吳強(qiáng)，華宇東

(上海奉賢燃機(jī)發(fā)電有限公司，上海 201403)

1 問(wèn)題的提出

20世紀(jì)80年代，我國(guó)從美國(guó)西屋公司引進(jìn)了300MW汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的生產(chǎn)制造技術(shù)，由上海汽輪機(jī)廠和哈爾濱汽輪機(jī)廠分別進(jìn)行生產(chǎn)制造，20世紀(jì)90年代初逐步安裝投運(yùn)。該汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組在全國(guó)裝機(jī)容量中的比重在逐步增加，逐漸成為我國(guó)電力行業(yè)的主力機(jī)組。該汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了這樣或那樣的問(wèn)題，其中高壓缸效率偏低是機(jī)組普遍存在的問(wèn)題之一。某燃煤電廠300 MW汽輪機(jī)組投產(chǎn)后，也出現(xiàn)了與其他機(jī)組相同的問(wèn)題。受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)制造及安裝等技術(shù)的限制，其技術(shù)水平不高。在實(shí)際運(yùn)行中，該機(jī)明顯存在著部分汽封漏汽量較大、高壓缸效率偏低的問(wèn)題。

該機(jī)組運(yùn)行及試驗(yàn)數(shù)據(jù)均表明，高壓缸熱效率低于設(shè)計(jì)值，主要表現(xiàn)為高壓缸排汽溫度偏高、鍋爐再熱器入口溫度偏離設(shè)計(jì)值、運(yùn)行中再熱器減溫水流量增大，直接影響到機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。隨著機(jī)組運(yùn)行年限的增加，高壓缸效率偏低的問(wèn)題也日益凸顯出來(lái)。目前，該機(jī)組高壓缸內(nèi)效率設(shè)計(jì)值為86．17%，而實(shí)際運(yùn)行效率僅為78．55%，這一效率指標(biāo)嚴(yán)重影響了整機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，導(dǎo)致供電煤耗上升。由于高壓缸理想焓降占整個(gè)機(jī)組焓降的1/3，對(duì)整個(gè)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性影響較大，引起了制造廠和發(fā)電廠的關(guān)注。

隨著汽輪機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，提高高壓缸經(jīng)濟(jì)性的新技術(shù)和方法也逐漸成熟，國(guó)內(nèi)已有多臺(tái)國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型300MW汽輪機(jī)組通過(guò)實(shí)施高壓缸改進(jìn)提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的實(shí)例并取得了良好的效果。鑒于上述問(wèn)題，有關(guān)方面組織了該課題的研究。通過(guò)調(diào)查研究，可使科技人員對(duì)該機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝情況有比較深入的了解。根據(jù)機(jī)組的實(shí)際情況，分析出現(xiàn)問(wèn)題的原因，制訂出一系列完善改進(jìn)方案。這些舉措不僅為該廠300MW汽輪機(jī)高壓缸實(shí)施技術(shù)改造、提高高壓缸效率提供理論依據(jù)，而且也為降低供電煤耗提供技術(shù)支持。為提高300MW汽輪機(jī)組高壓缸的效率，本文以該機(jī)組為實(shí)例，對(duì)有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究。

2 300MW汽輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

該機(jī)組是上海汽輪機(jī)有限公司制造的國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型300MW亞臨界汽輪機(jī)，于1997年6月正式投產(chǎn)運(yùn)行。汽輪機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 300MW汽輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3 高壓缸效率偏低的原因分析

3．1 調(diào)節(jié)級(jí)汽封間隙偏大

引進(jìn)型300 MW汽輪機(jī)高壓缸調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉葉頂、葉根及底部共有4道鑲嵌式單齒徑向汽封，其中，調(diào)節(jié)級(jí)葉頂徑向汽封僅有1道汽封齒，葉根處有2道汽封齒，設(shè)計(jì)徑向間隙值均為(2．5±0．05)mm，底部有1道汽封齒，設(shè)計(jì)徑向間隙為(2．0±0．05)mm。從上述數(shù)據(jù)可以看出，該間隙值明顯偏大，原設(shè)計(jì)安全余量較大，主要是考慮啟、停時(shí)不發(fā)生碰磨。根據(jù)汽封圓周直徑和與轉(zhuǎn)子的徑向間隙值，可算出調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉頂部環(huán)形漏汽面積為8 752．5mm2，根部環(huán)形漏汽面積為8 175．2mm2。調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉后設(shè)計(jì)壓力為11．84MPa，主蒸汽的設(shè)計(jì)壓力為16．67 MPa，扣除閥門損失，調(diào)節(jié)級(jí)的整級(jí)壓差達(dá)到4．00 MPa。另外，汽封為單齒結(jié)構(gòu)，阻力系數(shù)遠(yuǎn)低于多齒或高低齒結(jié)構(gòu)。綜上所述，調(diào)節(jié)級(jí)的漏汽損失較大是影響高壓缸經(jīng)濟(jì)性的重要原因。

3．2 夾層漏汽量偏大

國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型300MW汽輪機(jī)設(shè)計(jì)為高中壓合缸結(jié)構(gòu)。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)后，蒸汽首先通過(guò)高壓缸平衡活塞前軸封漏至高壓缸內(nèi)外缸夾層，然后分成2路，一部分經(jīng)過(guò)中壓缸平衡活塞漏至中壓第1級(jí)隔板后，另一部分則由夾層漏至高壓缸排汽，另外，高壓缸進(jìn)汽的6根導(dǎo)汽管漏汽也通過(guò)夾層漏至排汽口。由于安裝時(shí)軸封間隙較多地考慮安全性，一般情況下調(diào)整偏大，加上運(yùn)行中的磨損原因，通常這部分漏汽的流量大大超過(guò)設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致一部分蒸汽未經(jīng)過(guò)高壓缸做功而漏至高壓缸排汽，使得高壓缸漏汽損失大于設(shè)計(jì)值，排汽溫度上升。在額定工況下，高壓內(nèi)缸前軸封和6根導(dǎo)汽管漏汽量設(shè)計(jì)值為19．9 t/h，其中漏向中壓缸10．4 t/h，漏至高壓缸排汽口9．5 t/h。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，高壓缸排汽溫度比設(shè)計(jì)值偏高15℃，這可能是由于受高壓缸通流內(nèi)效率比設(shè)計(jì)值偏低的影響，另外，漏至高壓缸排汽的汽量大于設(shè)計(jì)值也是很重要的原因。通過(guò)初步的定量計(jì)算可以得出，若通過(guò)夾層漏入高壓缸排汽口的蒸汽溫度為537℃，使高壓缸排汽溫度每上升1℃，需6 t/h左右的蒸汽量。有關(guān)同類型機(jī)組試驗(yàn)測(cè)得的高壓缸末級(jí)排汽溫度和夾層漏汽與高壓缸通流末級(jí)排汽匯合后的溫差結(jié)果表明這股流量是比較大的，這些因素會(huì)嚴(yán)重影響高壓缸乃至整個(gè)機(jī)組的熱效率。

3．3 汽封間隙調(diào)整易偏大

引進(jìn)型300MW機(jī)組為反動(dòng)式汽輪機(jī)，它與沖動(dòng)式汽輪機(jī)相比，動(dòng)葉存在較大的壓差，加之機(jī)組采用鼓型轉(zhuǎn)子，因而轉(zhuǎn)子的平衡活塞(平衡轉(zhuǎn)子軸向推力用)的尺寸及軸封直徑較大。汽封漏汽問(wèn)題比沖動(dòng)式汽封更加突出。汽封漏汽面積與被密封處旋轉(zhuǎn)體動(dòng)、靜部件直徑的平方差成正比，間隙偏大會(huì)導(dǎo)致漏汽面積增大，使漏汽量增大較多。這部分泄漏蒸汽既旁路本級(jí)不能做功，這是由于這部分泄漏蒸汽不能按設(shè)定的主流方向和速度進(jìn)入下一級(jí)，故還會(huì)擾亂下一級(jí)入口蒸汽流場(chǎng)，造成該級(jí)效率降低。所以，對(duì)于汽輪機(jī)通流部分，不論在設(shè)計(jì)時(shí)還是在檢修、安裝時(shí)，都應(yīng)十分重視調(diào)整通流部分的汽封間隙大小，尤其是軸端汽封的間隙，使其有一個(gè)合理的徑向和軸向間隙。由于機(jī)組存在熱變形大、受熱膨脹不均、轉(zhuǎn)子過(guò)臨界轉(zhuǎn)速振動(dòng)等因素，徑向間隙調(diào)整得過(guò)小，極易導(dǎo)致機(jī)組啟動(dòng)時(shí)發(fā)生動(dòng)、靜碰磨，產(chǎn)生振動(dòng)而影響機(jī)組運(yùn)行安全，故在檢修過(guò)程中，往往會(huì)將間隙調(diào)整至標(biāo)準(zhǔn)的上限，無(wú)形中降低了熱效率，影響了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

4 提高高壓缸效率的可行性分析

4．1 調(diào)整調(diào)節(jié)級(jí)間隙

將調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉葉頂及葉根(第1道、第2道、第3道)的汽封徑向間隙由2．5mm 改為(1．2 ±0．05)mm，最下面一道(第4道)的汽封徑向間隙由2．0 mm改為(1．0±0．05)mm，汽封漏汽面積相對(duì)減少50%左右。調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉葉頂及葉根的汽封徑向間隙調(diào)整如圖1所示。

圖1 調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉葉頂及葉根的汽封徑向間隙調(diào)整

調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉葉頂及葉根的汽封徑向間隙調(diào)整后，經(jīng)濟(jì)效益分析如下。

4．1．1 運(yùn)用等效焓降法進(jìn)行估算

該機(jī)組的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)性能參數(shù)見(jiàn)表2。

高壓缸內(nèi)效率計(jì)算公式如下:

下面對(duì)高壓缸效率進(jìn)行了估算。

假設(shè)技術(shù)改造后調(diào)節(jié)級(jí)效率可上升13個(gè)百分點(diǎn)，高壓缸其余級(jí)效率基本維持不變，調(diào)節(jié)級(jí)效率的提高可使高壓缸效率提高2．65個(gè)百分點(diǎn)，高壓缸相對(duì)內(nèi)效率提高對(duì)新蒸汽等效焓降的增量為

式中:Δh為改造后新蒸汽等效焓降的增量，kJ/kg;h0為主汽門前主蒸汽比焓，kJ/kg;hzh為等熵膨脹高壓缸排汽比焓，kJ/kg;Δηg為效率提高值。

假設(shè)再熱蒸汽參數(shù)不變，則可依焓熵圖查得比焓約增加9．32 kJ/kg。由此可近似計(jì)算出機(jī)組的熱效率可提高 0．6%，機(jī)組的發(fā)電煤耗下降 2 g/(kW·h)。機(jī)組煤耗率下降2 g/(kW·h)，若按該機(jī)組年發(fā)電量20億kW·h計(jì)算，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤4000 t，如標(biāo)煤按600元/t計(jì)算，每年可節(jié)約240萬(wàn)元左右。

表2 設(shè)計(jì)及試驗(yàn)性能參數(shù)

4．1．2 運(yùn)用漏汽數(shù)據(jù)進(jìn)行估算

利用上海汽輪機(jī)廠上提供的漏汽數(shù)據(jù)，對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)汽封間隙改進(jìn)前、后進(jìn)行了計(jì)算比較，其結(jié)果見(jiàn)表3。

漏汽量的減少，使得通過(guò)調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉做功的蒸汽量增加，同時(shí)也有利于提高葉片的氣動(dòng)性能，使靜葉出口的速度能和壓力能有效地轉(zhuǎn)化為汽輪機(jī)出力。技術(shù)改造后，調(diào)節(jié)級(jí)汽封漏汽量減少50%，設(shè)計(jì)工況調(diào)節(jié)級(jí)漏汽量減少約55 t/h，同時(shí)調(diào)節(jié)級(jí)效率約提高5%。由于漏汽損失，大大減少了級(jí)效率的提高，在高壓缸其余各壓力級(jí)效率維持不變的條

表3 調(diào)節(jié)級(jí)汽封間隙改進(jìn)前、后計(jì)算比較

件下，按設(shè)計(jì)工況調(diào)節(jié)級(jí)的有效比焓降60 kJ/kg計(jì)算，改進(jìn)后此工況下可增發(fā)出力值為

55000×60/3600=917(kW)。

改進(jìn)后，可使機(jī)組的發(fā)電煤耗下降約0．95 g/(kW·h)。按機(jī)組年發(fā)電量20億kW·h計(jì)算，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約1 900 t，如標(biāo)煤價(jià)按600元/t計(jì)算，每年可節(jié)約114萬(wàn)元。

無(wú)論按何種計(jì)算方法進(jìn)行估算均可看出:該技術(shù)改造方案在保證機(jī)組安全可靠的前提下，著眼于提高調(diào)節(jié)級(jí)的級(jí)效率來(lái)提高高壓缸的缸效率，進(jìn)而提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。改造所需的工程量稍大、工期稍長(zhǎng)，但投資額度小且投資項(xiàng)目穩(wěn)定可靠，失敗的風(fēng)險(xiǎn)較小，可在較短的年限內(nèi)收回全部投資繼而產(chǎn)生巨大的持續(xù)收益。

4．2 降低高壓內(nèi)、外缸間夾層漏汽量

具體改進(jìn)措施:在夾層下半圈增設(shè)退讓式活動(dòng)式汽封，將間隙由20．0mm改為3．5mm。高壓內(nèi)、外缸間夾層的改造結(jié)果如圖2所示。

通過(guò)采取在高壓缸夾層下半圈加裝退讓式活動(dòng)式汽封等措施來(lái)減少由調(diào)節(jié)級(jí)后經(jīng)高壓前汽封漏入高壓缸排汽口的蒸汽流量，從而使得通過(guò)壓力級(jí)做功的蒸汽流量增加，提高高壓缸的出力，進(jìn)而提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)相關(guān)電廠實(shí)施技術(shù)改造后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，夾層漏汽面積減小后，滿負(fù)荷工況漏汽量至少可減少14 t/h。由于漏汽損失大大減少，在高壓缸其余各壓力級(jí)效率維持不變的條件下，按設(shè)計(jì)工況的高壓缸有效焓降為60 kJ/kg計(jì)算，改進(jìn)后此工況下可增發(fā)出力值為

14000×330/3600 =1283(kW)。

這樣，高壓缸出力增加1283 kW，發(fā)電煤耗降低到1．25 g/(kW·h)，按年發(fā)電量20億kW·h計(jì)算，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約 2 500 t，煤價(jià)按 600元/t計(jì)算，年節(jié)約費(fèi)用約150萬(wàn)元。

由于技術(shù)改造后夾層漏汽量減少，可使高壓排汽溫度降低，有效地降低高壓缸上、下缸溫差大的問(wèn)題，對(duì)于緩解再熱器出口溫度偏高的現(xiàn)象，減少再熱噴水量，也是十分有益的，可使整個(gè)機(jī)組的熱循環(huán)效率及安全運(yùn)行可靠性都得到提高。

以目前的市場(chǎng)價(jià)進(jìn)行估算，在高壓夾層下半圈加裝退讓式活動(dòng)式汽封，投資額在20萬(wàn)元左右(包括材料費(fèi)及外委托加工修理費(fèi))。整個(gè)投資不算大，但進(jìn)行改造的工程量較大、工期較長(zhǎng)(需開缸操作)。若能結(jié)合調(diào)節(jié)級(jí)汽封改造同時(shí)進(jìn)行，則可將技術(shù)改造耗費(fèi)的人力、物力及檢修工期降至最低。另外，其投資回報(bào)率高且投資的風(fēng)險(xiǎn)很小，有把握在1年內(nèi)收回全部投資并持續(xù)產(chǎn)生巨大的收益，而且對(duì)機(jī)組長(zhǎng)期安全運(yùn)行有利，為此推薦在機(jī)組大修中實(shí)施該技術(shù)方案。

4．3 采用布萊登可調(diào)式汽封減小軸封漏汽量

圖2 在夾層下半圈增設(shè)退讓式活動(dòng)式汽封

布萊登汽封技術(shù)自1995年進(jìn)入中國(guó)電力市場(chǎng)后，已先后被近百臺(tái)大容量機(jī)組所采用。目前，許多汽輪機(jī)制造廠也將此技術(shù)用于新開發(fā)的大功率汽輪機(jī)中。運(yùn)行實(shí)踐證實(shí)，該技術(shù)確實(shí)是一項(xiàng)高效節(jié)能、安全可靠、先進(jìn)成熟的技術(shù)，為國(guó)內(nèi)電力企業(yè)廣泛接受。布萊登汽封設(shè)計(jì)特點(diǎn)是取消了傳統(tǒng)汽封弧塊背部的板式彈簧，代之以汽封弧塊端面的螺旋彈簧，從而達(dá)到可自動(dòng)調(diào)整汽封徑向間隙之目的。在機(jī)組最危險(xiǎn)的啟、停階段，汽封弧塊在彈簧的作用下處于開啟狀態(tài)，可有效避免碰磨的發(fā)生。在機(jī)組進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，隨著蒸汽流量的增加，作用在汽封弧塊背部的蒸汽壓力逐步增大，汽封弧塊開始逐漸關(guān)閉，始終保持在與轉(zhuǎn)子的間隙為最小值的運(yùn)行狀態(tài)。正因?yàn)椴捎么霜?dú)特的設(shè)計(jì)，布萊登汽封在正常狀態(tài)時(shí)的汽封間隙值才遠(yuǎn)小于汽輪機(jī)制造廠的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)值，可有效減小漏汽損失，降低發(fā)電煤耗，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

考慮到引進(jìn)型300MW機(jī)組為反動(dòng)式機(jī)型，隔板較薄，若將隔板汽封更換為布萊登形式，需要在隔板體上開槽，這樣會(huì)削弱隔板強(qiáng)度，不利于機(jī)組的安全運(yùn)行。另外，動(dòng)葉頂部汽封若更換為布萊登汽封，工作量和投資均較大，且動(dòng)葉頂部汽封漏汽對(duì)經(jīng)濟(jì)性能的影響并不很明顯，因而建議隔板及動(dòng)葉汽封暫不更換為布萊登汽封，僅在大修時(shí)及時(shí)更換損壞的汽封并按設(shè)計(jì)值要求調(diào)整通流部分動(dòng)靜葉的汽封間隙。

引進(jìn)型300 MW機(jī)組為高中壓合缸結(jié)構(gòu)，高、中、低壓平衡活塞及軸端的汽封漏汽對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響較大，建議將該機(jī)高中壓前、后包括推力平衡活塞在內(nèi)的軸封全部更換為布萊登軸封，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的汽封相比，軸封漏汽量可減少約25%。技術(shù)改造后，可大大減少高壓缸經(jīng)高中壓缸間的平衡活塞漏入中壓缸的汽量，經(jīng)高壓缸排汽后的低壓平衡活塞漏入中壓缸排汽的汽量也會(huì)得到有效控制。根據(jù)相關(guān)電廠技術(shù)改造后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)推測(cè)，此項(xiàng)改進(jìn)可使發(fā)電煤耗降低2 g/(kW·h)左右，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約4000 t，年節(jié)約費(fèi)用約240萬(wàn)元。

該技術(shù)改造方案采取在高中壓缸內(nèi)采用布萊登汽封取代傳統(tǒng)汽封的措施，一方面有效避免機(jī)組啟、停及運(yùn)行時(shí)的碰磨，提高了機(jī)組的安全性;另一方面可安全地減小軸封的徑向間隙值，以減少高中壓缸的軸封泄漏蒸汽量，從而達(dá)到提高高壓缸出力之目的，進(jìn)而提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。整個(gè)技術(shù)改造投資比較大(投資額在300萬(wàn)元左右)，而且改造所需的工程量較大、工期較長(zhǎng)(需機(jī)組大修時(shí)才可能進(jìn)行技術(shù)改造)。因其投資回報(bào)率高且風(fēng)險(xiǎn)很小，有可能在2年內(nèi)收回全部投資并產(chǎn)生巨大的持續(xù)收益，并對(duì)機(jī)組長(zhǎng)期安全運(yùn)行有利(可有效地降低高中壓缸內(nèi)軸封弧塊的磨損)，為此推薦將此技術(shù)改造方案在機(jī)組大修中實(shí)施。

5 結(jié)論

該課題的研究得到了上海汽輪機(jī)有限公司設(shè)計(jì)研究所的大力支持并進(jìn)行了定性、定量分析計(jì)算，根據(jù)該機(jī)組目前運(yùn)行的實(shí)際情況，該課題的相關(guān)人員在調(diào)研相關(guān)電廠同類型機(jī)組實(shí)施優(yōu)化改造效果的基礎(chǔ)上，提出了具體的技術(shù)改造方案，致力于提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性及安全可靠性能。經(jīng)過(guò)上海汽輪機(jī)有限公司設(shè)計(jì)研究所綜合分析論證，認(rèn)為上述3項(xiàng)技術(shù)改造方案在技術(shù)上是切實(shí)可行的，均有在大功率機(jī)組中使用的業(yè)績(jī)，是屬于相對(duì)投資風(fēng)險(xiǎn)小但見(jiàn)效快的技術(shù)改造項(xiàng)目，這種改造尤其適合投運(yùn)相對(duì)較早的引進(jìn)型300MW機(jī)組。

通過(guò)實(shí)施技術(shù)改進(jìn)，該機(jī)組預(yù)計(jì)增發(fā)功率4373 kW，發(fā)電煤耗降低4．55 g/(kW·h)，可產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。通過(guò)驗(yàn)證，技術(shù)改造效果良好，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，可為同類型國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型300MW汽輪機(jī)的技術(shù)改造提供借鑒和參考。

［1］姚秀平．燃?xì)廨啓C(jī)與聯(lián)合循環(huán)［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2010．

［2］段永成．國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型300MW汽輪機(jī)通流部分的改造［J］．華電技術(shù)，2010，32(2):51 －53．