熱電站背壓機(jī)組通流提效改造應(yīng)用實(shí)例分析

(廣州環(huán)投福山環(huán)保能源有限公司，廣州 511363)

0 引 言

某電站供熱主力汽輪機(jī)組，型號為B12-8.83/4.02，高壓、單軸、背壓式汽輪機(jī)組，是國內(nèi)某知名汽輪機(jī)制造公司出產(chǎn)的產(chǎn)品。經(jīng)過二十多年的運(yùn)行，主設(shè)備老化，機(jī)組通流部份效率下降，而且由于設(shè)計(jì)年代較早，限于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)水平和制造條件，機(jī)組的技術(shù)性能較差，落后于現(xiàn)在的先進(jìn)技術(shù)水平。通過調(diào)研，決定開展該機(jī)組節(jié)能改造工作。該改造主要采用當(dāng)代汽輪機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，秉承增容與節(jié)能相結(jié)合的原則，對該機(jī)組進(jìn)行了通流提效改造，在較少投入的前提下，大幅度地增容降耗，擴(kuò)大運(yùn)行范圍，延長機(jī)組壽命，提高機(jī)組運(yùn)行可靠性。充分發(fā)揮老機(jī)組的潛力，讓電廠增容增效。

1 改造情況

項(xiàng)目設(shè)計(jì)主要根據(jù)汽輪機(jī)廠家提供的汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸和熱力參數(shù)建立理論模型，針對機(jī)組通流部分，采用當(dāng)代先進(jìn)的多級汽輪機(jī)一維/準(zhǔn)三維/全三維氣動(dòng)熱力設(shè)計(jì)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并提出確定以更換原機(jī)組汽輪機(jī)通流部分動(dòng)葉片、隔板等部分的改造方案。根據(jù)確定的改造方案，參考各種機(jī)型改造的經(jīng)驗(yàn),應(yīng)用近年來經(jīng)過運(yùn)行考驗(yàn)的先進(jìn)、成熟的結(jié)構(gòu)對老機(jī)組通流部分進(jìn)行全面優(yōu)化改進(jìn)。

根據(jù)機(jī)組熱力特性計(jì)算，以及項(xiàng)目目標(biāo)、設(shè)計(jì)思路與所積累的成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮各方面的因素，在確保機(jī)組改造后安全運(yùn)行的前提下，以鍋爐、發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)本體汽缸及基礎(chǔ)等部件不改動(dòng)為前提，通過核算，對機(jī)組部分級次和部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并更換。

隔板和動(dòng)葉片是完成蒸汽熱能向動(dòng)能轉(zhuǎn)換的重要部套。機(jī)組在改造設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了這些部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、溫度效應(yīng)及工作條件，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性。

1.1 隔板和導(dǎo)葉改造

機(jī)組有3個(gè)隔板組件，即第2級隔板組件、第3級隔板組件和第4級隔板組件。表1為各級隔板和導(dǎo)葉用材質(zhì)。第2級、第3級、第4級隔板均為焊接隔板。改造后，各級靜葉片均采用高效后部加載層流葉片設(shè)計(jì)，并采用分流圍帶式葉柵，這種葉柵由主流片和分流片構(gòu)成，圖1為原加強(qiáng)筋葉柵和新應(yīng)用的分流葉柵對比圖。各級導(dǎo)葉為薄出汽邊，可減少尾跡損失和尾跡激振力幅值。采用這些先進(jìn)技術(shù)后，不但能滿足隔板的剛度、強(qiáng)度要求，且能獲得較高的氣動(dòng)性能以提高經(jīng)濟(jì)性，還可以降低動(dòng)葉片的應(yīng)力，增加其可靠性。

表1 各級隔板和導(dǎo)葉用材質(zhì)

尾跡損失是由于葉柵出口邊厚度的存在，沿著葉型腹面和背面流來的兩部分汽流在離開葉片出口時(shí)不能匯合而產(chǎn)生脫離，從而使葉片出口邊后的壓力下降所造成的壓力損失。出口邊汽流脫離形成的渦流區(qū)域稱為尾跡。尾跡中汽體有旋轉(zhuǎn)運(yùn)行消耗一部分汽體動(dòng)能，另外，它與主汽流的相互作用亦消耗一部分汽體動(dòng)能。尾跡損失主要與葉片出口邊厚度有關(guān)，葉片出口邊的厚度越大，尾跡損失越大。從圖1可看出，改造后的分流葉柵，導(dǎo)葉出汽側(cè)的厚度，也就是導(dǎo)葉出口邊厚度改為薄出汽邊，在實(shí)際運(yùn)行中，葉型腹面和背面流來的汽流在葉片出口邊較改造前能較好的匯合，從而減少了汽流壓力損失，使尾跡損失得以下降。

1.2 動(dòng)葉片改造

動(dòng)葉片設(shè)計(jì)中采用了一系列新技術(shù)和新的設(shè)計(jì)思想，使氣動(dòng)、振動(dòng)和強(qiáng)度方面的水平都有較大的提高。

調(diào)節(jié)級動(dòng)葉片采用高效平衡動(dòng)葉，第2級、第3級、第4級動(dòng)葉片均采用等截面直葉片，各級動(dòng)葉片均為自帶冠、葉頂多齒汽封型式，不僅減小了漏汽量，且構(gòu)成高效光滑子午面流道。為了改善經(jīng)濟(jì)性和變工況性能，在參數(shù)高、焓降大、工況惡劣的調(diào)節(jié)級上，將2只動(dòng)葉組焊成一體，提高了可靠性。

為了滿足轉(zhuǎn)子和靜子相對膨脹和動(dòng)葉熱脹的要求，動(dòng)葉頂部與靜子之間存在軸向間隙和徑向間隙，級間的蒸汽有部分經(jīng)過動(dòng)葉軸向間隙和徑向間隙漏到級后，這部分沒有作功的蒸汽，稱為葉頂漏汽損失。改造后，動(dòng)葉片采用自帶冠、葉頂多齒汽封型式，可減少動(dòng)葉頂部與靜子間隙的漏汽量，提高蒸汽利用率。各級動(dòng)葉片的使用材料均為1Cr11MoV。圖2、圖3分別為動(dòng)葉片改造前和動(dòng)葉片、圍帶改造后現(xiàn)場圖。

圖2 動(dòng)葉片改造前

圖3 動(dòng)葉片、圍帶改造后

1.3 汽封圈改造

各級隔板均設(shè)有隔板汽封，為高低直梳齒汽封，使用材料為15CrMoA。前汽封、后汽封同樣采用高低直梳齒汽封，使用材料均為15CrMoA。圖4為現(xiàn)場待裝高低直梳齒汽封。

圖4 現(xiàn)場待裝高低直梳齒汽封

2 改造后要求達(dá)到的汽輪機(jī)本體主要技術(shù)參數(shù)

通過該改造實(shí)施,達(dá)到汽輪機(jī)技術(shù)參數(shù)要求，詳見表2。

表2 改造后汽輪機(jī)技術(shù)參數(shù)要求

3 改造后汽輪機(jī)本體及設(shè)備性能要求

(1)汽輪機(jī)改造部分連續(xù)運(yùn)行時(shí)間不少于5年,設(shè)計(jì)壽命>20年。

(2)軸系臨界轉(zhuǎn)速值與工作轉(zhuǎn)速避開±15%以上,軸系臨界轉(zhuǎn)速的分布保證有安全的暖機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)行超速試驗(yàn)。

(3)汽輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí),高中、低壓轉(zhuǎn)子的各軸承軸瓦振動(dòng)雙振幅值不大于0.03 mm，同時(shí)軸振<76 μm。通過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)瓦振不大于0.1 mm。

(4)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系失穩(wěn)轉(zhuǎn)速大于3 900 r/min。

(5)機(jī)組能在周波48.5～50.5 Hz的范圍內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

(6)各級隔板、導(dǎo)葉、動(dòng)葉材質(zhì)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，改造后通流部分各部件滿足長期運(yùn)行強(qiáng)度要求。

(7)轉(zhuǎn)子出廠前做高速動(dòng)平衡試驗(yàn)，精度為<1.2 mm/s，按撓性轉(zhuǎn)子平衡標(biāo)準(zhǔn)評定。

4 改造實(shí)施情況簡述

該改造項(xiàng)目的整體實(shí)施，主要利用該背壓機(jī)組大修機(jī)會(huì)，進(jìn)行了同步實(shí)施通流提效通流部件改造工作。

從背壓機(jī)組停運(yùn)1周后進(jìn)行大修施工，歷經(jīng)15天的機(jī)組揭缸、轉(zhuǎn)子及配件拆出外送，外送改造到返廠周期3個(gè)月，以及15天的整機(jī)復(fù)裝周期。改造貫穿該機(jī)組大修周期，總歷時(shí)近4個(gè)月。

5 通流提效改造技術(shù)應(yīng)用情況分析

通流提效改造技術(shù)的應(yīng)用效果主要是在改造后確保機(jī)組振動(dòng)合格的情況，針對機(jī)組效率、發(fā)電汽耗情況進(jìn)行分析對比。

(1)機(jī)組改造后振動(dòng)情況

汽輪機(jī)軸瓦振動(dòng)值，是衡量機(jī)組安全運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)。從減少漏汽、提高作功效率的角度看，軸向間隙越小越好，但是機(jī)組在啟停和變工況時(shí)動(dòng)、靜部分有熱膨脹差，若軸向間隙無法保證動(dòng)、靜部分的自由膨脹而發(fā)生碰磨，將損壞機(jī)組，故汽輪機(jī)進(jìn)行通流部分改造后，調(diào)試投運(yùn)過程中重點(diǎn)必須確保汽輪機(jī)軸瓦振動(dòng)在允許范圍內(nèi)。調(diào)試過程中，監(jiān)測軸瓦振動(dòng)可間接判斷機(jī)組動(dòng)靜部分是否存在碰磨。

在機(jī)組完成改造復(fù)裝及一系列靜態(tài)調(diào)試工作后。開展機(jī)組熱態(tài)調(diào)試，過程中，主要監(jiān)測機(jī)組軸瓦振動(dòng)情況。

在做排汽聯(lián)箱安全閥熱調(diào)前，機(jī)組振動(dòng)良好，只是在過臨界時(shí)，#2瓦Y向會(huì)報(bào)警，報(bào)警值不高，最高只有135 μm。

安全閥熱調(diào)后，在電氣做試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)#1瓦、#2瓦Y向振動(dòng)交替升降報(bào)警且在交點(diǎn)處共同報(bào)警，最高值達(dá)168 μm，如圖5所示。

圖5 改造后開機(jī)#1#2軸承Y向振動(dòng)曲線

后期觀察振動(dòng)：并網(wǎng)帶負(fù)荷運(yùn)行后一周內(nèi)，兩次發(fā)生#2瓦西側(cè)振動(dòng)超標(biāo)情況，最高152 μm，后下降至108 μm運(yùn)行。之后連續(xù)運(yùn)行觀察，振動(dòng)情況良好，未有超報(bào)警值。

(2)機(jī)組效率、汽耗情況對比

根據(jù)機(jī)組效率情況，詳見表3。剔除改造后3月份、6月份低負(fù)荷運(yùn)行效率較低外，其它月份較改造前同期數(shù)據(jù)均有明顯提升，機(jī)組漏汽量下降，作功能力得到明顯提升，從而提高了機(jī)組效率。

表3 改造前后同期該機(jī)組效率數(shù)據(jù)對比 單位：%

根據(jù)機(jī)組改造前后同期汽耗對比，詳見表4。剔除改造后3月份、6月份因運(yùn)行方式調(diào)整，機(jī)組負(fù)荷低于200 t/h，運(yùn)行工況大幅度偏離額定工況，造成汽耗過大的數(shù)據(jù)。將改造前后同期最好數(shù)據(jù)相對比，發(fā)電汽耗均有較大幅度的下降。

表4 改造前后同期該機(jī)組發(fā)電汽耗數(shù)據(jù)對比(單位：kg/kW·h)

6 節(jié)能效果分析

(1)理論計(jì)算年效益：

大修改造后，從機(jī)組汽耗看，改造后5月機(jī)組發(fā)電汽耗為23.85 kg/kW·h，改造前同期5月份為25.98 kg/kW·h。

文化作為民族的精神紐帶，其發(fā)展離不開文化的自我反思[10]。我們需要在文化自信和文化反思的雙重維度上培養(yǎng)青年學(xué)生的學(xué)術(shù)能力。筆者認(rèn)為，打好本科生基本功，就是在培養(yǎng)這些日后能在全球競爭中為中國爭取話語權(quán)的新生力量。故而筆者提倡在學(xué)生中開展“研究性學(xué)習(xí)”時(shí)必須要有學(xué)術(shù)積淀作為依托，而且教師在這個(gè)過程中必須扮演重要的指導(dǎo)角色。一言以蔽之，教師是一種“參與性指導(dǎo)”的角色，一方面則警惕自己的“一言堂”教學(xué)和“填鴨式”教學(xué)，另一方面則培養(yǎng)學(xué)生為學(xué)習(xí)主體，在主體間性的高品質(zhì)氛圍之中實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生的對話、互動(dòng)。文本研讀就是希望將學(xué)生培養(yǎng)成一個(gè)在學(xué)術(shù)研究方面既有學(xué)術(shù)品質(zhì)也有審美品味的人。

通過換算可得知，改造后1t蒸汽發(fā)電量為42 kW·h，改造前1 t蒸汽發(fā)電量為38.5 kW·h，即是改造后1 t蒸汽較改造前多發(fā)42-38.5=3.5 kW·h。

根據(jù)5月份數(shù)據(jù)進(jìn)行理論計(jì)算，按照機(jī)組每年8 000 h運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，機(jī)組按額定負(fù)荷254.8 t/h運(yùn)行，在相同的中壓蒸汽供量的情況，每臺機(jī)組每年可多發(fā)3.5*254.8*8 000=7 134 400 kW·h, 按照發(fā)電成本每kWh為0.503元計(jì)算，一年則可創(chuàng)造效益358.86萬元。

(2)實(shí)際計(jì)算改造后上半年效益：

不剔除低負(fù)荷工況情況按照實(shí)際發(fā)生數(shù)據(jù)計(jì)算，將改造后上半年數(shù)據(jù)與改造同期數(shù)據(jù)相對比，計(jì)算出平均汽耗，改造后汽耗平均數(shù)為25.55 kg/kW·h，改造前汽耗平均數(shù)為27.31 kg/kW·h。

通過換算可得知，改造后1t蒸汽發(fā)電量為39.14 kW·h，改造前1t蒸汽發(fā)電量為36.62 kW·h，即是改造后1t蒸汽較改造前多發(fā)41-38.5=2.52 kW·h。

根據(jù)機(jī)組改造后上半年3 905 h運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，機(jī)組按額定負(fù)荷254.8 t/h運(yùn)行，在相同的中壓蒸汽供量的情況，每臺機(jī)組上半年多發(fā)2.52*254.8*3 905=2 507 384.88 kW·h。

按實(shí)際發(fā)電成本每kWh為0.503元計(jì)算，多創(chuàng)造效益126.12萬元，相當(dāng)于節(jié)約用電支出130.13萬元。

7 結(jié)束語

綜上所述，根據(jù)汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸和熱力參數(shù)建立理論模型，然后針對機(jī)組通流部分，采用當(dāng)代先進(jìn)的多級汽輪機(jī)一維/準(zhǔn)三維/全三維氣動(dòng)熱力設(shè)計(jì)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以更換原機(jī)組汽輪機(jī)通流部分動(dòng)葉片、隔板等部件開展提效改造工作。通過機(jī)組通流部分的全面優(yōu)化改進(jìn)，使汽輪機(jī)通流部分漏汽損失下降，提高蒸汽作功效率，使汽耗得以下降，發(fā)電效率得到顯著的提高。通流提效改造技術(shù)應(yīng)用于舊式熱電站背壓機(jī)改造中，提高了背壓機(jī)組效率，降低機(jī)組汽耗，在供熱型電廠、自備熱電廠的同類型機(jī)組上能較好的應(yīng)用。

關(guān)于此類節(jié)能項(xiàng)目，必須通過長期的運(yùn)行實(shí)踐、摸索，方能進(jìn)行真實(shí)而全面的分析，從而得出更為科學(xué)、準(zhǔn)確的結(jié)論。關(guān)于“節(jié)能降耗”的課題，只有通過長期的實(shí)踐驗(yàn)證、提高，我們在“節(jié)能降耗”的課題上才能取得長足的進(jìn)步。