陳顯輝，雷曉龍，鄧宇，張小波

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000)

0 前言

華潤(rùn)電力常熟有限公司2號(hào)汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)有限公司引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)制造的超臨界凝汽式汽輪機(jī)，原型號(hào)N600-24.2/538/566，產(chǎn)品編號(hào)為D600C。該機(jī)組于2005年6月投入商業(yè)運(yùn)行，受當(dāng)時(shí)引進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)水平和手段的限制，在經(jīng)濟(jì)性方面與當(dāng)前國(guó)內(nèi)超臨界600 MW等級(jí)汽輪機(jī)的先進(jìn)設(shè)計(jì)水平有較大差距。改造前，西安熱工院采用ASME標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該機(jī)組進(jìn)行的高精度性能試驗(yàn)結(jié)果顯示，汽輪機(jī)組在600 MW工況下的熱耗率均約為7950 kJ/（kW·h），與目前國(guó)內(nèi)同型汽輪機(jī)先進(jìn)水平相比，相差350 kJ/（kW·h）以上。

為響應(yīng)國(guó)家提出的 “節(jié)能減排”號(hào)召，華潤(rùn)常熟電廠采用東方自主研發(fā)的第三代高效沖動(dòng)式汽輪機(jī)通流技術(shù)，結(jié)合提升主蒸汽參數(shù)、進(jìn)排汽流道優(yōu)化和密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化等措施，對(duì)超臨界600 MW汽輪機(jī)組進(jìn)行了提效改造。提效改造后的熱力性能考核試驗(yàn)結(jié)果表明，汽輪機(jī)的各缸效率和熱耗等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)較改造前有大幅提升，達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，取得了良好的示范效果，可為后續(xù)在役機(jī)組提效改造及新建機(jī)組提供參考。

1 改造前機(jī)組狀況

華潤(rùn)常熟2號(hào)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)于20世紀(jì)90年代，但受當(dāng)時(shí)總體技術(shù)水平的限制，機(jī)組在經(jīng)濟(jì)性方面存在不足。導(dǎo)致汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行性能嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值的主要原因是汽輪機(jī)高中低壓缸通流效率偏低。該汽輪機(jī)存在的主要問(wèn)題如下：

（1）第一代葉型損失大，葉片流型設(shè)計(jì)不夠先進(jìn)；

（2）宏觀熱力參數(shù)（速比、焓降）不在最佳范圍內(nèi)；

（3）進(jìn)排汽流道（動(dòng)靜葉以外）壓損偏大；

（4）動(dòng)葉為鉚接圍帶型式，動(dòng)葉葉頂汽封齒數(shù)少；

（5）中低壓缸分缸壓力和溫度偏高，低壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)落后，導(dǎo)致低壓內(nèi)缸變形；

（6）高壓內(nèi)缸材料檔次低，易造成內(nèi)張口，缸內(nèi)內(nèi)漏嚴(yán)重；

（7）中壓葉輪冷卻蒸汽、平衡孔、高排通風(fēng)閥、事故排放閥等存在內(nèi)漏。

2 改造方案

根據(jù)改造前機(jī)組實(shí)際情況，綜合考慮機(jī)組負(fù)荷率，經(jīng)各方論證，華潤(rùn)常熟#2機(jī)通流改造采用無(wú)調(diào)節(jié)級(jí)、不更換高中壓外缸及高壓閥組、主蒸汽溫度恢復(fù)至566℃的沖動(dòng)式改造方案。改造后汽輪機(jī)型號(hào)N650-24.2/566/566，額定負(fù)荷650 MW,主蒸汽溫度由538℃提升至566℃，主蒸汽壓力、再熱蒸汽壓力維持不變。

改造后，高壓通流級(jí)數(shù)：高壓為11級(jí)，中壓為6級(jí)，低壓為2×2×7級(jí)。與改造前相比，高壓通流部分取消了調(diào)節(jié)級(jí)，級(jí)數(shù)增加了3級(jí)。中低壓級(jí)數(shù)保持不變，改造后機(jī)組縱剖面圖見(jiàn)圖1。改造前后高中壓通流對(duì)比圖見(jiàn)圖2。改造前后低壓通流對(duì)比圖見(jiàn)圖3。

圖1 改造后機(jī)組縱剖面圖

圖2 改造前后高中壓通流對(duì)比圖 （改后為上半部分）

圖3 改造前后低壓通流對(duì)比圖 （改后為上半部分）

3 通流改造技術(shù)

（1）先進(jìn)的葉型開(kāi)發(fā)

采用 “高度后加載”靜葉和“大剛度”動(dòng)葉的第三代葉型技術(shù)，新的葉型與改前第一代葉型相比，可以使級(jí)效率提高約0.72%。

（2）高效的通流級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)

小焓降多級(jí)數(shù)的設(shè)計(jì)理念，在軸承跨距不變的情況下，盡量增加級(jí)數(shù)，提高動(dòng)靜葉片的絕對(duì)高度和相對(duì)高度，減少動(dòng)靜葉頂部和根部二次流損失所占級(jí)損失的百分?jǐn)?shù)。改造前后動(dòng)靜葉片二次流損失示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 改造前后動(dòng)靜葉片二次流損失示意圖

（3）邊界層抽吸設(shè)計(jì)技術(shù)

合理布置平衡孔的大小，使沖動(dòng)式汽輪機(jī)隔板漏汽盡量減小對(duì)主流的干擾，減少摻混損失，使級(jí)效率提高約0.5%。沖動(dòng)式獨(dú)有的邊界層抽吸技術(shù)見(jiàn)圖5。

圖5 沖動(dòng)式獨(dú)有的邊界層抽吸技術(shù)

（4）進(jìn)、排汽流道優(yōu)化技術(shù)

對(duì)汽輪機(jī)各進(jìn)、排汽流道進(jìn)行優(yōu)化，可大幅降低進(jìn)、排汽壓損。

·高壓進(jìn)汽室優(yōu)化

高壓進(jìn)汽室徹底改變?cè)冀Y(jié)構(gòu)，采用全新設(shè)計(jì)的進(jìn)汽室與內(nèi)缸合體結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后進(jìn)汽腔室具有以下特點(diǎn)：進(jìn)汽腔室流線光順，消除漩渦，壓損僅為原來(lái)的1/2～1/4；進(jìn)汽腔室與汽缸合二為一，減少漏汽點(diǎn)；出汽口均勻，減小進(jìn)汽腔室到高壓首級(jí)壓損。高壓進(jìn)汽室優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖6。

圖6 高壓進(jìn)汽室優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型

·中壓進(jìn)汽室優(yōu)化

中壓進(jìn)汽室優(yōu)化主要集中在進(jìn)汽口遮擋部分及腔室型線，優(yōu)化后的中壓進(jìn)汽室壓損下降顯著，圖7為優(yōu)化前后的中壓進(jìn)汽模型對(duì)比。

圖7 中壓進(jìn)汽室優(yōu)化前后模型對(duì)比

·高壓排汽缸優(yōu)化

采用CFD軟件對(duì)高壓排汽缸優(yōu)化模型進(jìn)行分析，其總壓損失系數(shù)大幅下降，圖8為優(yōu)化前后高壓排汽缸模型對(duì)比。

圖8 高壓排汽缸優(yōu)化前后模型對(duì)比

·中壓排汽缸優(yōu)化

采用CFD軟件對(duì)中壓排汽缸優(yōu)化模型進(jìn)行分析，其總壓損失系數(shù)有大幅下降，圖9為中壓排汽缸優(yōu)化前后模型對(duì)比。

圖9 中壓排汽缸優(yōu)化前后模型對(duì)比

·低壓排汽缸優(yōu)化

采用全三元優(yōu)化技術(shù)對(duì)低壓導(dǎo)流環(huán)進(jìn)行優(yōu)化，提高排汽缸靜壓恢復(fù)系數(shù)，優(yōu)化前后流場(chǎng)圖見(jiàn)圖10、 圖 11。

圖10 優(yōu)化前流線圖及速度矢量

圖11 優(yōu)化后流線圖及速度矢量

（5）高壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)采取如下措施進(jìn)行優(yōu)化：

·進(jìn)汽室與內(nèi)缸鑄為一體，相對(duì)于原來(lái)的獨(dú)立噴嘴室結(jié)構(gòu)，消除內(nèi)漏，提高高壓缸效率。

·優(yōu)化中分面法蘭結(jié)構(gòu)、螺栓大小和螺栓位置，減小熱應(yīng)力，增加汽密性，消除內(nèi)漏。

·高壓內(nèi)缸材質(zhì)由ZG15Cr1Mo1V提檔升級(jí)為ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，提高高溫下高壓內(nèi)缸的持久強(qiáng)度，保證高壓內(nèi)缸在使用壽命周期內(nèi)不發(fā)生變形。

· 高壓內(nèi)缸外壁增設(shè)隔熱罩 （見(jiàn)圖12），減小內(nèi)缸內(nèi)外壁溫差，防止出現(xiàn)內(nèi)張口。

圖12 高壓內(nèi)缸隔熱罩示意圖

（6）低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)優(yōu)化

低壓內(nèi)缸進(jìn)汽采用斜置持環(huán)結(jié)構(gòu)，將進(jìn)汽部分整體焊接到低壓缸上，取消單獨(dú)的進(jìn)汽室。消除裝配結(jié)構(gòu)引起的蒸汽內(nèi)漏，從而有效解決低壓各級(jí)抽汽溫度偏高的問(wèn)題。優(yōu)化后示意圖見(jiàn)圖13。

圖13 優(yōu)化后低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)示意圖

（7）汽封優(yōu)化

針對(duì)原高中壓過(guò)橋汽封齒數(shù)偏少，過(guò)橋汽封漏汽量偏大的現(xiàn)象，改后過(guò)橋汽封圈增加了3圈，共增加21個(gè)汽封齒。

根據(jù)汽輪機(jī)各缸運(yùn)行參數(shù)及各類汽封型式的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)高壓缸前四級(jí)采用DAS汽封和防旋相結(jié)合的組合汽封型式。

DAS汽封可在機(jī)組啟、停過(guò)程中，保護(hù)常規(guī)尖齒不被磨損，從而保證長(zhǎng)期運(yùn)行后，汽封間隙基本保持安裝初期水平，提高機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。防旋汽封可以使流過(guò)的蒸汽在圓周方向更加均勻，防止轉(zhuǎn)子發(fā)生汽流激振的作用，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖14。

圖14 防旋汽封示意圖

針對(duì)動(dòng)葉頂部汽封結(jié)構(gòu)，采用自帶冠結(jié)構(gòu)，冠部加工高、低城墻齒，減少漏汽、提高級(jí)效率。葉頂汽封示意圖見(jiàn)圖15。

圖15 葉頂汽封示意圖

（8）密封結(jié)構(gòu)

在汽輪機(jī)本體內(nèi)外缸結(jié)合面處，增加密封結(jié)構(gòu)，減少夾層內(nèi)漏。高壓1段抽汽管與內(nèi)缸連接方式，由插管改為法蘭連接。高壓內(nèi)缸定位肩胛、中壓內(nèi)缸定位肩胛處增加盤(pán)根和汽封齒密封。

（9）優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

取消高中壓外缸上半過(guò)橋汽封處動(dòng)平衡裝置及中壓1級(jí)轉(zhuǎn)子葉輪冷卻裝置，具體取消部分見(jiàn)圖16。

圖16 原上半過(guò)橋汽封處動(dòng)平衡裝置及中壓1級(jí)轉(zhuǎn)子葉輪冷卻裝置

取消高中壓外缸下半BDV閥，現(xiàn)場(chǎng)需進(jìn)行封堵，具體取消部分見(jiàn)圖17。

圖17 原高中壓外缸下半BDV閥結(jié)構(gòu)

高排VV通風(fēng)閥前增設(shè)一道電動(dòng)閥，在保護(hù)汽輪機(jī)安全啟動(dòng)和停機(jī)的情況下，減少高排漏汽，具體取消部分見(jiàn)圖18。

圖18 高排VV通風(fēng)閥示意圖

4 改造效果

2016年3月和4月，電廠委托第三方 （西安熱工研究院蘇州分院）先后對(duì)2號(hào)汽輪機(jī)進(jìn)行了通流改造后的焓降試驗(yàn)和性能考核試驗(yàn)。西安熱工研究院一直秉承嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致的工作作風(fēng)，是國(guó)內(nèi)最為嚴(yán)格的考核試驗(yàn)單位之一。

4.1 性能試驗(yàn)結(jié)果

常熟2號(hào)汽輪機(jī)通流改造后，焓降試驗(yàn)和兩次TMCR工況試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 改造后性能試驗(yàn)結(jié)果

在TMCR工況下，性能試驗(yàn)結(jié)果為：高壓缸效率平均值為90.30%，較設(shè)計(jì)值89.89%高0.41個(gè)百分點(diǎn)；中壓缸效率平均值為92.93%，比設(shè)計(jì)值92.35%高0.58個(gè)百分點(diǎn)；實(shí)測(cè)高中壓過(guò)橋漏汽占再熱流量的比例為1.9%小于設(shè)計(jì)比例2.2%；低壓缸效率容積流量修正后89.37%，比設(shè)計(jì)值89.2%高0.17個(gè)百分點(diǎn)；修正后熱耗率7572.8 kJ/（kW·h） 比設(shè)計(jì)值 7594 kJ/（kW·h） 少 21.2 kJ/（kW·h）。

4.2 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

對(duì)于超臨界600 MW等級(jí)高中合缸通流改造機(jī)組，國(guó)內(nèi)外廠家都有多臺(tái)實(shí)際投運(yùn)業(yè)績(jī)，其典型改造后試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 國(guó)內(nèi)外廠家改造后性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

在高壓調(diào)節(jié)閥全開(kāi)狀態(tài)下，東汽高壓缸效率優(yōu)于上汽，和ALSTOM相當(dāng)。東汽中壓缸效率92.93%，優(yōu)于ALSTOM中壓缸效率約1個(gè)百分點(diǎn)，與上汽中壓缸效率相當(dāng)。再考慮有、無(wú)調(diào)節(jié)級(jí)方案和初壓的不同，東汽熱耗值與ALSTOM同類型機(jī)組相當(dāng)， 優(yōu)于上汽約 30 kJ/（kW·h）。

5 總結(jié)

東方采用擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代通流改造技術(shù)，對(duì)華潤(rùn)常熟600 MW超臨界2號(hào)汽輪機(jī)進(jìn)行了升參數(shù)通流改造，投運(yùn)后性能試驗(yàn)熱耗及缸效超過(guò)了設(shè)計(jì)值，達(dá)到了國(guó)家節(jié)能減排要求，贏得用戶好評(píng)。超臨界通流改造技術(shù)上的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)同類機(jī)組通流改造具有示范和借鑒作用，同時(shí)也充分說(shuō)明了東汽第三代通流改造技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，機(jī)組高效運(yùn)行必將給用戶帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。