、并将很快会成为我国电网中的主力机组。
2）运行可靠性指标总体良好。

据我国电力可靠性指标发布报告介绍，2008年纳入可靠性统计的超临界600MW-670MW机组共65台，运行可靠性指标总体良好，其中600MW-670MW超临界机组近三年的等效可用系数分别为92.56%、93.72%、92.41%。从近三年多来国产600MW超临界机组的运行情况来看，总体上超临界机组运行可靠性指标与国产引进型亚临界600MW机组相当；超临界机组的主要运行经济性指标要优于亚临界机组。
3）
存在的问题也亟待解决。
目前，国产化超临界600MW机组在实际运行中反映较多的主要有以下几个方面的问题：
● 汽轮机热耗值偏差较大。
目前，机组在实际运行中所反应出来的主要问题是多数机组的实际热耗值与其设计值相比，还存在着较大的偏差，也即机组的热耗考核值与其设计保证值间有较大的偏差，多数机组偏差幅度基本上在80kJ/kW.h~140kJ/kW.h之间，少数机组的偏差值最大可达200kJ/kW.h~300kJ/kW.h左右。同时在机组的考核试验结果中还反映出了对热耗考核值结果的修正量偏大、汽轮机实际缸效率偏低等问题，再考虑到机组的负荷率和运行参数等其他条件的变化与影响，因此使得机组在实际运行过程中的主要经济性指标距离机组的设计值差距也就要更大些。试验数据表明锅炉的实际效率基本上可以达到设计要求。
●
锅炉管壁氧化皮脱落、堵管问题时有发生。
随着超临界机组蒸汽参数的不断提高，锅炉受热面所使用的新材料也随之增多，目前多见有T91、T23、T22、TP347H、TP304等。在实际运行中时常会由于炉管实际金属温度与材料抗氧化温度未得到有效匹配、运行工况未得到有效控制等因素的影响，在运行过程中锅炉管内壁（锅炉过热器和再热器蒸汽侧）氧化皮脱落、堵管的问题时有发生，出现问题的管子既有奥氏体不锈钢管，也有铁素体类低合金钢管，但18-8系列粗晶奥氏体不锈钢管最为突出。有的电厂因氧化皮问题造成了机组的非计划停运，影响了锅炉炉管寿命，造成了汽机通流部件和阀门的侵蚀。
●
其他与设备质量相关的问题。
在实际运行中，还有部分机组也反映出一些与设备的制造、安装质量相关的问题，影响到了机组的安全和经济运行，如：汽轮机汽缸变形；低压转子末级或次末级叶片出现裂纹；中低导汽管导流叶片断裂；部分阀门缺陷；锅炉管内存在异物造成节流管圈堵塞；个别铸件材料内部和表面的缺陷较多；等等。
1.2超临界600MW机组主要技术特点
1）汽轮机主要结构特点。目前，我国国产600MW级超临界燃煤发电机组中汽轮机的设备制造商有哈尔滨、东方、上海电气三大动力集团公司和北重阿尔斯通(北京)电气装备有限公司（ABP）等四家。由于各自的引进技术源有所不同，所以几家设备制造厂推出的产品中其主设备结构和主要技术特点等也不尽相同。
表1-1/Tab1-1 国产600MW超临界机组（24.2MPa、566℃/566℃）汽轮机主要结构特点：

从汽轮机通流部分中的汽流流动特性上来看，上汽、哈汽和北重ALSTOM为反动式,东汽为冲动式，这主要是取决于引进技术的引进源和原有技术的延续性及继承性。对于反动式汽轮机来说，由于汽动特性的差异，其通流部分轴向间隙一般可以做的相对较大些，可以采用较简单的结构，例如圆鼓式转子和径向密封装置等，对机组的运行灵活性来说具有一定的好处。但由于反动式级组叶片的单级做功能力相对较小，所以在相同的条件下反动式汽轮机通流部分的级数要比冲动式汽轮机的稍多些。
从汽轮机高、中压缸的布置结构上来看，目前在实际投运的机组中既有合缸的模式、也有分缸的模式。相比之下高、中压合缸的方案具有汽轮机重量较轻、机组总长较短、便于维修、可以减少厂房面积及降低投资成本等特点；在高、中压分缸方案中通流部分的设计有更加易于设计布置和更加趋于合理等特点，从制造厂提出的二种设计方案比较结果来看，分缸方案中汽轮机总长较合缸方案约增加5m左右，汽轮机热耗计算值与合缸方案中的汽轮机热耗计算值相近或略有降低。但随着汽轮机设计制造技术、末级叶片和材料的发展，汽轮机正朝着结构简单、尺寸减小、效率更高的方向发展。
2）锅炉主要结构特点。目前，我国国产600MW级超临界燃煤发电机组中的锅炉设备制造商有哈尔滨、东方和上海电气三大动力集团公司等三家，各自的技术来源不同。从已经投运的超临界机组设备来看，在锅炉总体设计、结构和布置等方面三家相近，均为单炉膛、螺旋管圈、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、π型布置，但各厂在锅炉启动系统设计、燃烧方式、管屏换热器等高温高压部件选材等方面有所差异。东锅、哈锅为前后墙对冲燃烧方式，上锅采用四角切圆燃烧方式；在锅炉启动系统设计上，哈锅采用带内置式再循环泵启动的系统，东锅和上锅则依据业主的要求分别有带和不带内置式再循环泵启动系统的二种设计。
2. 超临界600MW机组投运后反映出的设备主要质量问题
通过分析多台机组主要设备制造质量的控制和设备监造资料，总体来看，包括汽轮机、锅炉在内的机组主设备上所发生的严重质量问题较少，但在一些相关的辅助设备和部件及制造厂的外委部件中所发生的质量问题要多一些。在这些问题中，包括有与设备质量密切相关的设计、管理、制造加工质量、焊接质量、机械加工质量、热处理质量、原材料质量等几个方面的问题。其中，机械加工质量和焊接质量是在锅炉设备生产过程质量控制中容易出现的主要问题。另外，存在的问题中既有个性问题，也有共性问题，这一方面说明设备质量问题在制造厂内消除的工作难度和不足，同时也表明在控制这些质量问题方面还存在着一些需要进一步改进的空间，如制造厂质量控制体系的进一步完善；设备监造管理工作规范化和科学化方面的进一步提高等，需要引起各方面足够的重视，积极落实解决问题的措施。
几年来已投运的国产超临界600MW机组在主机、辅机和系统等方面都或多或少的暴露出一些与设备质量有关的问题，归纳起来主要有以下几个方面的问题：
锅炉压力容器的内部清洁问题
锅炉压力容器的内部清洁问题，锅炉受热面和联箱内部不清洁，屏过、高过进口集箱内部有遗留焊渣等杂物，存有铁屑等异物等，堵塞受热面节流进汽孔，使对应的受热西管子过热爆管(均出现在中间管屏)。该问题不仅涉及到制造厂家，还涉及到安装施工单位，所以对锅炉压力容器内部清洁的控制，不仅要加大驻厂监造的力度，同时要加大现场施工监理的力度。
锅炉受热面原材料和焊接质量问题
有多台机组投运后发生因受热面管材和焊接质量原因导致锅炉泄漏；少数承压部件焊接质量不良、产生泄漏等问题。这说明设备监造工作还要进一步提高，特别是在锅炉受热面管材和焊接质量的监造还要进一步加强。
设备部件机械加工质量问题
有些机组发生锅炉屏过、高再、高过管等因受热面管屏管端节距超标，影响安装进度，并导致管屏间节距不均。试运行期间高过、高再部分管屏的管卡(固定块、滑动块)设计不合理，被烧变形、脱落，管子出列；高过、高再管屏之间未设计均匀管屏节距的结构，运行后，屏间节距严重不均匀，将造成屏间烟气流速不均，局部磨损加剧。
运行中汽轮机高中压导汽管法兰漏气、中压连通管和低压缸连接处漏汽问题发生较多，密封部件几何尺寸和表面加工及安装精度仍需提高。
与设备部件设计相关的问题
多台机组投运后发生了低压缸转子末级或次末级叶片出汽边的顶部出现局部断裂脱落和中压缸排汽口导流叶片脱落、断裂现象。分析认为，低压转子次末级叶顶断裂问题的主要原因是由于叶片装配过紧、预应力过大、整圈频率发生变化、产生裂纹源、造成叶片断裂；连通管导流叶片脱落问题的主要原因是设计和加工问题，改进措施将导流叶片厚度由6mm增加至9mm，并加拉筋、改进焊接质量。
另外，大多数机组投运后的热耗率考核值与保证值偏差较大；其中汽轮机缸效率偏离设计值较大，导致机组实际的运行经济性指标不尽人意。分析原因，这中间既有设计方面的因素；也还有加工精度方面的因素。
3．国产600MW超临界机组实际运行经济性分析
根据对部分机组投产后的考核试验和运行经济性数据统计表明，投运后的600MW超临界机组普遍存在汽轮机热耗率高于设计值、运行中的厂用电率和供电煤耗偏高的现象。其中，汽轮机热耗率一般偏高设计值0.6～2.5个百分点；锅炉效率基本上可以达到设计值。因此，汽轮机热耗率偏高是造成国产超临界600MW机组运行煤耗偏高的重要原因，而辅机耗电率高是厂用电率和机组供电煤耗偏高的另一个重要原因。
3.1超临界600MW机组热耗率/缸效率设计值与考核值的比较
由于汽轮机在末叶尺寸、排汽压力、本体结构和设计、制造与加工工艺等技术水平等方面的不同和差异；以及其他相关因素的影响，目前国内电力市场上的四家汽轮机设备制造厂国产600MW超临界（24.2MPa,566℃/566℃）机组的热耗设计值也不尽相同（参见图3-1示），例如：哈汽机组热耗设计值目前看到的有7516kJ/kWh、7518 kJ/kWh、7522 kJ/kWh、7530 kJ/kWh和7560 kJ/kWh等数值；上汽机组热耗设计值见有7517 kJ/kWh7526 kJ/kWh、7535 kJ/kWh、7556 kJ/kWh、7573 kJ/kWh、7587 kJ/kWh、7597 kJ/kWh等值；东汽厂机组热耗设计值见有7527 kJ/kWh、7537 kJ/kWh、7570 kJ/kWh、7613 kJ/kWh等值；ALSTOM北重ABP机组热耗设计值为7510 kJ/kWh。可知国产超临界600MW（湿冷）机组的热耗设计值主要分布在7520-7600 kJ/kWh之间。造成上述热耗设计值差异的主要因素是由于不同机组间背压取值的差异；其次还有机型结构和参数等其他因素的差异和影响。

哈汽厂超临界600MW机组的国产化第一台为华能沁北电厂一期2X600MW工程（#1、#2机组），该工程同时也为国家“十五”重大装备研制计划“600MW超临界火电机组成套设备研制”项目的依托工程，分别于2004年11月和12月投运。上汽厂超临界600MW机组的国产化第一台为镇江发电有限公司#5汽轮机，于2005年7月投运。东汽厂引进日立技术超临界600MW机组的原型机为山西鲁晋王曲电厂#1、#2机组，于2006年8月投运，据介绍这也是日立公司针对中国国内项目设计的。东汽厂引进日立技术后国产化的第一台机组为华润常熟电厂#3机（24.2MPa,538℃/566℃），于2006年投运。阿尔斯通北重 (北京)电气装备有限公司ABP生产的超临界600MW、一次中间再热、四缸四排汽、单轴、反动凝汽式汽轮机的第一台是平圩电厂二期#3机组汽轮机，于2007年3月19日完成168h满负荷试运并投入商业运行。
3.2机组实际热耗值偏高的原因分析
1）机组热耗值及其偏差的特点
分析上述数据可以看出，目前在运的国产化600MW超临界机组（24.2MPa/566℃/566℃）的热耗值一般来说具有以下几个特点：
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由于机组的引进技术和设备结构、汽轮机排汽背压、末叶尺寸以及热力系统设计等方面的不同和差异，机组的热耗设计值分布在7516 kJ/kW.h~7613 kJ/kW.h之间，
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试验数据表明机组热耗的设计值与考核值间存在较大偏差，多数机组偏差幅度基本上在80kJ/kW.h~140kJ/kW.h之间，少数机组的偏差值最大可达200kJ/kW.h~300kJ/kW.h左右。
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哈汽、上汽和东汽三大制造厂国产化机组的首台机组或引进技术原型机的热耗考核值与其设计值比较接近，但对于后来投运的其他机组相对来说，热耗考核值较其设计值多出现有程度不同的偏高。这也间接表明了汽轮机设备的制造加工和安装、调试质量等方面对机组性能指标变化所带来的重要的影响。
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在经过运行一年左右时间后的揭缸调整和恢复性检修工作后，性能试验结果表明部分机组汽轮机的热耗值可以得到较大程度的降低，如华能沁北电厂1号机组。
2）影响机组热耗偏高的主要因素
一般来说，影响机组热耗值发生变化的因素较多，可以有诸如机组的设计、制造、安装、调试和运行等多方面的原因，对于不同的机组来说其影响程度也可能有所不同，需要具体问题具体分析，不能一概而论。同时，若试图在几台同类型的机组相互之间对机组的热耗等主要经济指标做出某种比较时，除了需要考虑到机组的制造商、安装和调试单位的不同外，也还应当要注意到各机组在相关的结构、热力系统及参数和运行方式等技术条件上的差异和不同。
通常有可能影响机组的考核试验热耗值和机组的实际运行热耗值的主要因素有：
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有可能影响热耗试验结果偏差的因素考虑：
→ 引起一类（系统）修正的因素；
→ 引起二类（参数）修正的因素；
→ 汽轮机缸效率偏低、达不到设计值；
→ 汽轮机设备制造加工、安装精度的影响；
→ 不同机组/设计院在给水回热系统设计上的差异；
→ 不同机组在引进技术及设备结构设计上的不同和差异；
→ 不同试验单位间的差异（如试验所用表计、测点安装布置、数据处理和分析方法、手段与技术水平差异等）；
→ 其他修正项目的差异（如设备老化修正时间的不同、有无滤网修正、各厂/机组间修正曲线的差异等）；
→ 试验数据的分散度因素；
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实际运行中可能影响机组热耗值偏高的因素考虑：
→ 机组主蒸汽参数偏离设计值；
→ 汽轮机排汽压力高于设计值；
→ 机组负荷率偏低；
→ 机组给水回热系统/阀门存在有内漏；
→ 机组给水加热器偏离设计工况运行；
→ 设备存在缺陷；
→ 其他；
4．下一步提高机组运行性能的主要技术措施考虑与建
4.1 在设备及其安装、调试方面：
→更换/调整汽轮机通流部分的汽（轴）封结构及其间隙合格；
→提高部件加工精度；
→严格现场安装间隙的控制措施；
→保证合理的设备制造及安装工期；
→提高设备调试质量；
4.2 在机组运行与维护方面：
→检修过程中注意调整好汽轮机调门开度、减少节流损失；
→做好运行调整、维持机组主要参数在规程规定的范围内；
→加强维护管理、减少阀门内漏，维持机组回热系统及主要辅机设备运行状态良好；
→尽可能维持机组在设计工况下运行；
→优化机组在部分负荷下的运行方式、提高机组运行经济性；

参考文献
[1] 华能新投产超临界600MW机组后评估及安全、经济性技术保障措施研究，西安热工研究院有限公司研究报告TPRI/TP-RA-008-2009，2009年3月
作者简介：
苗迺金（1955-） 研究员 西安热工研究院有限公司 曾参加国家“十五”重大装备研制计划和国家“十五”863计划资助的有关超临界及超超临界发电技术攻关项目。近年来主要从事电站机组运行性能研究及其优化运行、节能降耗技术等方面的课题。

国产超临界600MW 机组运行现状及其分析.rar