電站汽輪機(jī)通流提效節(jié)能改造

楊超，，鐘挺，王琦，趙玉偉

（1.中國石化巴陵分公司熱電部，湖南岳陽414000；2.北京全四維動力科技有限公司，北京100095）

巴陵石化#7 機(jī)于1999 年投運(yùn)，由于該機(jī)型設(shè)計(jì)年代早，通流設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已明顯落后，且這一機(jī)型目前普遍存在結(jié)構(gòu)安全隱患、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差等問題。

1 汽輪機(jī)現(xiàn)狀分析

1.1 汽輪機(jī)基本狀況

#7機(jī)型號為C25-8.83/0.98-Ⅰ，額定主蒸汽壓力8.83 MPa，溫度535℃，最大進(jìn)汽量210 t/h，設(shè)計(jì)排汽壓力4.1 kPa。該機(jī)組為單缸結(jié)構(gòu)，通流級數(shù)為1個雙列調(diào)節(jié)級＋18個壓力級，機(jī)組總級數(shù)為19級。

1.2 性能分析

由于該機(jī)型設(shè)計(jì)年代早，通流設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已明顯落后，且在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)存在較大的安全性和經(jīng)濟(jì)性問題，具體包括：

1）部分葉輪和隔板出現(xiàn)變形

#7汽輪機(jī)累計(jì)運(yùn)行時數(shù)約12萬h，部分葉輪和隔板在長期熱應(yīng)力作用下存在一定變形，已沒有安全裕量。為在開機(jī)過程中控制相對膨脹值在較低范圍內(nèi)以避免機(jī)組動靜部分發(fā)生碰磨，往往只能采取延長開機(jī)時間等措施，不利于生產(chǎn)組織。

2）葉片表面有點(diǎn)蝕現(xiàn)象

后幾級葉片由于長期老化、水蝕等造成損傷，通過以往檢修發(fā)現(xiàn)葉片表面沖刷有多處點(diǎn)蝕現(xiàn)象，特別是第十七、十八和十九級葉片水蝕沖刷非常嚴(yán)重，存在葉片斷裂的巨大風(fēng)險(xiǎn)，既影響安全運(yùn)行，又嚴(yán)重降低了葉片效率。

3）通流部分一維葉片設(shè)計(jì)落后

通流部分采用的是傳統(tǒng)一維葉片設(shè)計(jì)，蒸汽轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率低，與具有先進(jìn)設(shè)計(jì)水平葉片的機(jī)組存在較大的差距。

4）傳統(tǒng)疏齒式汽封阻汽效果差

傳統(tǒng)疏齒式汽封阻汽效果差，造成級間以及前后軸封漏汽量比較大，一方面引起軸瓦溫度高，影響機(jī)組安全運(yùn)行，同時也造成機(jī)組效率低。

綜合以上分析可以看出，#7機(jī)在安全性與經(jīng)濟(jì)性方面與同類型的改造機(jī)組和新投產(chǎn)機(jī)組有較大差距，亟需解決運(yùn)行中存在的各種安全隱患，在效率方面有較大的提升空間。

1.3 影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性原因

致使機(jī)組實(shí)際運(yùn)行煤耗偏高的主要原因是汽輪機(jī)通流效率較低，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1）該型汽輪機(jī)設(shè)計(jì)成型年代早，葉片型線設(shè)計(jì)技術(shù)已相對落后，葉片型線損失、二次流損失大，葉片級效率低；

2）汽輪機(jī)通流子午面光順程度較差，流動損失大；

3）焓降分配和速比不合理，輪周效率偏低；

4）動、靜葉片匹配不佳，葉片來流攻角偏大，增加了攻角損失；

5）部分級動葉頂部無圍帶或有拉金，增加了泄漏損失和繞流損失；

6）隔板根部汽封為軸向汽封齒，漏汽面積大、密封效果差；

7）葉片沖蝕嚴(yán)重，嚴(yán)重影響氣動性能。

2 #7 汽輪機(jī)通流改造

2.1 改造目標(biāo)

#7機(jī)經(jīng)過技術(shù)改造后，可實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：純凝30 MW工況下機(jī)組熱耗率降到9 920 kJ/kW·h以內(nèi)；在各抽汽工況下熱耗率大幅降低；機(jī)組的安全可靠性提高，解決設(shè)備存在的安全隱患，降低運(yùn)行檢修費(fèi)用，延長機(jī)組壽命。

2.2 改造原則

汽輪機(jī)通流部分技術(shù)改造采用成熟、先進(jìn)的技術(shù)，最大程度地提高效率、降低熱耗；改造后機(jī)組能適應(yīng)變負(fù)荷和變工況運(yùn)行，在50%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)均具有較高的經(jīng)濟(jì)性；機(jī)組外形尺寸不變，旋轉(zhuǎn)方向不變；汽輪機(jī)機(jī)組與軸承箱、發(fā)電機(jī)、主油泵、盤車裝置的接口不變；改造后基礎(chǔ)負(fù)載基本不變，設(shè)備滿足現(xiàn)場安裝要求；延長機(jī)組壽命；設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和改造后有關(guān)運(yùn)行指標(biāo)符合國家和國際有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 改造方案

保留機(jī)組外缸，高壓前軸承箱及軸承，低壓后軸承箱及軸承等。更換轉(zhuǎn)子、噴嘴組、隔板套、全部動葉片、全部隔板、隔板汽封、葉頂汽封、機(jī)組前、后汽封等。改造前后通流設(shè)計(jì)對比及改造部件見圖1、2。

圖1 改造前后通流設(shè)計(jì)對比

3 改造采取的先進(jìn)技術(shù)措施

改造項(xiàng)目采用具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、國際領(lǐng)先水平的新一代汽輪機(jī)精確設(shè)計(jì)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)。改造后可以使汽輪機(jī)組的效率提高5%～8%，出力增加10%，同時大幅度提升機(jī)組安全可靠性。

3.1 通流結(jié)構(gòu)優(yōu)化

現(xiàn)代汽輪機(jī)通流改造設(shè)計(jì)中，小焓降、多級已成為發(fā)展的趨勢。通過增加通流級數(shù)、降低級平均焓降、優(yōu)化級焓降分配可降低根徑、增加葉高，減少流動損失、漏汽損失，提高通流效率。

通流改造對通流結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，原機(jī)組采用雙列調(diào)節(jié)級，由于雙列調(diào)節(jié)級焓降占比較大且效率較低，改造后采用單列調(diào)節(jié)級并減小調(diào)節(jié)級焓降，以提高缸效率。同時，高壓通流段優(yōu)化焓降分布，通流級數(shù)由8 級增加到9 級，多級小焓降的技術(shù)措施可進(jìn)一步提高整機(jī)效率。

圖2 改造部件示意

3.2 葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)及變工況特性

通流改造后的經(jīng)濟(jì)性通過先進(jìn)的葉片設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，針對性措施如下：

1）采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成熟高效葉片型線，該葉型具有寬負(fù)荷運(yùn)行適應(yīng)性，其攻角對來流變化的敏感度較低，在進(jìn)汽攻角±25°的范圍內(nèi)葉片效率仍整體處于較高值[1]。

2）在通流級內(nèi)的葉片設(shè)計(jì)上，通過在每一個截面上達(dá)到動葉與靜葉內(nèi)流場的最佳匹配，既有效提高靜葉內(nèi)的效率，又大大改善動葉內(nèi)的流場，從而使整級效率最高。

3）通流內(nèi)部流動具有強(qiáng)烈的非定常特征，即蒸汽參數(shù)和流動狀態(tài)隨著時間呈現(xiàn)明顯的波動和變化，在進(jìn)行葉柵通道的氣動設(shè)計(jì)時，充分考慮其非定常因素，使葉片設(shè)計(jì)更接近真實(shí)的流動狀態(tài)。

汽輪機(jī)的變工況特性主要措施有：

1）通過優(yōu)化葉片型線，改善葉片的攻角適應(yīng)性，從而提高變工況運(yùn)行時各級的效率；

2）合理提高末級、次末級根部反動度，保證在小容積流量（低負(fù)荷或高背壓）工況下，動葉根部不出現(xiàn)回流。這樣，既保證了變工況運(yùn)行時末級、次末級的高效率，又有效防止了動葉根部的水蝕現(xiàn)象，提高了末級、次末級動片的安全性和使用壽命。

3.3 調(diào)節(jié)級設(shè)計(jì)

原機(jī)組采用噴嘴調(diào)節(jié)，改造后進(jìn)汽調(diào)節(jié)方式不變。部分進(jìn)汽的汽輪機(jī)，由于調(diào)節(jié)級焓降大，出力份額高，對整機(jī)效率影響較大，同時調(diào)節(jié)級焓降大，工作溫度高，工況復(fù)雜且受負(fù)荷波動影響大，工作環(huán)境惡劣，在提高調(diào)節(jié)級效率的同時必須高度重視其安全性。

噴嘴組靜葉片采用高效葉片，同時采用子午面收縮技術(shù)以減小二次流損失。調(diào)節(jié)級動葉片采用變截面扭葉片，既能提高效率，又能降低應(yīng)力，結(jié)構(gòu)上采用安全可靠性高的單支外包菌型葉根的葉片結(jié)構(gòu)。

3.4 分流葉柵

原設(shè)計(jì)分流葉柵中的大葉片采用隔筋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)僅能保證葉柵強(qiáng)度，與葉型葉片相比，由于其對主流的干擾、對流道的堵塞影響較大，導(dǎo)致葉柵的氣動性能較差。

新設(shè)計(jì)的高壓部分靜葉采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的分流葉柵技術(shù)，新分流葉柵采用大小葉片結(jié)合的方式，見圖3，既能增加隔板強(qiáng)度，又能減少流動損失，大幅度提高缸效率。

圖3 分流葉柵氣動設(shè)計(jì)

3.5 彎扭聯(lián)合成型葉片

葉片的彎扭聯(lián)合成型技術(shù)是廣為采用的設(shè)計(jì)技術(shù)，通過對葉片積疊線、沿葉高角度分布兩條曲線進(jìn)行優(yōu)化控制，一方面抑制端壁二次流動的生成和發(fā)展，一方面使得密流向流動效率更高的中部集中，從而使得整個葉柵的流動損失更小。動靜匹配涉及葉片型線的匹配、葉片扭曲規(guī)律的匹配、泄漏流動控制、級與級匹配等，葉片彎扭復(fù)合成型優(yōu)化設(shè)計(jì)（見圖4）也是匹配設(shè)計(jì)的一個部分。通過每個環(huán)節(jié)的控制，使得整體級效率得以提高。

對不同工作條件下的葉片級進(jìn)行多通道、多級聯(lián)算，可得到包含動靜干擾在內(nèi)的詳細(xì)流場特征，并針對不同的情況采取相應(yīng)措施來改善整級以及多級的葉柵通道內(nèi)部流動，提高通流效率。

3.6 蒸汽泄漏控制

蒸汽泄漏控制在汽輪機(jī)設(shè)計(jì)中主要包括靜止部件之間密封和動靜部件之間密封。動靜部件之間密封主要為汽封圈與轉(zhuǎn)子之間的密封，原機(jī)組部分結(jié)構(gòu)處密封凸臺和汽封齒數(shù)不足，通過重新設(shè)計(jì)通流尺寸，并考慮真實(shí)葉片頂部和根部以及動靜干涉因素，對密封凸臺和汽封齒數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要技術(shù)手段包括：

圖4 彎扭聯(lián)合成型多級氣動設(shè)計(jì)

1）將動靜葉片的干涉、葉根和葉頂汽封納入到葉片流場設(shè)計(jì)和分析中，通過控制汽封的泄漏流動提高汽輪機(jī)的通流效率[5]。

2）所有動葉片均設(shè)計(jì)為自帶冠葉片，動葉圍帶和轉(zhuǎn)子相關(guān)部位加工成凹凸臺結(jié)構(gòu)，通過增加葉頂汽封齒數(shù)減小葉頂?shù)恼羝孤6]。

3）在隔板汽封設(shè)計(jì)時，充分考慮沖動式葉輪的平衡孔和隔板汽封之間的抽吸因素，并將平衡孔對流場的影響分析加入整級氣動設(shè)計(jì)中，以確保與真實(shí)流動的高度吻合。

3.7 材料

對于亞臨界參數(shù)以下的高壓機(jī)組，關(guān)鍵部件的材料已全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，成熟性和可靠性經(jīng)過了長期的運(yùn)行驗(yàn)證。主要改造部分材質(zhì)見表1。

表1 通流改造部分關(guān)鍵部件材質(zhì)

4 改造后機(jī)組運(yùn)行情況

汽輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后振動指標(biāo)優(yōu)良，軸承雙振幅振動值，無論是垂直、水平均小于0.025 mm，達(dá)到良好標(biāo)準(zhǔn)，各軸承在通過臨界轉(zhuǎn)速時雙振幅振動值均小于0.10 mm。推力瓦的金屬溫度低于85℃，各徑向軸承金屬溫度均低于85℃。

對機(jī)組改造前后相同運(yùn)行工況進(jìn)行性能對比測試，在25 MW 負(fù)荷純凝工況下，汽輪機(jī)試驗(yàn)熱耗較改造前降低1 301 kJ/kW·h，效率提高14.72%；在25 MW 負(fù)荷抽汽工況下，汽輪機(jī)試驗(yàn)熱耗較改造前降低583 kJ/kW·h，效率提高7.42%；在30 MW負(fù)荷抽汽工況下，汽輪機(jī)試驗(yàn)熱耗較改造前降低704 kJ/kW·h，效率提高7.06%。

5 結(jié)論

通過對#7汽輪機(jī)實(shí)施通流改造，并針對性的采用個性化定制沖動式改造方案，采用當(dāng)前新型高效葉片，對轉(zhuǎn)子等通流核心部件進(jìn)行更換，顯著提高了機(jī)組的結(jié)構(gòu)安全性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。