吳正平

摘 要：馬鞍山萬(wàn)能達(dá)發(fā)電有限責(zé)任公司4號(hào)汽輪機(jī)組為上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的K156型機(jī)組，針對(duì)原機(jī)組存在的熱耗高、缸效低、低壓內(nèi)缸變形等問(wèn)題，從低壓缸通流性能優(yōu)化與排汽流道優(yōu)化兩個(gè)主要方面進(jìn)行整體設(shè)計(jì)研發(fā)和實(shí)施，消除原機(jī)組存在的各種缺陷，大幅降低機(jī)組的熱耗率、供電煤耗率，顯著提高機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)組；通流性能優(yōu)化；排汽流道優(yōu)化；經(jīng)濟(jì)性和安全性

前言

為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的戰(zhàn)略號(hào)召，各發(fā)電企業(yè)對(duì)現(xiàn)有投運(yùn)機(jī)組的通流改造已經(jīng)成為一種趨勢(shì)?，F(xiàn)代化的通流技術(shù)研發(fā)和改造可以有效提高機(jī)組的效率、出力，大幅降低機(jī)組的熱耗、煤耗，為企業(yè)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1]-[3]。

1 原機(jī)組問(wèn)題及改造背景

安徽馬鞍山萬(wàn)能達(dá)發(fā)電有限責(zé)任公司4號(hào)機(jī)組為上海汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的N300-16.7/538/538型K156機(jī)組，該機(jī)型的高中壓通流結(jié)構(gòu)相比之前的H156等機(jī)型進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，但低壓部分未作充分優(yōu)化。改造前馬鞍山4號(hào)機(jī)組存在以下主要問(wèn)題：機(jī)組熱耗偏高，THA工況下熱耗8196.07kJ/kW·h，低壓缸缸效較設(shè)計(jì)值偏低約3.5%；機(jī)組后續(xù)計(jì)劃的抽汽供熱改造使得發(fā)電機(jī)功率下降，對(duì)低壓缸影響較大，需要對(duì)低壓通流部分進(jìn)行綜合研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

此外，機(jī)組還面臨著嚴(yán)峻的節(jié)能減排壓力，4號(hào)機(jī)組目前的供電煤耗為325g/（kW·h），距離先進(jìn)機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)尚有很大差距。同時(shí)，4號(hào)機(jī)組機(jī)型（上汽K156）在國(guó)內(nèi)尚無(wú)通流系統(tǒng)優(yōu)化的先例，本項(xiàng)目實(shí)施后不但可以有效地節(jié)能降耗，還可以推動(dòng)國(guó)內(nèi)同類型機(jī)組的技術(shù)進(jìn)步。

2 改造范圍

4號(hào)機(jī)組通流改造保持現(xiàn)在的鍋爐進(jìn)汽參數(shù)、熱力系統(tǒng)配置及高中壓缸不變，只對(duì)低壓缸進(jìn)行優(yōu)化研究。

3 改造技術(shù)方案

3.1 通流光順

低壓所有動(dòng)葉片均采用自帶圍帶整圈聯(lián)接，動(dòng)葉圍帶加工為內(nèi)斜外平結(jié)構(gòu)，整個(gè)流道形狀按照考慮熱膨脹之后的工作狀態(tài)進(jìn)行光順設(shè)計(jì)，減少通流部分子午面的流動(dòng)損失，盡可能的利用排汽余速，提高通流效率。

3.2 葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用全三維造型的彎扭聯(lián)合成型葉片，控制反動(dòng)度沿徑向的分布以減小二次流損失及沖角損失。同時(shí)對(duì)不同工作條件下的葉片進(jìn)行多通道、多級(jí)聯(lián)算，合理匹配動(dòng)靜葉片只數(shù)和動(dòng)靜葉片型線，使動(dòng)靜葉內(nèi)的流場(chǎng)匹配更加合理，達(dá)到級(jí)效率的最優(yōu)。優(yōu)化后的葉片型線主要特點(diǎn)如下：

3.2.1 成熟高效的葉片型線具有很小的葉型損失。

3.2.2 較大的葉片前緣設(shè)計(jì)使葉片對(duì)來(lái)流攻角變化不敏感，同時(shí)保證流道內(nèi)不發(fā)生流速激增和壓力畸變，葉片在較大攻角范圍內(nèi)（±25度）均具有較高的效率。

3.2.3 較薄的葉片尾緣減小了葉片的尾跡損失。

3.2.4 較大的葉片最大厚度增強(qiáng)了葉片的剛性。

3.2.5 較高的末級(jí)、次末級(jí)動(dòng)葉根部反動(dòng)度使葉片在小流量低負(fù)荷工況下不發(fā)生回流，減小流動(dòng)損失和濕汽損失，有效防止動(dòng)葉根部的水蝕。

上述特點(diǎn)使得汽輪機(jī)可以在較大的變工況運(yùn)行范圍內(nèi)保持較高的效率，并且能夠降低動(dòng)葉的激振力水平，提高機(jī)組的安全性。

3.3 高效可靠的末級(jí)動(dòng)葉片

末級(jí)動(dòng)葉片的性能對(duì)整機(jī)熱力性能及低壓缸效率有著直接顯著的影響。

3.3.1 為了保證在較寬的工況變化范圍內(nèi)保持較高的末級(jí)效率，末級(jí)葉片采用排汽面積更大、余速損失更小的958mm末級(jí)模塊，合理提高末級(jí)的根部反動(dòng)度。并且，對(duì)末級(jí)靜葉輪轂面采用局部擴(kuò)張的辦法來(lái)進(jìn)行流線控制。低負(fù)荷時(shí)末葉片的根部沒(méi)有回流現(xiàn)象，可以避免較大的鼓風(fēng)損失和出汽邊的水蝕現(xiàn)象。

3.3.2 末級(jí)葉片選用高性能的0Cr17Ni4Cu4Nb，抗水蝕性能好，內(nèi)阻尼大。末級(jí)動(dòng)葉片進(jìn)汽側(cè)上部釬焊整條司太立合金片以增強(qiáng)抗水蝕的能力。葉片圍帶為狗骨頭型，司太立合金片伸入圍帶，解決了司太立合金片易于在圍帶圓弧過(guò)渡處產(chǎn)生裂紋的難題。

3.4 防止內(nèi)漏的控制技術(shù)

3.4.1 靜子之間密封。在低壓隔板套軸向凸肩配合面處增加徑向密封圈，減少因密封面接觸變形引起的軸向蒸汽泄漏。

3.4.2 動(dòng)靜之間密封。（1）將動(dòng)靜葉片的干涉、葉根和葉頂汽封納入到葉片流場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析中，對(duì)蒸汽泄漏進(jìn)行控制；（2）動(dòng)葉片采用自帶冠結(jié)構(gòu)，增加葉頂汽封齒數(shù)，動(dòng)葉圍帶和轉(zhuǎn)子相關(guān)部位加工成凹凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，配以多齒高低齒汽封圈；（3）低壓隔板采用低直徑隔板汽封以減少蒸汽泄漏；（4）先進(jìn)汽封型式匹配，本項(xiàng)目低壓隔板汽封全部采用刷式汽封，低壓葉頂汽封采用多齒高低齒汽封，低壓軸封采用接觸式汽封和斜平齒汽封結(jié)合形式，高中壓進(jìn)汽、高壓排汽側(cè)平衡活塞采用布萊登汽封和刷式汽封組合形式，可進(jìn)一步減少漏汽損失。

3.5 隔板和隔板套結(jié)構(gòu)

3.5.1 除末兩級(jí)隔板外，低壓其余隔板均采用自帶冠靜葉裝配形式，避免焊接裝配引起的變形，可以更好控制隔板的通流面積。

3.5.2 隔板套。優(yōu)化隔板套法蘭中分面螺栓布置，螺栓數(shù)量及大小均有所增加；隔板套軸向較長(zhǎng)，沿軸向方向隔板套前后均設(shè)置中分面支撐結(jié)構(gòu)，減小隔板套變形。

針對(duì)優(yōu)化后的中分面法蘭螺栓布置，采用三維建模及有限元數(shù)值模擬中分面密封性。隔板套內(nèi)各級(jí)不存在中分面級(jí)間漏汽，運(yùn)行10000h后仍具有良好的密封性。

3.6 軸系

在軸系振動(dòng)方面，采用專業(yè)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)軟件SamcefRotor對(duì)轉(zhuǎn)子和軸系的臨界轉(zhuǎn)速、軸系穩(wěn)定性、不平衡質(zhì)量響應(yīng)和啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析；對(duì)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡采用嚴(yán)格的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，把不平衡量降到最小。

3.7 排汽流道優(yōu)化

3.7.1 凝汽器喉部加裝合適角度的翼型導(dǎo)流板，既能起到很好的導(dǎo)流作用，又避免形成汽阻。試驗(yàn)結(jié)果顯示，加裝導(dǎo)流裝置前后，管束間蒸汽分配比分別為35.29%、47.67%、17.04%和33.59%、43.01%、23.4%，通過(guò)加裝導(dǎo)流裝置，使得低壓缸排汽在凝汽器內(nèi)的分布趨于合理，提高凝汽器喉部出口斷面流速均勻性，有利于管束間熱負(fù)荷的均衡分配，從而提高凝汽器總體換熱效果。

3.7.2 抽汽管位置優(yōu)化。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)凝汽器喉部#5、#6抽汽管從高速區(qū)移位至低加旁低速區(qū)，進(jìn)一步減小汽側(cè)阻力。

4 改造后效果和結(jié)論

機(jī)組改造后性能試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如下[4]：（1）TRL工況下修正后電功率為331.149MW，大于汽輪機(jī)銘牌功率330MW，機(jī)組出力滿足要求。（2）THA工況下修正后的整機(jī)熱耗為7918.218kJ/KW·h，低于保證值7930kJ/KW·h，相比改造前熱耗大幅降低。（3）330MW工況下修正后的供電煤耗為315.5g/kW·h，相比改造前降低約10g/kW·h。（4）修正后的低壓缸效率91.3%，大于保證值89%。（5）消除了低壓內(nèi)缸中分面變形，性能試驗(yàn)驗(yàn)證5段6段抽汽溫度接近設(shè)計(jì)值，無(wú)超溫現(xiàn)象。（6）高中壓缸平衡活塞漏汽率為1.716%，相比改造前大幅下降。

本項(xiàng)目的實(shí)施成功消除了機(jī)組改造前存在的缺陷和問(wèn)題，大幅度地降低了機(jī)組的熱耗率、供電煤耗率，提高了缸效，延長(zhǎng)了機(jī)組壽命，使得4號(hào)機(jī)組具有良好的變負(fù)荷性能和靈活的調(diào)峰運(yùn)行能力。項(xiàng)目實(shí)施后的機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性顯著提高，同時(shí)也帶來(lái)了顯著的社會(huì)效益和環(huán)境效益。

參考文獻(xiàn)

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