孔凡平，朱寶森

(華電濰坊發(fā)電有限公司，山東 濰坊 261204)

1 基本情況

某電廠#1汽輪機(jī)是某汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的D42型亞臨界、中間再熱、雙缸雙排汽、凝汽式300 MW汽輪機(jī)，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性較差，煤耗偏高。考核性熱力試驗(yàn)結(jié)果顯示，機(jī)組熱耗率高達(dá)8 600 kJ/(kW·h)，與制造廠提供的設(shè)計熱耗率保證值7 954 kJ/(kW·h)相差較大，缸效率偏低，造成汽輪機(jī)熱耗率偏高，機(jī)組能耗高。

隨著企業(yè)節(jié)能減排壓力的增大，通過對汽輪機(jī)本體通流改造的調(diào)查研究，該電廠決定利用機(jī)組大修的機(jī)會對汽輪機(jī)三缸進(jìn)行徹底改造，進(jìn)一步降低機(jī)組能耗，以確保達(dá)到上級公司下達(dá)的節(jié)能減排目標(biāo)。

2 改造的基本要求

2.1 通流改造的目標(biāo)

(1)通過對汽輪機(jī)進(jìn)行通流改造，能使機(jī)組缸效率得到顯著提升，在汽輪機(jī)熱耗保證(THA)工況下高壓缸效率達(dá)到86.47%，中壓缸效率達(dá)到92.65%，低壓缸效率達(dá)到89.63%。

(2)通過對汽輪機(jī)進(jìn)行供熱改造，使機(jī)組具備長期連續(xù)供熱能力，中壓排汽壓力供熱抽汽量可達(dá)到400 t/h，工業(yè)用汽量可達(dá)70 t/h。

(3)通過對汽輪機(jī)通流改造， THA工況下熱耗率降到7 935 kJ/(kW·h)以下。

(4)通過對汽輪機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，能夠提高機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，增強(qiáng)調(diào)峰運(yùn)行能力。汽輪機(jī)可滿足在不同時期帶基本負(fù)荷及帶調(diào)峰負(fù)荷的要求，應(yīng)充分考慮低負(fù)荷運(yùn)行時的經(jīng)濟(jì)性。汽輪機(jī)允許在40%～100%額定負(fù)荷長期連續(xù)運(yùn)行并能與鍋爐協(xié)調(diào)運(yùn)行。

(5)通過對汽輪機(jī)進(jìn)行通流改造，解決機(jī)組出現(xiàn)的法蘭螺栓斷裂、內(nèi)缸裂紋、汽缸跑偏、#2軸承軸振大、軸封漏汽等影響機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性的問題。

2.2 通流改造的原則

(1)用先進(jìn)的、成熟的技術(shù)措施進(jìn)行技術(shù)改造，以提高機(jī)組的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

(2)機(jī)組外形尺寸不變，旋轉(zhuǎn)方向不變。

(3)主汽門、調(diào)門現(xiàn)有位置不變，各軸承座安裝現(xiàn)有位置不變。

(4)與發(fā)電機(jī)的連接方式和位置不變。

(5)改造后汽輪發(fā)電機(jī)組的軸向推力方向不變且不大于原設(shè)計值。

(6)機(jī)組的基礎(chǔ)不動，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。

(7)設(shè)計、制造、檢驗(yàn)和改造后有關(guān)運(yùn)行指標(biāo)符合國家(或國際)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 優(yōu)化設(shè)計的方案

3.1 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級噴嘴

從汽輪機(jī)制造廠的設(shè)計來看，此次汽輪機(jī)通流改造調(diào)節(jié)級面積較原調(diào)節(jié)級減少2～3 m2。調(diào)節(jié)級面積的減少，有利于低負(fù)荷時調(diào)節(jié)級效率的提高。從調(diào)節(jié)級分配的焓降分析來看，調(diào)節(jié)級所分配的功率為15 MW,約占整機(jī)功率的4.5%，該級前、后壓力為15.807，12.692 MPa。

噴嘴室與噴嘴組為上、下半結(jié)構(gòu)，與內(nèi)缸軸向定位于高壓進(jìn)汽中心線，上、下半沿軸向有導(dǎo)向鍵，保證自由膨脹而與高壓進(jìn)汽管中心保持不變。噴嘴室與噴嘴組結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 汽輪機(jī)末級葉片長度

汽輪機(jī)末級葉片的選擇主要是考慮汽輪機(jī)增容及設(shè)計背壓及機(jī)組供熱情況進(jìn)行綜合考慮決定。從汽輪機(jī)設(shè)計理念上說，適當(dāng)選擇長葉片對降低機(jī)組熱耗是有好處的，但必須考慮全年平均背壓及冷卻水溫度。

表1 主要?dú)庀髼l件

表2 循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化程序輸出結(jié)果

圖1 噴嘴室與內(nèi)缸結(jié)構(gòu)形式

若僅考慮機(jī)組由300 MW增容到330 MW，假設(shè)原機(jī)組選擇長度為851 mm葉片正確，則通過汽輪機(jī)功率及背壓選擇的公式計算可得末級葉片的直徑約900 mm。

目前，隨著汽輪機(jī)加工及制造技術(shù)(特別是葉片制造及加工技術(shù))的進(jìn)步，長葉片在330～350 MW機(jī)組的設(shè)計應(yīng)用已經(jīng)很多。

山東省內(nèi)電廠如魏橋電廠320 MW汽輪機(jī)末級葉片長度/背壓(1 068 mm/5.1 kPa)；南山電廠300 MW汽輪機(jī)末級葉片長度/背壓(1 068 mm/4.9 kPa)；大唐魯北化工350 MW汽輪機(jī)末級葉片長度/背壓(1 055 mm/4.9 kPa)；寧夏中寧電廠300 MW末級葉片長度(1 050 mm)。華能日照電廠西門子設(shè)計制造的350 MW機(jī)組末級葉片長958 mm。阿爾斯通、三菱、日立設(shè)計的330 MW系列的機(jī)組普遍有采用末級1 m以上的長葉片。

一般來說，平均負(fù)荷較大、背壓較低的機(jī)組可選擇末級葉片長一些，但在末級葉片的選擇上，負(fù)荷的影響較背壓的影響要大得多。對此次機(jī)組改造來說， 必須進(jìn)行綜合比較才能確定多長的末級葉片適合于該機(jī)組。

采用變背壓和變負(fù)荷方式對902 mm葉片和1 068 mm葉片進(jìn)行對比：機(jī)組設(shè)計背壓5.4 kPa不變，在50%負(fù)荷及以上，1 068 mm葉片占優(yōu)；在100%負(fù)荷條件下，背壓值在10.3 kPa及以下，1 068 mm葉片占優(yōu)；75%負(fù)荷，背壓在7.8 kPa及以下，1 068 mm葉片占優(yōu)；如果考慮65%負(fù)荷，背壓在6.8 kPa及以下，1 068 mm葉片占優(yōu)。

從以上對比來看，如果全年平均運(yùn)行背壓在6.8 kPa及以下，從目前機(jī)組運(yùn)行的平均負(fù)荷率(70%)來看，采用末級長葉片是有優(yōu)勢的。依據(jù)此次汽輪機(jī)改造結(jié)合供熱運(yùn)行的實(shí)際情況，根據(jù)山東城鄉(xiāng)規(guī)劃院所做的熱力市場調(diào)研報告，濰坊高新區(qū)總體供熱面積約1 200萬m2，而#1汽輪機(jī)需要承擔(dān)600萬m2(約330 t的抽汽量)的供熱面積，如此大的抽汽量易造成末級長葉片的冷卻流量不足，末級葉片在低負(fù)荷(小冷卻流量)下葉根易產(chǎn)生脫流及返流，會極大地影響末級葉片的安全穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)綜合分析比較，特別要考慮到夏季、冬季低負(fù)荷運(yùn)行的可靠性，末級葉片長度在900～1 068 mm為宜，最終確定長度為958 mm。末級葉片優(yōu)化后，熱耗率可降低20～30 kJ/(kW·h)。

3.3 機(jī)組冷端優(yōu)化

原機(jī)組設(shè)計時間為1992年，當(dāng)時氣象參數(shù)較現(xiàn)在有很大變化。此次設(shè)計參照該公司二期工程的機(jī)組氣象條件及循環(huán)水實(shí)際測量流量進(jìn)行了背壓優(yōu)化。經(jīng)電力設(shè)計院冷端優(yōu)化計算，該汽輪機(jī)額定工況下的凝汽器設(shè)計背壓應(yīng)為5.1 kPa。主要?dú)庀髼l件和優(yōu)化結(jié)果見表1、表2。

按照目前的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，在循環(huán)倍率為55時，該機(jī)組循環(huán)水背壓約為5.1 kPa,通過對比得出：單純增加循環(huán)水(提高倍率)，背壓提高有限。背壓優(yōu)化后，機(jī)組熱耗約降低10 kJ/(kW·h)。

3.4 汽輪機(jī)高、中壓缸結(jié)構(gòu)形式

原機(jī)組高壓外缸內(nèi)部構(gòu)成為高壓內(nèi)缸加#1隔板套，通過內(nèi)缸和隔板套之間的腔室對外抽汽加熱給水，即為一段抽汽。從實(shí)際情況看，一抽腔室存在向高壓缸排汽漏汽的情況，導(dǎo)致高壓缸排汽溫度升高，汽缸高壓缸效率較低。另外，高壓進(jìn)汽腔室未單獨(dú)隔離，存在著高壓進(jìn)汽向中壓進(jìn)汽漏汽的情況，降低了中壓進(jìn)汽溫度，漏出的蒸汽短路了高壓缸。

油田要在中國石化集團(tuán)公司打造世界一流征程中率先垂范，打頭陣、挑重?fù)?dān)、立排頭，打造成一個資源雄厚多元、持續(xù)發(fā)展能力和市場競爭能力強(qiáng)勁、擁有先進(jìn)科技管理文化、綠色低碳環(huán)保、高度受尊敬、國內(nèi)外馳名的大油田，首先需要具備過硬的基礎(chǔ)管理水平，班組建設(shè)就是強(qiáng)基固本的重要舉措。近年來，管理局黨委高度重視班組建設(shè)，采取了一系列措施，取得了明顯成效。但由于油田地理跨度大，業(yè)務(wù)界面廣，點(diǎn)多線長，人員分布面廣、文化層次參差不齊等多種因素制約，班組建設(shè)相對于其他工作起步較晚，快慢節(jié)奏不一，仍然存在一些需要改進(jìn)提高的地方。

對新高、中壓內(nèi)缸進(jìn)行了設(shè)計，高壓內(nèi)缸的結(jié)構(gòu)如圖2所示。高、中壓進(jìn)汽室分別由高壓內(nèi)、外缸及隔板套組成，一段抽汽腔室、高壓進(jìn)汽插管形成高壓進(jìn)汽腔室，主蒸汽經(jīng)噴嘴做功后形成調(diào)節(jié)級汽室，中壓進(jìn)汽和中壓隔板套形成中壓進(jìn)汽腔室。新內(nèi)缸增大了軸向長度，2～13級隔板全部安裝在高、中壓內(nèi)缸上，同時在內(nèi)缸上增加了一個抽汽口以及2個中壓進(jìn)汽口。在高壓進(jìn)汽口與中壓進(jìn)汽口之間設(shè)計了定位突肩，其外緣的凹槽與外缸上相應(yīng)位置的凸緣配合，以確定內(nèi)缸軸向位置，構(gòu)成內(nèi)缸相對于外缸的軸向膨脹死點(diǎn)，同時也可以大大減少高、中壓缸之間的漏汽。

圖2 高、中壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)

與原機(jī)組高壓內(nèi)缸相比，高壓進(jìn)汽部分的中分面法蘭螺栓由M120增大到M150，同時更靠近內(nèi)密封面，增加了法蘭中分面的密封力。噴嘴室與高壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)裝配方式的改變，有效避免了噴嘴室的變形。

在內(nèi)缸外壁第8級后設(shè)計了隔熱環(huán)，增大了內(nèi)、外缸夾層軸向長度，這樣，可降低內(nèi)缸內(nèi)、外壁的溫差，提高外缸溫度，減少外缸與轉(zhuǎn)子的膨脹差。

3.5 汽輪機(jī)進(jìn)、抽汽的設(shè)計

原機(jī)組高壓進(jìn)汽密封為活塞環(huán)密封方式，拆卸及安裝比較復(fù)雜且封汽效果不理想，從實(shí)際內(nèi)、外缸溫差看，外缸內(nèi)壁溫接近主蒸汽溫度，證明該處存在泄漏。

新設(shè)計的汽輪機(jī)高、中壓進(jìn)汽及一段抽汽密封環(huán)結(jié)構(gòu)形式均采用疊片式密封，較原設(shè)計的活塞環(huán)式密封泄漏量降低。

該疊片式密封由大密封片和小密封片間隔組成，內(nèi)環(huán)、外環(huán)分別形成密封面，疊片端面間也形成密封面，密封效果更優(yōu)。疊片密封隨動調(diào)整性好，產(chǎn)生的附加影響小，其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，裝配較為簡單。

3.6 軸承

考慮該汽輪機(jī)由純凝機(jī)組改造為抽汽供熱機(jī)組，汽輪機(jī)軸向推力在進(jìn)行大流量抽汽時，推力可能增加。因此，采用了金斯伯里可傾瓦塊式推力軸承代替原來的密切爾式軸承。這種推力軸承的擺動瓦為點(diǎn)支撐，它支撐在杠桿均衡系統(tǒng)上，當(dāng)個別瓦塊高出其他瓦塊且載荷增大時，則中間墊塊可圍繞中心擺動而下降并向鄰近瓦塊分載。這種推力軸承的優(yōu)點(diǎn)在于能自動調(diào)整瓦面高低不齊而產(chǎn)生的載荷不均勻，以達(dá)到各瓦塊均勻承載的要求。為使杠桿均衡系統(tǒng)達(dá)到最佳的自動均衡作用，通過載荷計算，設(shè)計使用了8瓦塊結(jié)構(gòu)。

3.7 汽缸跑偏

更換#1軸承箱及臺板，重新設(shè)計#1軸承箱，提高其剛度并在#1軸承箱與臺板之間采用Deva合金自潤滑滑塊結(jié)構(gòu)。

圖3 定中心梁推拉裝置

3.8 供熱改造

結(jié)合機(jī)組通流進(jìn)行供熱改造是此次本體設(shè)計的一大特點(diǎn)，通過優(yōu)化供熱參數(shù)，結(jié)合該機(jī)組#1，#2軸承跨距的實(shí)際情況，在不改變汽缸跨度的情況下，中壓增加兩級，在額定工況下將中排參數(shù)由0.895 MPa，399.9 ℃降至0.514 MPa，272.1 ℃，據(jù)粗略估算，僅中排參數(shù)降低帶來的無煤耗發(fā)電收益約有28 MW，節(jié)能效益明顯。

中壓缸增加兩級主要采用的措施是：在滿足隔板強(qiáng)度的情況下，減少隔板厚度；通過采用新型汽封，減少汽封寬度。通過采取以上措施，滿足了中壓增加兩級后的空間要求。

4 改造的內(nèi)容

4.1 高、中壓缸(主要部件及改造內(nèi)容)

高/中壓整鍛轉(zhuǎn)子(中壓增加兩級)、高/中壓外缸、高壓內(nèi)缸及噴嘴室、隔板套、高壓噴嘴組、全部17級隔板(包括隔板汽封及圍帶汽封、汽封體和汽封及全部18級動葉片)。結(jié)合主油泵連接方式改造更換前箱，加裝H形定中心梁，并采用Deva合金自潤滑臺板；更換主油泵及危急保安裝置。

4.2 低壓缸(主要部件)

低壓整鍛轉(zhuǎn)子、低壓內(nèi)缸及中低壓連通管、全部2×5級隔板(包括隔板汽封及圍帶汽封和去濕環(huán)、2×5級動葉片、分流環(huán)、排汽導(dǎo)流環(huán)及前后軸端汽封體和汽封)。

5 結(jié)論

機(jī)組改造后，經(jīng)機(jī)組考核性熱力試驗(yàn)表明，汽輪機(jī)在THA工況下，經(jīng)一類、二類修正后的熱耗率為7 945 kJ/(kW·h)，由于采用新型汽封，過橋汽封漏汽量得到降低，過橋汽封泄漏量在設(shè)計值的2倍以內(nèi)，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性得到提高。

機(jī)組此次改造后，由于噴嘴后蒸汽溫度顯示不準(zhǔn)確，無法計算調(diào)節(jié)級效率，但從試驗(yàn)數(shù)值來看，主蒸汽流量在1 022 t/h時，噴嘴前壓力為16.64 MPa，噴嘴面積基本達(dá)到要求。但噴嘴后壓力偏低，為12.13 MPa，高壓缸設(shè)計通流能力較大，需要在后續(xù)設(shè)計中注意。

汽缸膨脹均勻，左右側(cè)汽缸膨脹為0.5～1.0 mm。軸封漏汽量減少，通過提高軸封壓力進(jìn)行真空嚴(yán)密性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，軸封壓力對試驗(yàn)數(shù)據(jù)無影響，特別是低壓側(cè)封汽效果較佳。真空嚴(yán)密性試驗(yàn)值為0.12 kPa/min。

汽缸膨脹較好，由于低壓缸進(jìn)汽溫度降低，低壓脹差正常運(yùn)行穩(wěn)定在0.8～1.1 mm。由于高壓缸采用全內(nèi)缸方式，內(nèi)外缸之間的溫度為高壓缸排汽溫度，汽缸熱量分布均勻，汽缸保溫?zé)o超溫現(xiàn)象。

軸系振動情況良好，軸承溫度不超過80 ℃；推力瓦溫度在供熱情況下不超過80 ℃。

#1機(jī)組改造后，安全及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均有較大提高，達(dá)到了預(yù)期的改造效果。

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