曾亞鵬，劉暉明，趙呂順

(1.貴溪發(fā)電有限責(zé)任公司，江西貴溪 335400；2.北京全四維動(dòng)力科技有限公司，北京 100095)

汽輪機(jī)是發(fā)電機(jī)組的核心設(shè)備，隨著汽輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展[1-2]，其熱力性能得到顯著提升。國(guó)產(chǎn)亞臨界300 MW沖動(dòng)式機(jī)組在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)存量約300臺(tái)，目前機(jī)組熱耗為8 150～8 250 kJ/(kW·h)。根據(jù)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》，在役機(jī)組供電煤耗應(yīng)在310 g/(kW·h)以下。目前，針對(duì)傳統(tǒng)的沖動(dòng)式汽輪機(jī)改造實(shí)施后[3]，機(jī)組實(shí)際熱耗為7 900～7 950 kJ/(kW·h)，而同等級(jí)的反動(dòng)式機(jī)組改造后，機(jī)組實(shí)際熱耗為7 850～7 885 kJ/(kW·h)，反動(dòng)式機(jī)組性能指標(biāo)普遍優(yōu)于沖動(dòng)式機(jī)組。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外各汽輪機(jī)制造廠商在大容量新機(jī)組的設(shè)計(jì)上，已逐漸體現(xiàn)出采用反動(dòng)式設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。

筆者分析了某國(guó)產(chǎn)300 MW亞臨界機(jī)組沖動(dòng)式汽輪機(jī)采用反動(dòng)式技術(shù)提效改造的可行性和優(yōu)勢(shì)，并介紹了具體工程案例的應(yīng)用。

1 沖動(dòng)式汽輪機(jī)概況

該機(jī)組汽輪機(jī)為一次中間再熱、兩缸兩排汽、凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為N300-16.7/537/537。汽輪機(jī)的汽缸剖面圖見圖1，高壓缸和中壓缸采用合缸結(jié)構(gòu)；低壓缸為對(duì)置分流、雙層低壓缸。高壓缸通流部分為Ⅰ個(gè)單列調(diào)節(jié)級(jí)+8個(gè)壓力級(jí)，采用整體內(nèi)缸結(jié)構(gòu)，隔板直接裝在高壓內(nèi)缸上；中壓缸通流部分為6個(gè)壓力級(jí)，分別裝在2個(gè)隔板套上；低壓缸通流部分為每缸有6個(gè)壓力級(jí)，隔板裝在低壓內(nèi)缸上，低壓內(nèi)外缸為鋼板焊接結(jié)構(gòu)。機(jī)組有8級(jí)回?zé)幔?臺(tái)高壓加熱器、1臺(tái)除氧器和4臺(tái)低壓加熱器。該汽輪機(jī)為目前國(guó)內(nèi)在役的較為典型的沖動(dòng)式汽輪機(jī)。

圖1 原設(shè)計(jì)的汽輪機(jī)剖面

2 汽輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)比較

根據(jù)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)，目前有沖動(dòng)式和反動(dòng)式[4]，沖動(dòng)式和反動(dòng)式汽輪機(jī)的技術(shù)比較見表1。同類型反動(dòng)式汽輪機(jī)的綜合性能優(yōu)于沖動(dòng)式，經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)多臺(tái)300 MW、600 MW等級(jí)亞臨界汽輪機(jī)的實(shí)際設(shè)計(jì)和運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，得到采用2種汽輪機(jī)技術(shù)的熱耗相差50 kJ/(kW·h)左右。

表1 沖動(dòng)式與反動(dòng)式汽輪機(jī)的技術(shù)比較

3 通流改造技術(shù)比較

3.1 經(jīng)濟(jì)性

從提高汽輪機(jī)級(jí)效率、缸內(nèi)效率及整機(jī)效率的角度出發(fā)，采用多級(jí)、小焓降的通流設(shè)計(jì)是有效的技術(shù)手段。沖動(dòng)式設(shè)計(jì)的通流級(jí)數(shù)普遍偏少，限制了機(jī)組效率的提升，因此加級(jí)是通流部分提效改造的主要手段。沖動(dòng)式和反動(dòng)式改造在通流部分均可加級(jí)，針對(duì)該汽輪機(jī)，分別對(duì)采用沖動(dòng)式技術(shù)和反動(dòng)式技術(shù)所能達(dá)到最大加級(jí)數(shù)情況進(jìn)行對(duì)比(在分缸壓力不變的前提下)，具體見表2。

表2 通流級(jí)數(shù)對(duì)比

由表2可得：采用反動(dòng)式技術(shù)進(jìn)行改造后，通流級(jí)數(shù)的加級(jí)幅度最大，與原設(shè)計(jì)相比，級(jí)數(shù)增加50%以上。根據(jù)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)原理，通流級(jí)數(shù)越多，級(jí)內(nèi)損失占整級(jí)的比越小，級(jí)效率越高；同時(shí)，由于多級(jí)的重?zé)嵯禂?shù)提高，缸效率提高。因此，采用反動(dòng)式技術(shù)進(jìn)行改造后的效率和熱耗普遍優(yōu)于采用沖動(dòng)式技術(shù)。

3.2 安全性

改造后保留原設(shè)計(jì)高中壓外缸，即缸內(nèi)軸向總長(zhǎng)度固定，因此加級(jí)主要受限于隔板、動(dòng)葉片、葉輪等核心動(dòng)靜部件的軸向尺寸。反動(dòng)式改造的主要難點(diǎn)是轉(zhuǎn)子質(zhì)量的增加和平衡活塞的設(shè)置。經(jīng)精心設(shè)計(jì)和反復(fù)核算，將轉(zhuǎn)子質(zhì)量增幅控制在10%以內(nèi)，并且通過(guò)合理調(diào)整軸向通流，留出了平衡活塞的布置空間。

沖動(dòng)式和反動(dòng)式設(shè)計(jì)的隔板結(jié)構(gòu)形式有明顯區(qū)別(見圖2)，由于沖動(dòng)式設(shè)計(jì)的隔板寬度、葉輪寬度均大于反動(dòng)式設(shè)計(jì)，因此采用沖動(dòng)式設(shè)計(jì)可增加的通流總級(jí)數(shù)少；如果在沖動(dòng)式設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加通流級(jí)數(shù)，應(yīng)減小動(dòng)靜部件的軸向尺寸，但會(huì)造成隔板撓度增大、葉輪強(qiáng)度降低，對(duì)汽輪機(jī)核心部件的安全性造成影響。

圖2 隔板結(jié)構(gòu)形式

此外，沖動(dòng)式和反動(dòng)式設(shè)計(jì)的葉輪結(jié)構(gòu)形式也有明顯不同(見圖3)，沖動(dòng)式設(shè)計(jì)為降低隔板汽封漏汽，采用輪盤轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其在高溫運(yùn)行時(shí)，熱穩(wěn)定性和軸系剛性不足；反動(dòng)式設(shè)計(jì)普遍采用輪轂轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子的應(yīng)力水平和軸系剛性都更加優(yōu)異。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)決定了采用反動(dòng)式設(shè)計(jì)進(jìn)行改造的機(jī)組(尤其是采用高中壓合缸的機(jī)組)軸系的啟?？拐駝?dòng)特性和抗汽流激振能力更好，機(jī)組的安全性和可靠性也更高。

圖3 葉輪結(jié)構(gòu)形式

由于反動(dòng)式設(shè)計(jì)靜葉的焓降小、壓差小，因此在相同設(shè)計(jì)條件下，各壓力級(jí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，在增加通流級(jí)數(shù)、縮小各級(jí)軸向尺寸的情況下，反動(dòng)式設(shè)計(jì)核心動(dòng)靜部件的安全性優(yōu)于沖動(dòng)式。

3.3 工藝性

對(duì)于轉(zhuǎn)子主軸、動(dòng)葉片等轉(zhuǎn)動(dòng)部件，沖動(dòng)式和反動(dòng)式設(shè)計(jì)在制造及安裝的工藝性并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。但是對(duì)于靜葉片及隔板，由于其與轉(zhuǎn)動(dòng)部件在結(jié)構(gòu)形式上存在本質(zhì)差異，導(dǎo)致2種技術(shù)在靜部件的制造、裝配及現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)整的工藝性上存在不同(見圖4及圖5)。

圖4 制造工藝

圖5 安裝工藝

沖動(dòng)式設(shè)計(jì)隔板采用靜葉片與內(nèi)外環(huán)焊接的加工工藝，因此焊前預(yù)熱、焊接及焊后熱處理等熱工藝不可缺少，在整個(gè)工藝流程中的熱變形和熱殘余應(yīng)力難以徹底消除，進(jìn)而影響對(duì)隔板通流面積的控制精度。反動(dòng)式設(shè)計(jì)靜葉采用單個(gè)靜葉片與持環(huán)和內(nèi)缸冷態(tài)裝配的制造工藝，可精確控制隔板喉部尺寸和環(huán)形面積，且安裝前后均不存在變形。

此外，由于反動(dòng)式設(shè)計(jì)的靜葉片直接裝配于內(nèi)缸或持環(huán)上，內(nèi)缸和靜葉片可在制造廠內(nèi)安裝完成后整體發(fā)運(yùn)，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)只需要確定內(nèi)缸和隔板套中心即可；而對(duì)于沖動(dòng)式設(shè)計(jì)的隔板，加工完成后需要逐級(jí)發(fā)運(yùn)，并在現(xiàn)場(chǎng)逐級(jí)安裝，行車起吊和調(diào)整確定中心的工作量較大。機(jī)組在運(yùn)行過(guò)車中，靜葉片出現(xiàn)局部損傷時(shí)，反動(dòng)式設(shè)計(jì)只需要更換損傷葉片，而沖動(dòng)式設(shè)計(jì)隔板只能更換整體，因此反動(dòng)式技術(shù)制造與安裝的工藝性優(yōu)于沖動(dòng)式。

3.4 穩(wěn)定性

反動(dòng)式設(shè)計(jì)中采用多級(jí)小焓降設(shè)計(jì)，級(jí)數(shù)較原設(shè)計(jì)機(jī)組有大幅增加。因此，各級(jí)焓降較小、反動(dòng)度增加(靜葉焓降減小)，反動(dòng)式設(shè)計(jì)級(jí)蒸汽流速較沖動(dòng)式設(shè)計(jì)有大幅降低，汽流對(duì)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的影響大幅減小。

反動(dòng)式轉(zhuǎn)子為輪轂結(jié)構(gòu)，總體剛性好，運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)偏心小，周向汽封間隙均勻，可以有效防止汽流激振，增強(qiáng)機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。與沖動(dòng)式設(shè)計(jì)機(jī)組相比，反動(dòng)式設(shè)計(jì)機(jī)組在啟停過(guò)程和運(yùn)行階段，均有良好的抗振動(dòng)特性。

4 改造案列

對(duì)該300 MW亞臨界沖動(dòng)式汽輪機(jī)進(jìn)行反動(dòng)式改造，改造更換范圍見圖6(深色部分為改造范圍)。

圖6 改造部件示意圖

改造過(guò)程保留了高中壓外缸和低壓外缸，對(duì)缸內(nèi)的部件進(jìn)行了全面改造。高中壓部分在通流級(jí)數(shù)布置上，采用多級(jí)小焓降的設(shè)計(jì)理念，由原設(shè)計(jì)機(jī)組的高壓Ⅰ+8級(jí)、中壓6級(jí)調(diào)整為高壓Ⅰ+14級(jí)、中壓11級(jí)，并且優(yōu)化了各級(jí)的焓降分配和葉高、根徑等參數(shù)。

高壓內(nèi)缸為整體式內(nèi)缸，噴嘴室、一抽腔室與缸體進(jìn)行一體化鑄造，設(shè)置平衡活塞平衡高中壓轉(zhuǎn)子推力，對(duì)高壓內(nèi)缸排汽側(cè)缸體型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證高壓末級(jí)的高效排汽。中壓缸持環(huán)也采用了優(yōu)化的排汽型線，保證中壓缸末級(jí)的高效排汽。

低壓部分同樣優(yōu)化了級(jí)數(shù)和通流部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，最大限度地挖掘了原設(shè)計(jì)中低壓缸的潛能，通流級(jí)數(shù)由原設(shè)計(jì)機(jī)組的2×6級(jí)調(diào)整為2×8級(jí)。低壓內(nèi)缸為整體式內(nèi)缸，并采用五段抽汽和六段抽汽對(duì)稱抽汽的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，相比于改造前的低壓內(nèi)缸，降低了各腔室的溫度梯度和應(yīng)力水平，很好地控制了內(nèi)缸運(yùn)行后的變形程度，解決了抽汽超溫的問題。原設(shè)計(jì)機(jī)組經(jīng)過(guò)反動(dòng)式改造后，整機(jī)熱耗大幅下降，各缸效率明顯提升。在汽輪機(jī)閥門全開工況下，高壓缸效率為88.8%；在汽輪機(jī)額定負(fù)荷工況下，高壓缸效率為87.6%，中壓缸效率為93.4%(過(guò)橋汽封漏汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.82%)，低壓缸效率為89.5%，整機(jī)熱耗達(dá)到同類型機(jī)組的先進(jìn)水平。此外，原機(jī)組外缸保留，軸向設(shè)計(jì)空間有限，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，合理設(shè)置平衡活塞，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整機(jī)軸向推力的平衡控制。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，在國(guó)內(nèi)的300 MW等級(jí)機(jī)組全通流改造工程中，很少有將原沖動(dòng)式機(jī)組改為全反動(dòng)式結(jié)構(gòu)的案例，筆者通過(guò)對(duì)該型國(guó)產(chǎn)沖動(dòng)式機(jī)組進(jìn)行反動(dòng)式改造的工程實(shí)施，豐富了300 MW及以上等級(jí)沖動(dòng)式機(jī)組的改造技術(shù)路線，為常規(guī)沖動(dòng)式機(jī)組采用反動(dòng)式設(shè)計(jì)提供了新的探索思路及成熟可靠的技術(shù)研究方向，為挖潛機(jī)組性能和提高改造效果提供了理論設(shè)計(jì)參考和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。