汽輪機(jī)通流技術(shù)改造

1、蘇制超臨界三缸兩排汽 320MW汽輪機(jī)通流技術(shù)改造李寶清，趙呂順，楊 艦，王勝利（北京全四維動力科技有限公司，北京，100085）摘要：蘇制超臨界320MW汽輪機(jī)熱耗高、效率低，顯著低于目前300MW機(jī)組的先進(jìn)水平。北京全四維動力科技有限公司采用最新的設(shè)計技術(shù)對其進(jìn)行了通流技術(shù)改造，通流改造后的熱力性能試驗(yàn)表明該型汽輪機(jī)的通流改造是非常成功的，也為國內(nèi)其他進(jìn)口機(jī)組的通流改造提供了很好的借鑒。關(guān)鍵詞：超臨界；汽輪機(jī)；通流改造；缸效率；熱耗0?引言隨著近幾年我國和全球經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)保形勢的發(fā)展，火力發(fā)電企目前面臨的形勢也出現(xiàn)了一些新的特點(diǎn)。節(jié)能減排已經(jīng)提升為火電企業(yè)發(fā)展的約束性指標(biāo)；火力發(fā)電企業(yè)的

2、電量調(diào)度已由銘牌調(diào)度逐步調(diào)整為節(jié)能調(diào)度；07年以來國內(nèi)外電煤價格一度高漲，火電企業(yè)經(jīng)營壓力陡增。在上述背景下，機(jī)組的煤耗水平、汽輪機(jī)的熱耗水平已成為影響火電企業(yè)生存與發(fā)展的關(guān)鍵指標(biāo)，要在市場競爭中保持發(fā)展優(yōu)勢，就必須采取有效措施，大幅度降低汽輪發(fā)電機(jī)組的供電煤耗水平。華能南京電廠#1、# 2機(jī)組為前蘇聯(lián)生產(chǎn)的超臨界機(jī)組。1994年投產(chǎn)以來，汽輪機(jī)缸效率和熱耗率一直嚴(yán)重偏離設(shè)計值，機(jī)組煤耗較高，且存在某些安全可靠性問題，迫切需要對其進(jìn)行技術(shù)改造以實(shí)現(xiàn)機(jī)組熱力性能和安全性能的提升，以實(shí)現(xiàn)大幅度的節(jié)能減排、應(yīng)對節(jié)能調(diào)度和煤炭成本上漲帶來的壓力。1?蘇制超臨界320MW汽輪機(jī)概況華能國際南京發(fā)電廠#

3、1、# 2汽輪機(jī)是烏克蘭哈爾科夫汽輪機(jī)廠生產(chǎn)制造的K 320 23.5 4型超臨界、一次中間再熱、三缸兩排汽沖動凝汽式汽輪機(jī)。該型機(jī)組主蒸汽參數(shù)為23.5Mpa、540 C ；再熱蒸汽參數(shù)為 3.7Mpa、540 C，銘牌出力為320MW。K 320 23.5 4型汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。該型汽輪機(jī)由高壓缸、中壓缸和低壓缸三個汽缸組成，其中高、中壓缸為雙層缸，采用蒸汽流向反向布置，低壓缸采用雙流圖1超臨界320MW汽輪機(jī)縱剖面圖高壓缸部分通流級數(shù)為 9級，包含1個單列調(diào)節(jié)級和8個壓力級；中壓缸部分通流級數(shù)為10級，低壓缸的通流級數(shù)為2拓級。原機(jī)組高、中壓轉(zhuǎn)子為整鍛轉(zhuǎn)子，低壓轉(zhuǎn)子為焊接轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子

4、間均采用了剛性聯(lián)接。蘇制超臨界320MW汽輪機(jī)的熱力性能2005年# 2機(jī)組大修前后和 2008年# 2機(jī)組通流改造前的熱力性能數(shù)據(jù)與原機(jī)組設(shè)計數(shù)據(jù)對比如下表所示。2005年大修前后、08年改造前實(shí)測數(shù)據(jù)與原設(shè)計數(shù)據(jù)對比設(shè)計值2005 年2008年改造前大修前大修后高壓缸效率82.6%78.25 %79.7 %77.84%中壓缸效率93%88.79 %90.4 %90%熱耗率kJ/kWh7938.6一一8400從上表數(shù)據(jù)可以看出該機(jī)組的熱耗水平要比300MW等級汽輪機(jī)的先進(jìn)熱耗水平高出420kJ/kWh 以上，其性能不僅嚴(yán)重落后于當(dāng)今 300MW 機(jī)組的先進(jìn)水平，與原設(shè)計值也存在 很大差距。

5、分析該型機(jī)組熱力性能較差的因素主要有以下幾點(diǎn)：（ 1）該型 320MW 超臨界機(jī)組設(shè)計年代較早，其設(shè)計水平屬于上世紀(jì) 80 年代的設(shè)計水平； （2）各級焓降分配不合理，各級余速損失較大，內(nèi)效率低；（ 3 ）葉片型線設(shè)計技術(shù)已比較落后，損失大、級效率低；（ 4 ）高、中壓通流部分隔板導(dǎo)葉均采用寬葉片，展弦比小，二次流損失大；（ 5 ）調(diào)節(jié)級噴嘴設(shè)計采用了效率較低的直通道噴嘴；（ 6 ）動靜匹配不合理，攻角損失大；（ 7）通流子午面雖經(jīng)過光順，但光順程度較差（尤其是低壓部分），流動損失較大；（8）雖然在機(jī)組設(shè)計中葉頂采用了多齒汽封，但葉頂汽封設(shè)計不合理，漏汽損失大； （9）原機(jī)組軸封設(shè)計不合理，軸

6、封漏汽量大。汽輪機(jī)通流技術(shù)改造方案及措施改造原則 依據(jù)以往通流改造項(xiàng)目的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)與該項(xiàng)目的具體要求， 與用戶協(xié)商確定的該型機(jī)組的 改 造原則如下：（ 1 ）汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)的接口不變；（ 2 ）汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)基本不變，各抽汽口抽汽參數(shù)基本不變；（ 3 ）汽輪機(jī)基礎(chǔ)、軸承箱與軸承座不動； （4）改造后設(shè)備滿足現(xiàn)場安裝要求。通流技術(shù)改造目標(biāo)（ 1）通過對汽輪機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，提高汽輪機(jī)的效率，高壓缸缸效率85% （更換新閥門后可達(dá) 86%以上）、中壓缸缸效率 93% 、低壓缸缸效率 87% ；降低熱耗，使機(jī)組的 熱耗達(dá) 到 1880kcal/kWh 以下。（ 2）通過對汽輪機(jī)通流改造，實(shí)現(xiàn)機(jī)組增容，額

7、定功率增至340MW 。（ 3 ）通過技術(shù)改造，提高機(jī)組安全可靠性，可用性，降低檢修和維護(hù)成本。改造更換部件圖 2 中的彩色部分即為本次改造方案中的主要更換部件范圍。 除對主要的通流部件高、 中、低 壓轉(zhuǎn)子、動葉片、隔板、部分隔板套及汽封等部件更換外，還對影響機(jī)組安全性、可 維護(hù)性的部件進(jìn)行 了更換，如盤車裝置、聯(lián)軸器螺栓和可傾瓦軸承等。圖 2 通流改造更換部件示意圖通流改造技術(shù)措施 在該型機(jī)組的通流改造方案設(shè)計中，主要的技術(shù)措施包括：1）.合理優(yōu)化各級焓降分配 調(diào)整了各級節(jié)圓直徑，優(yōu)化了焓降分配和各級速比，提高級內(nèi)效率。2）.葉片型線優(yōu)化考慮動靜葉片的相互干擾， 利用先進(jìn)的優(yōu)化方法針對該機(jī)組

8、的情況進(jìn)行定制化型線設(shè)計， 降 低了型線 損失，提高葉片的級效率。3）.收縮子午面調(diào)節(jié)級葉柵調(diào)節(jié)級的性能對汽輪機(jī)整體效率以及出力具有較大影響。 由于調(diào)節(jié)級葉片展弦比較小， 二次 流損失非 常嚴(yán)重。 采用子午面收縮可以降低葉柵通道前部的氣動載荷， 大幅度減小二次流損 失。在本改造方案 中采用經(jīng)過優(yōu)化后的收縮子午面調(diào)節(jié)級葉柵來代替原機(jī)組中直通道調(diào)節(jié)級 葉柵。4）.分流葉柵 由于高壓部分容積流量較小， 導(dǎo)致葉片展弦比很低， 因此對部分壓力級隔板采用分流葉 柵結(jié)構(gòu)，降低二次流損失，提高通流效率。5）.彎扭聯(lián)合成型靜葉柵 在汽道高度較高的中壓后部及低壓全部靜葉片，采用全四維技術(shù)優(yōu)化的彎扭聯(lián) 合成型靜葉

9、柵，進(jìn)一步提高汽輪機(jī)的級效率。6）.通流子午面光順在改造方案中： 高、 中、低壓缸各級動葉片均采用自帶圍帶整圈聯(lián)接，動葉圍帶加工為內(nèi)斜 外平結(jié)構(gòu)， 按流道形狀進(jìn)行光順設(shè)計， 動葉片根部及相鄰靜葉片根部與頂部也進(jìn)行光順設(shè)計， 通流部分子午面十分 光順，大大提高了通流效率。7）.汽封（ 1）高、中、低壓各級動葉片頂部增加徑向汽封齒齒數(shù)，圍帶加工成帶有凸臺的結(jié)構(gòu)，與高低齒圍帶汽封相配合，減少動葉頂部漏汽。（2）高、中壓隔板根部增加了徑向汽封，減少了葉片根部的蒸汽泄露。（ 3）原機(jī)組軸端汽封設(shè)置數(shù)量較少，根據(jù)軸端空間情況適當(dāng)增加了軸端汽封圈數(shù)，并在適當(dāng)位置采用了蜂窩汽封和接觸式汽封進(jìn)一步減少了漏汽。8

10、）.拉筋所有動葉片不再設(shè)有松拉筋， 末級葉片的中間連接件改為型線凸臺， 不僅減少繞流損失、 提 高了通流 效率而且使葉片的強(qiáng)度與阻尼性能大大提升。9）.全部隔板均采用焊接隔板 隔板全部采用焊接鋼隔板。焊接鋼隔板材質(zhì)好、葉柵部分加工和裝配精度 高。10 ）.轉(zhuǎn)子 改造中全部三根轉(zhuǎn)子都更換為不帶中心孔的整段轉(zhuǎn)子，低壓轉(zhuǎn)子由焊接轉(zhuǎn)子改為不帶中心孔 的整鍛轉(zhuǎn)子。11）. 末級葉片和次末級葉片 末級葉片采用新設(shè)計的 902mm 高效末葉片，葉根采用了圓弧樅樹型葉根， 易于裝配。為解 決機(jī)組目前存在的較嚴(yán)重的水蝕和沖刷問題，改造中主要考慮以下幾項(xiàng)措施： （ 1）葉片的氣動設(shè)計上為高根部反動度設(shè)計，改善末級

11、氣動性能，更好的防止在低負(fù)荷時末級通常容易出現(xiàn)的脫流和倒流以及由此帶來的動葉出汽邊水蝕現(xiàn)象， 大大提高低壓缸運(yùn)行 安全可靠性，增強(qiáng)機(jī)組 調(diào)峰運(yùn)行能力。（ 2 ）在改造方案中將適當(dāng)加大末兩級動靜葉片間間距，以減弱水蝕對葉片的破壞。 （3）末級葉片進(jìn)汽邊的防水蝕措施為嚴(yán)格按工藝釬焊整條司太立合金片。（ 4）末級和次末級葉片采用綜合性能較高具有較好的抗水蝕能力的0Cr17Ni4Cu4Nb 材料，該材料常溫強(qiáng)度高， 耐疲勞、抗腐蝕、抗震焊接性能均良好， 是現(xiàn)代大容量機(jī)組廣泛采用的 高強(qiáng)度末 級、次末級材料。12 ）.滲硼處理 針對超臨界機(jī)組普遍存在的調(diào)節(jié)級噴嘴和中壓第一級隔板 SPE 問題進(jìn)行滲硼處理

12、以提高圖 3 滲硼后的噴嘴圖 4 滲硼后的中壓第一級隔板SPE 抗力。改造效果2008 年 12 月 13 日南京電廠 #2 機(jī)改造施工完畢， 機(jī)組一次啟動成功， 并順利帶滿額定負(fù)荷。 改造 更換的各軸瓦振動指標(biāo)均為優(yōu)良，汽輪機(jī)各負(fù)荷運(yùn)行平穩(wěn)，各參數(shù)正常。為檢驗(yàn) #2 汽 輪機(jī)改造后的熱 經(jīng)濟(jì)性， 2009 年 1月電廠委托江蘇電科院對改造后的 #2 機(jī)進(jìn)行了全面熱力 性能驗(yàn)收試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果 如下：（ 1）改造后汽輪機(jī)額定出力達(dá)到了設(shè)計值340MW ；（ 2 ）改造后汽輪機(jī)高壓缸效率達(dá) 85.6% （考慮主汽閥壓損修正高壓缸效率為86.6 以上），中壓缸效率達(dá) 93.5% ，低壓缸效率達(dá) 86.6% ；（ 3）改造后，汽輪機(jī)額定工況熱耗率為7863kJ/kW.h 。改造后高、中壓缸效率分別比改造前提高了 7.76 、 3.5；汽輪機(jī)額定工況熱耗降低了約536 kJ/kW.h ；鍋爐效率按 93.5 、廠用電率按 5.6% 、管道效率按 98計算，額定工況時機(jī) 組供電 煤耗降低了約 21 g/kW.h 。由此可見，南京電廠 #2 汽輪機(jī)通流改造后，