某發(fā)電機(jī)組凝汽沖動(dòng)式汽輪機(jī)通流部分技術(shù)改造經(jīng)濟(jì)性分析

神華神東電力山西河曲發(fā)電有限公司 馮小剛

近年來(lái)，由于現(xiàn)代熱力學(xué)的深度研究和工程流體力學(xué)理論的實(shí)用創(chuàng)新，結(jié)合計(jì)算機(jī)模型計(jì)算技術(shù)的高速發(fā)展和完善，復(fù)雜工業(yè)零部件熱傳導(dǎo)和流體計(jì)算領(lǐng)域的三維設(shè)計(jì)和制造技術(shù)趨于成熟，尤其在高級(jí)燃機(jī)、汽機(jī)部件設(shè)計(jì)與制造方面得到了廣泛研究和應(yīng)用。同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)高端精密加工工藝和設(shè)備的進(jìn)步和升級(jí)，國(guó)產(chǎn)汽輪機(jī)、燃機(jī)部件的設(shè)計(jì)和制造工藝及質(zhì)量大為提高，也使得原來(lái)熱傳導(dǎo)理論研究和設(shè)計(jì)模型的工業(yè)化應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，如在理論熱力計(jì)算和流場(chǎng)改造模型理論的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)役汽輪機(jī)按其理論設(shè)計(jì)理念進(jìn)行異種改造成為現(xiàn)實(shí)。鑒于汽輪機(jī)通流部分的改造一般建立在其原有熱力計(jì)算基礎(chǔ)上的要求，通過(guò)加持先進(jìn)技術(shù)更有效地提高其出力可靠性和降低改造費(fèi)用，同時(shí)降低自身生產(chǎn)能耗的改造方案和技術(shù)將獲得大力發(fā)展，并趨于成熟可靠。

某發(fā)電有限公司4號(hào)發(fā)電機(jī)組采用哈爾濱汽輪機(jī)廠20世紀(jì)九十年代初技術(shù)設(shè)計(jì)和制造的汽輪機(jī)，型號(hào)為N55-8.83/535凝汽沖動(dòng)式。受該機(jī)組設(shè)計(jì)制造時(shí)代工業(yè)制造水平的限制，實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中其熱耗率達(dá)不到設(shè)計(jì)值9448kJ/(kWh)，經(jīng)機(jī)組多次大修技術(shù)改進(jìn)和調(diào)整依然得不到提升。以其歷史最成功的2007年改造為例，其熱力試驗(yàn)報(bào)告顯示熱耗率為9949kJ/(kWh)。該機(jī)組汽輪機(jī)通流節(jié)能改造已成為該發(fā)電公司亟待解決的現(xiàn)實(shí)難題。經(jīng)過(guò)多方考察和論證，該機(jī)組最終采用北京全三維動(dòng)力工程有限公司先進(jìn)的全三維模型設(shè)計(jì)和改造技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的高精度加工工藝對(duì)汽輪機(jī)通流部分和打孔抽汽進(jìn)行再次改造。改造后通過(guò)熱力試驗(yàn)和負(fù)荷驗(yàn)證，機(jī)組額定出力增加5MW并提高了其熱電聯(lián)產(chǎn)靈活性能，較大提高了機(jī)組整體經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性和參與深度調(diào)峰的特性。

1 項(xiàng)目改造的技術(shù)先進(jìn)性

1.1 機(jī)組改造原則和目標(biāo)

機(jī)組改造以安全可靠性為第一原則和目標(biāo)。改造方案、設(shè)計(jì)和制造、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)必須符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到技術(shù)可靠、工藝先進(jìn)、結(jié)構(gòu)部件安全可靠等；項(xiàng)目改造范圍內(nèi)設(shè)備壽命不減，范圍外設(shè)備壽命無(wú)不良影響為必須條件。要求改造范圍內(nèi)的設(shè)備壽命在改造后經(jīng)評(píng)估須不低于30年，范圍外整機(jī)設(shè)備壽命須無(wú)不良影響；改造技術(shù)指標(biāo)嚴(yán)格控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。將純凝汽式汽輪機(jī)通過(guò)改造須可靠適應(yīng)熱電聯(lián)產(chǎn)，且確保機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定55MW值時(shí)抽汽壓力達(dá)到1.2MPa，抽汽量達(dá)到35T/h，熱電比達(dá)到54.5%的性能指標(biāo)。

1.2 葉片采用全新一代“后加載”式高效靜葉型

葉片表面的最大氣動(dòng)負(fù)荷點(diǎn)變?yōu)槿~柵流道后部（傳統(tǒng)葉片設(shè)計(jì)在前部）；葉片流型改良為雙面高階連續(xù)光滑曲線面，即吸力面和壓力面均由高階連續(xù)光滑曲線構(gòu)成；改良葉片流型，提高葉柵低損失特性。即新型葉片前緣為小圓半徑，具有更好的流型，使得來(lái)流攻角大范圍調(diào)整和變化時(shí)仍能保持葉柵低損失；優(yōu)化葉片流型，降低尾緣損失。即葉片設(shè)計(jì)和制造尾緣為小圓半徑，達(dá)到減少尾緣損失的目的；提高葉片最大厚度，增強(qiáng)剛性指標(biāo)[1-2]。

通過(guò)建立計(jì)算機(jī)三維流體和傳熱模型，計(jì)算新老葉型及其表面速度分布的比較表明，“后加載”葉型在來(lái)流方向攻角±30°的變化區(qū)間內(nèi)均可保持其低損失性能，而改造前老葉型的這一區(qū)間值僅約為±20°，也證明在通流改造后負(fù)荷變化區(qū)間增大時(shí)仍具有較高的換熱和流通效率，即提高了機(jī)組調(diào)峰范圍和適用特性。

1.3 改造采用彎扭聯(lián)合式全三維成型靜葉柵

研究和大量改造案例表明，彎扭聯(lián)合式全三維成型靜葉柵是目前汽輪機(jī)先進(jìn)改造技術(shù)的研究熱點(diǎn)和集中體現(xiàn)，且通過(guò)大量理論研究與實(shí)踐證明該工藝和技術(shù)可使汽輪機(jī)級(jí)的熱效率和通流效率提高1.5～2%[2-3]。通過(guò)大量計(jì)算和實(shí)踐證明，彎扭葉柵總損失比傳統(tǒng)直（扭）葉柵下降達(dá)25%。

1.4 其他相關(guān)改造

高壓級(jí)改造采用高壓隔板分流。機(jī)組改造前靜葉柵高壓靜葉采用窄葉片加強(qiáng)筋型結(jié)構(gòu)，靜葉片葉柵損失較大，其原因主要為加強(qiáng)筋的型線與葉型匹配度較低，且受限于加工工藝水平較低，加強(qiáng)筋的制造工藝粗糙且與葉型對(duì)齊尺寸偏差較大。本文所述項(xiàng)目改造采用分流式葉柵結(jié)合新進(jìn)的高精度加工工藝，使得葉柵損失大幅度降低。文獻(xiàn)表明，由機(jī)械部上海成套所和電力部西安熱工研究院對(duì)分流式葉柵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算，高壓級(jí)分流葉柵可使高壓缸效率提高至4%以上[3-4]。

調(diào)節(jié)級(jí)改造采用子午面收縮靜葉柵。子午面收縮型靜葉柵具有降低靜葉柵通道前段負(fù)荷、減少葉柵二次流損失等優(yōu)點(diǎn)。由于調(diào)節(jié)級(jí)靜葉柵相對(duì)葉長(zhǎng)高度較短（一般設(shè)計(jì)制造值L/b≤0.4），導(dǎo)致靜葉柵二次流的損失占葉柵總損失的比例較大，實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐證明因調(diào)節(jié)級(jí)采用子午面收縮靜葉柵對(duì)提高高壓缸效率十分重要和可觀，可使得調(diào)節(jié)級(jí)效率提高達(dá)1.7%[2-3]；動(dòng)葉采用自帶圍帶整圈聯(lián)接方式。機(jī)組舊葉片頂部圍帶采用鉚接聯(lián)接方式，振動(dòng)應(yīng)力較大且存在鉚接應(yīng)力集中，安全可靠性較低。文章改造方案采用葉片與頂部圍帶設(shè)計(jì)制造整體式，且采用預(yù)扭裝配工藝將動(dòng)葉片形成整圈聯(lián)接的整體結(jié)構(gòu)方式，較大程度降低或消除動(dòng)葉片的振動(dòng)和應(yīng)力，具有更高的高速轉(zhuǎn)動(dòng)安全可靠性。

優(yōu)化通流子午面光順度提高流通效率。機(jī)組舊通流子午面受設(shè)計(jì)和加工精度的限制，呈現(xiàn)較為明顯的階梯狀，通流面局部微渦流現(xiàn)象嚴(yán)重，限制通流效率和增大局部振動(dòng)值。本技改通過(guò)建模計(jì)算和精度加工，設(shè)計(jì)優(yōu)化各流道，使得動(dòng)葉片自帶圍帶的內(nèi)側(cè)按流道形狀設(shè)計(jì)制造成圓錐面，同時(shí)動(dòng)葉片根部及相鄰靜葉片根部與頂部也設(shè)計(jì)制造成圓錐面，從而使得通流部分的子午面匹配嚴(yán)密，整體流通面光潔順滑無(wú)階梯擾流，較大程度上提高流動(dòng)效率。

通過(guò)計(jì)算和優(yōu)化汽封齒數(shù)。通過(guò)流場(chǎng)計(jì)算，優(yōu)化增加整體式自帶圍帶動(dòng)葉片頂部外圓的汽封齒數(shù)量，以最大程度減少葉頂?shù)穆┢麚p失；優(yōu)化取消動(dòng)葉片調(diào)頻拉筋。新型自帶圍帶整圈聯(lián)接型動(dòng)葉片的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)使得其具有優(yōu)良的抗振動(dòng)特性，通過(guò)理論驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)表征，完全取消舊機(jī)組用于調(diào)頻用的動(dòng)葉片拉筋，同時(shí)也避免了由于拉筋造成的繞流阻力和通流損失。研究表明，取消一條拉筋可提高級(jí)效率1%[4]。

2 改造后經(jīng)濟(jì)性分析與結(jié)論

本項(xiàng)目機(jī)組通流部分改造后即并網(wǎng)發(fā)電，運(yùn)行情況良好，實(shí)現(xiàn)56MW負(fù)荷條件下連續(xù)運(yùn)行，抽汽量連續(xù)達(dá)到20T/h，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)且汽輪機(jī)振動(dòng)值降低，各軸承垂直振動(dòng)值均在0.025mm優(yōu)秀范圍內(nèi)。按照ANSI/ASMEPTC6.0-1976《汽輪機(jī)性能試驗(yàn)法規(guī)》的標(biāo)準(zhǔn)條件，項(xiàng)目改造后由國(guó)內(nèi)某電力試驗(yàn)研究院對(duì)該汽輪機(jī)進(jìn)行熱力特性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)組在額定工況下（3VWO）汽輪機(jī)通流部分效率提高至89.3%，經(jīng)過(guò)計(jì)算修正后的熱耗率平均值達(dá)到9085kJ/(kWh)，相比改造前降低864KJ/(kWh)，熱效率提高比例達(dá)到8.68%，計(jì)算單位發(fā)電量降低消耗折合標(biāo)準(zhǔn)煤30g/(kWh)。

以該機(jī)組年運(yùn)行時(shí)數(shù)按6000h計(jì)算，年均消耗標(biāo)準(zhǔn)煤節(jié)約9900t，以標(biāo)準(zhǔn)煤?jiǎn)蝺r(jià)按1000元/噸計(jì)算年均可節(jié)約折合標(biāo)準(zhǔn)煤燃料費(fèi)約990萬(wàn)元人民幣。同時(shí)機(jī)組實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的抽汽供熱，抽汽供熱量穩(wěn)定均值達(dá)到20T/h，按年均供熱時(shí)長(zhǎng)2000h計(jì)算，供熱每噸蒸汽利潤(rùn)按15元計(jì)算，該機(jī)組年均可增加收益60萬(wàn)元。按以上兩項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算，該機(jī)組通流改造后每年可實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)增收1050萬(wàn)元，具有巨大的直接經(jīng)濟(jì)效益和間接社會(huì)效益。

結(jié)論：某電力有限公司4號(hào)機(jī)組裝配為型號(hào)N55-8.83/535凝汽沖動(dòng)式汽輪機(jī)，通過(guò)通流部分技術(shù)改造解決了機(jī)組本身的振動(dòng)大、通流效率低下等缺陷，并實(shí)現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)，并在穩(wěn)定供熱狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗標(biāo)煤30g/(kWh)左右，帶來(lái)巨大的直接節(jié)能減排經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)通過(guò)供熱聯(lián)產(chǎn)改善了當(dāng)?shù)厣罟釛l件，也解決了當(dāng)?shù)毓I(yè)用汽的直接困難，且助力當(dāng)?shù)厣洗髩盒〉墓?jié)能減排政策，淘汰一批高能耗高排放小型工業(yè)鍋爐，產(chǎn)生較為客觀的社會(huì)效益。此次改造成功為國(guó)內(nèi)同類型機(jī)組通過(guò)通流改造達(dá)到節(jié)能降耗和減排目標(biāo)提供了經(jīng)驗(yàn)，也為現(xiàn)行環(huán)保政策下火力發(fā)電小機(jī)組通過(guò)靈活性改造尋求生存和發(fā)展機(jī)遇提供可供參考的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。