溫茂森

（國電建投內蒙古能源有限公司，內蒙古鄂爾多斯 017000）

0 引言

隨著國內工業(yè)化生產的不斷推進，對能源的需求也在不斷增加。汽輪機作為一種重要的能源設備，設備質量的好壞會直接影響到燃煤電站的電力供給穩(wěn)定性。在高參數大功率火電機組參與調峰的情況下，汽輪機常常需要在低負荷的情況下運行，而這種運行狀態(tài)容易導致汽輪機效率的下降和運行安全性的降低。因此，如何在低負荷運行條件下提高汽輪機的效率，成為當前亟需解決的問題之一。

1 低負荷運行對汽輪機運行系統的影響分析

1.1 導致末級槳葉失水

實踐結果表明，在低載條件下汽化系數降低，汽化系數降低，汽化過程中汽化系數增大，會導致葉片被水侵蝕。

1.2 末級葉根對葉輪載荷影響大

在低負荷的情況下，渦輪末端會產生顫振，從而導致整個渦輪的振動，并使其產生疲勞損失。其中，葉頂間隙和二次流動是葉輪氣動損失的主要形式。

1.3 負壓漏失的增加

在低負荷階段，由于部分位置的負壓增加，使得漏氣率相應增加，導致蒸汽側真空漏氣率增加，水側凝結水溶氧增加，且負壓系統的各項參數容易超標。主要表現為機組出現異常振動，氣體壓力異常下降，水套水溫過高等。

1.4 對加熱爐的影響

在低負荷工況下，高、低壓加熱器難以保持水位，且由于疏水壓力差過小，更易引起疏水不順暢及疏水閥氣穴，致使加熱器失水，嚴重影響加熱器的工作效率，并對機組的安全運行構成了潛在的威脅。這將導致供水管網的滲漏，直至供水管網損壞，從而對供暖產生一定的影響。

1.5 對除氧器的影響

為改善機組經濟性、增加裁減載機動，常以滑壓方式操作，但在降載時，由于抽汽量與設計偏差，脫氧效率會下降。其中，熱態(tài)溫度是一個重要因素，過高的熱態(tài)溫度會引起汽缸壁面過熱、進氣不暢等問題，同時還會導致潤滑失效，增大壓氣機的能耗[1]。

2 汽輪機噴嘴組的優(yōu)化改造

由于燃煤發(fā)電機組在實際電力系統中會受現有電力系統的負荷分配的制約，無法實現高負荷高效率長期穩(wěn)定運轉，必須進行大量的能源調峰，造成了電力市場中的峰谷差值越來越大，負荷的變化也越來越劇烈，加大了汽輪機設備對電力市場的影響，在這種情況下，其經濟效益就會下降。并且，蒸汽透平的動力與其經濟性能密切相關，因此，其經濟性能的降低與蒸汽透平調整層的噴射單元密切相關。為了減少汽輪機在低負荷運行狀態(tài)下造成的負面影響，必須通過對各循環(huán)體系全面特性的對比與研究，選取出更優(yōu)的循環(huán)體系及優(yōu)化的熱工參數，以達到節(jié)能增效的目的（圖1）。

圖1 汽輪機設備

在技術改造過程中，重點對旋風筒、連接管路等重要工序的工藝參數進行優(yōu)化。雖然受到有關條件的限制，但總體上還是要遵守如下原則：①采用現代蒸汽透平機的技術思想，對其高壓過流段進行技術改造，實現節(jié)能，提高經濟性；②按照現行的國際、國內及行業(yè)標準及規(guī)定進行設計、生產及檢驗；③最大限度減少技術更新的費用，同時增加單元的工作效率。這種方法既能防止設備改造過頭，降低設備的投資費用，又能激發(fā)企業(yè)進行設備改造的積極性。

噴嘴組與相對應的高壓調節(jié)汽閥相通，是高壓調節(jié)汽閥的延伸，與高壓調節(jié)汽閥一起，共同參與流量調節(jié)過程。允許各噴嘴組建立不同的壓力，通過不同的流量，以降低氣流的節(jié)流損失。由于噴嘴內、外環(huán)都與噴嘴腔相連接，因此，與隔離腔相比，靜葉片的應力狀態(tài)更佳。噴嘴組可采用整體銑削或精鑄成型，也可采用電脈沖鍛造或鉆削成型，制成整體式噴嘴組的弧段。該型號的噴嘴組與蒸汽腔之間不是以螺釘固定，而是以凸臺安裝的形式與蒸汽腔相連。本機內裝全不銹鋼，可避免因長時間接觸水蒸汽流體而產生銹蝕，外裝固定架，可確保本機的穩(wěn)定性。新的蒸汽流體經過主氣門的調整后，流入了蒸汽室內，其中一部分經過加熱爐加熱后，進入一個較高的分汽缸，用于分配和利用，另外一部分從汽包中抽出，進入較低的分汽缸。在此過程中，空氣通過蒸汽流體腔流向噴嘴群，并通過調整級動葉片對空氣進行加熱，使空氣中的壓力能轉變?yōu)閯恿?。在這種情況下，如果有大量的高溫、高壓蒸汽泄漏，將會對機組的運行造成很大的影響。以往的純凝結單元，其噴嘴的徑向汽封間隙是2.5 mm，而本招標型號則將其降低到1 mm，并且盡可能地在受限空間中設置更多的齒形，從而大幅度地降低空氣的泄漏。該噴嘴群在結構上使用了三聯式、三叉戟、三針插腳等先進的結構，大大增加了其安全性和可靠性[2]。

3 改造后的調整措施

3.1 噴嘴組的最佳葉型和子午縮徑型線

將原JZ-81（層流式）改為JZ-343（后負荷式），以提高調整級動、靜葉片的空氣動力負荷分配，降低葉柵槽的二次流動損失。為了減小靜葉片前緣的載荷，減小葉片的末端損耗，對葉片的收縮型線和槽道收縮率進行優(yōu)化。對過電流保護作再整定，增設定向元件，避免繼電器的誤動，并在需要的情況下，采取其他無指導方式，以保證繼電器的“四性”。在此基礎上，對該裝置進行改進，將調質池改為溢流池，將UASB 改為UBF，增加了均衡池、納濾池。在此基礎上，對發(fā)動機的結構進行優(yōu)化，使用一種新的耐熱合金，并改善發(fā)動機的冷卻方式，從而達到減重的目的。

3.2 新增先進的蒸汽泄漏治理新技術

增大葉頂汽封齒的數量，從1 個汽封齒增至3 個，使葉頂汽封漏氣的損耗大為減少；為了降低噴嘴群中間分面上的泄漏，在中分面增設一個門形密封條。采用以上方法，可使蒸汽最大限度地流向管道，使其在管道中做功。將Ovation 的安全儀器系統用于鍋爐的防護系統和燃燒設備的管理系統。利用PLC 控制技術，在下位機控制系統中，對多個泵、閥門等設備的啟停、開/關進行控制，從而使得系統可以根據工藝的要求，完成對其的自動控制。

3.3 適當減小噴嘴組的出風口

300 MW 發(fā)電機組運行時，由于噴嘴組出口面積過大，會對其工作性能造成很大的影響。為此，在提高設備輸送負荷的前提下，對噴嘴組的容量做適當的設置，同時適當縮小噴嘴組出口面積，將噴嘴導葉的數目從148只減到133 只，將導葉型線的安裝角由原來的6925′33″縮小至67935′54″，因此，導葉出口面積從245 cm2減到195 cm2。將調整升級后壓強提高至7 atm（1 atm=0.101 MPa），優(yōu)化調整級速比，適當提高級后壓，既提高了調整級的效率，又將熵值降至較高的壓強，同時對加力燃燒器、尾噴管等進行優(yōu)化，使用新的耐熱合金，改善冷卻方式，達到減重的目的。

3.4 使用高性能材料，改善噴嘴組氣路的加工技術

噴嘴組的材料使用2Cr11MolVNbN 鍛造，其抗彎強度、抗拉強度、彈性變形等都超過了常見的材料（強度超過常規(guī)鋁鎂合金的5 倍，鋁7 系的5 倍，不銹鋼的3 倍，鈦合金的2 倍）。在加工制造尺寸大、結構復雜、性能要求高的零件時，具有加工周期短、材料節(jié)省、加工方便等優(yōu)勢，可以提高噴嘴組的機械性能和使用壽命。對噴嘴組氣路進行優(yōu)化，采用電解腐蝕的方法對其進行紫銅電極的處理，提高了氣路的加工精度和對固體粒子的侵蝕能力。

4 改造效果

2009 年8 月14 日—9 月6 日，在某公司7 號汽輪機組完善化大修期間，對靖遠7 號汽輪機調節(jié)級噴嘴組實施了優(yōu)化改造。圖2 為2300 MW 噴嘴組結構示意。

圖2 2300 MW 噴嘴組結構示意

主要優(yōu)化措施如下：

（1）對噴嘴組的葉形進行優(yōu)化，以增加射流的波浪系數。對調整級動、靜葉片的空氣動力負荷進行改進，降低葉柵槽內的二次流動損耗；為了減小靜葉片前緣的載荷，減小二次流損失，對葉片的二次流損進行優(yōu)化。

（2）為了減小閥的節(jié)流損耗，增加調節(jié)段的效率，應適當減小噴嘴組的出風口區(qū)域。在決定噴嘴組出口面積時，要對汽輪機、凝汽器等裝置的實際性能進行全面的調查和掌握，并結合機組的負荷率和夏季工況的背壓，選取一個合適的噴嘴組出口面積。

（3）為了減少汽封的漏氣損耗，減少汽封的齒數，減小汽封的徑向間距，以減少汽封的漏氣和汽封對主流的干涉。隨著漏氣體積的減小，漏氣對主流的干涉作用也明顯減弱。選擇更為合理、精確的噴嘴形式、壓力、流量等設計參數，可使過程設計更加精確、高效，從而達到節(jié)水的目的。

（4）在介質溫度、壓力較高、波動較大的情況下，夏季外界溫度升高時，進氣門的開啟要進行相應的調節(jié)。

測試結果顯示，改造后在額定狀態(tài)下（5 閥全開狀態(tài)），調節(jié)級的效率從改進前的52.8%提升至69.3%，同時，機組的發(fā)電煤耗率降低了2.3 g/（kW·h）（取鍋爐效率為92%，管道效率為99%）。在局部負載條件下，該系統的改造費用及改造效果均得到控制。改進后，通過減少噴嘴組出口面積，使進氣閥節(jié)流損耗減少，提高系統低負荷性能。

5 結束語

通過對汽輪機低負荷運行適應性最優(yōu)的改造實踐中發(fā)現，在低負荷運行模式下，噴嘴組的改造是一種適合于汽輪機低負荷運行模式的最優(yōu)方案，該方案既能防止改造量過多、降低公司在大型改造中的投資費用，還能激發(fā)企業(yè)改造的積極性和主動性。并將其與蒸汽分配規(guī)律相結合進行優(yōu)化，從而較好地解決了由于噴嘴組的改變所引起的不利影響，為國內大型機組的節(jié)能、最優(yōu)運行和改造提供了寶貴的經驗。