600MW超臨界機(jī)組汽輪機(jī)通流改造及效益分析

馮成凱

【摘要】本文通過樂清電廠通流改造后汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，包括高中壓缸和低壓缸的缸體、轉(zhuǎn)子及通流部分的改造，以及改造前后的效益對(duì)比，分析通流改造后的效果。

【關(guān)鍵詞】汽輪機(jī)；通流改造；高中壓缸；低壓缸；熱耗；供電煤耗

樂清電廠2×600MW超臨界機(jī)組汽輪機(jī)原先為上海汽輪機(jī)有限公司引進(jìn)美國西屋技術(shù)設(shè)計(jì)制造，分別于2008年9月9日、10日通過168小時(shí)滿負(fù)荷試運(yùn)行，正式投入商業(yè)運(yùn)行。隨著汽輪機(jī)技術(shù)的日新月益，當(dāng)時(shí)引進(jìn)的技術(shù)已不夠先進(jìn)，且機(jī)組自投產(chǎn)以來一直存在著運(yùn)行效率偏低等問題。

1、汽輪機(jī)系統(tǒng)概況

樂清電廠一期兩臺(tái)600MW機(jī)組采用超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、反動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為N600-24.2/566/566，機(jī)組銘牌功率600MW。鍋爐為上海鍋爐廠有限公司制造的SG-1913/25.4-M956型超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼懸吊Π型結(jié)構(gòu)、露天布置燃煤鍋爐。發(fā)電機(jī)是上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司引進(jìn)西門子技術(shù)制造的QFSN-600-2型發(fā)電機(jī)，為汽輪機(jī)直接拖動(dòng)的隱極式、二極、三相同步發(fā)電機(jī)，采用水氫氫冷卻方式。

隨著汽輪機(jī)技術(shù)的日新月益，當(dāng)時(shí)引進(jìn)的技術(shù)已不夠先進(jìn)，且機(jī)組自投產(chǎn)以來一直存在著運(yùn)行效率偏低等問題。一期2臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)后額定負(fù)荷THA工況修正后熱耗率平均值為7816.8kJ/kWh，與設(shè)計(jì)值7535kJ/kWh相比，偏高幅度達(dá)3.7%；額定負(fù)荷THA工況的高壓缸效率試驗(yàn)平均值為85.3%，與設(shè)計(jì)值87.7%相比偏低2.4%；試驗(yàn)中壓缸效率（未考慮合缸過橋汽封漏汽影響）為92.5%，與設(shè)計(jì)值92.5%一致；試驗(yàn)低壓缸效率為86.3%，比設(shè)計(jì)值91.7%偏低5.4%。由此可知，導(dǎo)致機(jī)組汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行性能偏離設(shè)計(jì)值的主要原因是汽輪機(jī)高、低壓缸通流效率的偏低。另外，該機(jī)型與西門子、阿爾斯通等先進(jìn)機(jī)組相比，在通流效率上有一定的差距。

機(jī)組經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)原設(shè)計(jì)及改造前值

2、改造主要內(nèi)容

為進(jìn)一步挖掘機(jī)組節(jié)能潛力，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，樂電電廠于2014年1號(hào)機(jī)組A級(jí)檢修期間、2015年2號(hào)機(jī)組A級(jí)檢修期間均采用上海電氣集團(tuán)股份有限公司（下稱上海電氣）的AIBT技術(shù)，分別對(duì)1號(hào)、2號(hào)汽輪機(jī)的高中低壓缸通流部分進(jìn)行了優(yōu)化改造，并配套實(shí)施了鍋爐、發(fā)電機(jī)、主變等擴(kuò)容改造項(xiàng)目，將機(jī)組的額定出力由600MW提高至660MW，且設(shè)定兩個(gè)熱耗率驗(yàn)收工況，分別為，第一驗(yàn)收工況100%THA，第二驗(yàn)收工況75%THA。

AIBT技術(shù)是STP在多年通流設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)形成的一種先進(jìn)的整體通流設(shè)計(jì)技術(shù)，與上一代的通流設(shè)計(jì)技術(shù)（應(yīng)用于超臨界600MW等級(jí)機(jī)組）相比，該技術(shù)在通流設(shè)計(jì)方面主要有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）該技術(shù)包含了通流的整體流道布置、葉片優(yōu)化選型、差脹間隙設(shè)計(jì)、葉頂圍帶和葉根設(shè)計(jì)以整體方式進(jìn)行，不需要象傳統(tǒng)方式那樣逐級(jí)匹配設(shè)計(jì)。

（2）程序功能完備而強(qiáng)大，能夠?qū)崿F(xiàn)通流的效率和強(qiáng)度的自動(dòng)匹配，差脹安全性和效率的自動(dòng)匹配，模塊跨距與級(jí)份的自動(dòng)匹配。

（3）AIBT通流技術(shù)的設(shè)計(jì)從氣動(dòng)力學(xué)角度提出了變反動(dòng)度的設(shè)計(jì)原則，即每一葉片級(jí)的反動(dòng)度是不相等的。反動(dòng)度是與葉片的幾何尺寸、焓降、進(jìn)出汽角特性對(duì)應(yīng)的，以最佳的氣流特性決定各級(jí)的反動(dòng)度，而不是按統(tǒng)一的反動(dòng)度去犧牲某些氣動(dòng)性能，使各個(gè)全三維葉片級(jí)均處在最佳的氣動(dòng)狀態(tài)，不同反動(dòng)度葉片級(jí)的組合將提高整個(gè)缸的通流效率。

（4）整體圍帶葉片、全切削加工強(qiáng)度好、動(dòng)應(yīng)力低、抗高溫蠕變性能好。

2.1總述

本次改造對(duì)原超臨界、單軸一次中間再熱臨界、三缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)采用AIBT技術(shù)及汽輪機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行通流改造，改造的主要原則為：1）汽輪機(jī)外缸不動(dòng)；2）汽輪機(jī)基礎(chǔ)不動(dòng)；3）內(nèi)缸的裝配和定位方式不變；4）汽輪機(jī)軸承不動(dòng)；5）轉(zhuǎn)子跨度不變；6）與發(fā)電機(jī)聯(lián)接方式和位置不變；改造的范圍如下：1）高、中、低壓缸通流部分動(dòng)、靜葉片；2）高、中、低壓轉(zhuǎn)子及附件；3）高中壓內(nèi)缸及組件；4）低壓內(nèi)缸及組件；5）其它改造前存在的問題；6）所有對(duì)輪螺栓更換改造。高壓通流級(jí)數(shù)從原來的I+11級(jí)增加至I+13級(jí)，中壓通流級(jí)數(shù)從原來的8級(jí)增加至9級(jí)，低壓通流級(jí)數(shù)從原來的 4×7級(jí)增加到 4×9級(jí)。

2.2高中壓內(nèi)缸

改造后的高中壓內(nèi)缸有別于原191機(jī)組的高中壓內(nèi)缸。它是一個(gè)嶄新的整體結(jié)構(gòu)，它包括了原高壓內(nèi)缸、中壓內(nèi)缸、高壓持環(huán)、中壓#1持環(huán)以及蒸汽室，它徹底解決了原蒸汽室漏汽問題，更簡化了現(xiàn)場的安裝工作量。

高中壓內(nèi)缸采用鉻鉬鋼鑄件（ZG15Cr1Mo1V），高、中壓部分反流布置，在中分面處分開，形成上半和下半，上、下半用法蘭螺栓連接固定，它們必須預(yù)緊以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膽?yīng)力，以保證中分面的汽密性。內(nèi)缸下半在靠近高壓和中壓進(jìn)汽口附近分別有四個(gè)與缸體鑄成一體的貓爪在水平中分面處支承在外缸上，頂部和底部用定位銷導(dǎo)向，以保持對(duì)汽輪機(jī)軸線的正確位置，同時(shí)允許隨溫度變化能自由地膨脹和收縮。內(nèi)、外缸的進(jìn)汽口通過撓性進(jìn)汽插管來連接，利于吸收內(nèi)外缸差脹及減小熱應(yīng)力，進(jìn)汽插管與內(nèi)缸進(jìn)汽口間配有密封環(huán)。

2.3高中壓轉(zhuǎn)子

高中壓轉(zhuǎn)子是由12Cr10Mo1W1NiVNbN整體鍛件加工而成的無中心孔轉(zhuǎn)子，高壓通流級(jí)數(shù)增加至I+13級(jí)，中壓通流級(jí)數(shù)增加至9級(jí)。

高中壓轉(zhuǎn)子的高壓與中壓的蒸汽流向?yàn)榉戳鞑贾?，高中壓轉(zhuǎn)子支承于兩個(gè)徑向軸承上，跨距為6140mm，裝好葉片的高中壓轉(zhuǎn)子重約36.5噸。高壓包括1級(jí)三叉三銷葉根的單列調(diào)節(jié)級(jí)及13級(jí)壓力級(jí)，壓力級(jí)全部為T型葉根。中壓共9級(jí)，前兩級(jí)為雙T型葉根，其余為T型葉根。各級(jí)間的轉(zhuǎn)子外圓有用于供安裝隔板汽封齒的齒槽。在各級(jí)動(dòng)葉圍帶處，均裝有徑向汽封，在轉(zhuǎn)子兩端城墻齒與端部汽封配合，以防各級(jí)間漏汽及蒸汽外泄。

調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉為三叉三銷三聯(lián)體葉片結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的葉片具有良好的強(qiáng)度性能。每組葉片由一塊單獨(dú)的材料通過電脈沖加工而成。葉片根部為三叉形，安裝時(shí)插入轉(zhuǎn)子上已加工好的與之配合的槽內(nèi)。再由三只軸向裝入的銷子加以固定。這種形式的葉片能夠承受最小的部分進(jìn)汽運(yùn)行工況而不會(huì)損壞。

2.4高中壓通流

本次改造，采用整體通流設(shè)計(jì)技術(shù)（AIBT），保證了機(jī)組的高效性和安全性；該技術(shù)主要有以下特點(diǎn)：

（1）小直徑、多級(jí)數(shù)：各級(jí)均有汽封，減少漏氣損失。

（2）變反動(dòng)度：變反動(dòng)度使得葉片級(jí)均處在最佳的氣動(dòng)狀態(tài)，大大提高中壓缸的整體通流效率。

（3）采用彎扭馬刀型動(dòng)、靜葉。

（4）采用T型（單、雙）葉根：有效降低葉根軸向漏汽量。

（5）采用整體圍帶葉片：全切削加工，強(qiáng)度好、振動(dòng)應(yīng)力低、抗高溫蠕變性能好。

（6）隔板及徑向汽封采用鑲片式迷宮汽封：有效降低通流部分的漏氣損失。

2.5低壓內(nèi)缸

低壓內(nèi)缸為碳鋼焊接（鑄焊）結(jié)構(gòu)，除兩端半環(huán)為鑄件外，其余均為鋼板。采用側(cè)板將內(nèi)缸分成不同的抽汽腔室，左右腔室之間焊有撐桿，以此來保證結(jié)構(gòu)的剛性。低壓內(nèi)缸的設(shè)計(jì)是運(yùn)用國際上最先進(jìn)的有限元計(jì)算手段對(duì)機(jī)組進(jìn)行三維模擬仿真分析后取得的最佳結(jié)構(gòu)，采用了一種新型平行四邊形的抽汽腔室結(jié)構(gòu)和新的螺栓法蘭布置方法，即將傳統(tǒng)的垂直徑向隔板向進(jìn)汽中心線傾斜，通過一塊有孔的覆板連接徑向隔板的內(nèi)側(cè)端部，組成一個(gè)可以滿足抽汽要求的封閉平行四邊形腔室。通過中分面少量的法蘭和螺栓布置，利用汽缸的熱脹以達(dá)到其運(yùn)行狀態(tài)自行密封的效果。從而解決傳統(tǒng)螺栓密封技術(shù)存在的問題，是一種先進(jìn)的利用特殊結(jié)構(gòu)達(dá)到自密封的技術(shù)。內(nèi)缸兩端固定有排汽導(dǎo)流環(huán)，它與外缸的錐形端壁結(jié)合，形成排汽擴(kuò)壓通道。

3、改造后效果

從改造后的情況看，除了高壓缸效率與設(shè)計(jì)值尚有一定偏差外，其它性能指標(biāo)均達(dá)到了較為理想的結(jié)果。

（1）#1機(jī)組相比改造前，整機(jī)熱耗降低189.22kJ/kWh，供電煤耗降低了約7.2g/kWh。

（2）#2機(jī)組相比改造前，整機(jī)熱耗降低215.5kJ/kWh，供電煤耗降低了約8.26g/kWh。

4、結(jié)語

汽輪機(jī)通流改造的原則之一就是不改變汽輪機(jī)的熱力系統(tǒng)，各級(jí)回?zé)岢槠诘膮?shù)（包括抽汽壓力和溫度）基本不變，壓力和溫度變化范圍很小，可以完全保證各級(jí)加熱器不超壓、不超溫，加熱器的安全運(yùn)行是完全可以保證的。

參考文獻(xiàn)

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