陳顯輝， 鄧 宇， 雷曉龍， 張小波

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川德陽 618000)

為響應(yīng)國(guó)家提出的節(jié)能減排[1]、降低汽輪機(jī)組熱耗水平、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，某電廠采用國(guó)內(nèi)某汽輪機(jī)制造廠自主研發(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)3臺(tái)超臨界600 MW機(jī)組汽輪機(jī)組進(jìn)行了提效改造，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 改造前狀況

改造前汽輪機(jī)為國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型超臨界、三缸四排汽汽輪機(jī)，型號(hào)為N600-24.2/538/566。

該機(jī)組于2005年至2006年相繼投產(chǎn)發(fā)電，采用了某汽輪機(jī)制造廠第一代通流技術(shù)，三缸效率達(dá)不到設(shè)計(jì)值，主要表現(xiàn)在：(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；(3)進(jìn)、排汽流道(動(dòng)、靜葉以外)壓損偏大；(4)動(dòng)葉為鉚接圍帶形式，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、高壓缸排汽通風(fēng)閥、事故排放閥等存在內(nèi)漏。

2015年底改造前，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：3臺(tái)汽輪機(jī)在600 MW工況下的熱耗率均為7 950 kJ/(kW·h)左右，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。

2 改造方案

現(xiàn)代大功率汽輪機(jī)采用的高壓配汽方式主要有噴嘴配汽(有調(diào)節(jié)級(jí))和節(jié)流配汽(無調(diào)節(jié)級(jí))兩種方式，節(jié)流配汽可細(xì)分為全滑壓、節(jié)流運(yùn)行及旁通配汽(帶補(bǔ)汽閥)。理論上，在低負(fù)荷工況下，由于循環(huán)參數(shù)較高，噴嘴配汽經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于節(jié)流配汽；但是在高負(fù)荷工況下，由于調(diào)節(jié)級(jí)部分進(jìn)汽等原因，節(jié)流配汽經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于噴嘴配汽[2]。

針對(duì)改造前汽輪機(jī)存在的問題，在不更換高中壓外缸及高壓閥組的情況下，綜合考慮電廠年平均負(fù)荷率在80%以上的客觀實(shí)際情況，汽輪機(jī)通流改造最終采用技術(shù)路線為：無調(diào)節(jié)級(jí)、主蒸汽溫度由538 ℃提升至566 ℃的沖動(dòng)式通流。

改造后，汽輪機(jī)額定功率增至650 MW，主蒸汽溫度由538 ℃提升至566 ℃，再熱蒸汽溫度保持在566 ℃，改造后高壓缸通流級(jí)數(shù)增加了3級(jí)，取消了有部分進(jìn)汽損失的調(diào)節(jié)級(jí)，中、低壓缸通流級(jí)數(shù)保持不變。改造后汽輪機(jī)縱剖面圖見圖1，改造前、后高中壓缸及低壓缸通流部分對(duì)比分別見圖2和圖3(改造前為下半部分，改造后為上半部分)。

圖1 改造后機(jī)組縱剖面圖

圖2 改造前、后高中壓缸通流對(duì)比圖

圖3 改造前后低壓缸通流對(duì)比圖

3 通流改造技術(shù)

3.1 先進(jìn)的葉型開發(fā)

采用高度后加載靜葉和大剛度動(dòng)葉相匹配的第三代高效沖動(dòng)式葉型技術(shù)，其具有型線損失小、壓力分布靠后和端部二次流損失小等優(yōu)點(diǎn)。與第一代引進(jìn)型葉型最高輪周效率相比，第三代高效葉型輪周效率最高點(diǎn)提升了約0.72百分點(diǎn)，效率提升顯著。級(jí)輪周效率相對(duì)收益(改進(jìn)后葉型效率與改進(jìn)前葉型效率的差值)見圖4，根部速比(級(jí)動(dòng)葉根部圓周速度與級(jí)理想滯止等熵焓降對(duì)應(yīng)的速度比)為通流級(jí)設(shè)計(jì)的特征參數(shù)。

圖4 級(jí)輪周效率相對(duì)收益與根部速比的關(guān)系

3.2 高效的通流級(jí)設(shè)計(jì)

采用小焓降、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)損失的百分比。

3.3 邊界層抽吸設(shè)計(jì)

合理布置平衡孔，盡量減小沖動(dòng)式汽輪機(jī)隔板漏汽對(duì)主流的干擾，減少摻混損失，使級(jí)效率提高了約0.5百分點(diǎn)。

3.4 進(jìn)、排汽流道優(yōu)化

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。

3.4.1 高壓缸進(jìn)汽室優(yōu)化

采用進(jìn)汽室與內(nèi)缸合體結(jié)構(gòu)(見圖5)。該結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)消除漩渦，使流線光順，減小紊流損失，優(yōu)化后壓損僅為原來的50%左右；(2)進(jìn)汽腔室與內(nèi)缸合二為一，減少可能存在的漏汽點(diǎn)；(3)出汽口均勻，進(jìn)汽腔室到高壓缸首級(jí)壓損也相應(yīng)減小。

圖5 高壓進(jìn)汽室優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型

3.4.2 低壓缸排汽流道優(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)。

3.5 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：

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

(2) 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。

(3) 高壓缸內(nèi)缸材質(zhì)由ZG15Cr1Mo1V升級(jí)為ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，提高高溫下內(nèi)缸的持久強(qiáng)度，保證內(nèi)缸在使用壽命周期內(nèi)不發(fā)生變形。

(4) 高壓內(nèi)缸外壁增設(shè)隔熱罩(見圖6)，減小內(nèi)缸內(nèi)外壁溫差，防止出現(xiàn)內(nèi)張口。

圖6 高壓內(nèi)缸隔熱罩示意圖

3.6 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)抽汽溫度偏高的問題。優(yōu)化后示意圖見圖7。

圖7 優(yōu)化后低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)示意圖

3.7 汽封優(yōu)化

針對(duì)原高中壓過橋汽封齒數(shù)偏少，過橋汽封漏汽量偏大的現(xiàn)象，改造后過橋汽封圈增加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)及各類汽封形式的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)高壓缸前四級(jí)采用東方先進(jìn)型(DAS)汽封和防旋相結(jié)合的組合汽封形式。

DAS汽封可在機(jī)組啟停過程中，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)見圖8。

圖8 DAS加防旋汽封示意圖

動(dòng)葉片頂部采用自帶冠結(jié)構(gòu)，冠部加工高、低城墻齒，增加齒數(shù)，能有效減少動(dòng)葉頂部漏汽，提高各級(jí)效率。具體結(jié)構(gòu)見圖9。

圖9 動(dòng)葉片頂部汽封示意圖

3.8 增加密封結(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)缸的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根和汽封齒密封。

3.9 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

取消高中壓外缸上半部過橋汽封處動(dòng)平衡裝置和中壓1級(jí)轉(zhuǎn)子葉輪冷卻裝置(見圖10)，以及高中壓外缸下半部事故排放閥裝置(見圖11)，并進(jìn)行封堵。高壓缸排汽通風(fēng)閥前增設(shè)一道電動(dòng)閥，在滿足汽輪機(jī)啟停的情況下，減少高排漏汽。

圖10 原過橋汽封處動(dòng)平衡和中壓1級(jí)轉(zhuǎn)子葉輪冷卻裝置

圖11 原高中壓外缸下半部事故排放閥裝置

4 效果分析

為考核汽輪機(jī)通流改造后的經(jīng)濟(jì)性，按高精度ASME PTC—2004試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[3]先后進(jìn)行了3臺(tái)汽輪機(jī)的性能考核試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

電廠3臺(tái)汽輪機(jī)通流改造后，在額定負(fù)荷下的試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 改造后額定負(fù)荷工況性能試驗(yàn)結(jié)果

以電廠3臺(tái)汽輪機(jī)試驗(yàn)結(jié)果平均值為基準(zhǔn)，在額定負(fù)荷下考核性能試驗(yàn)結(jié)果為：高壓缸效率比設(shè)計(jì)值高0.19百分點(diǎn)；中壓缸效率比設(shè)計(jì)值高0.34百分點(diǎn)；實(shí)測(cè)高中壓過橋漏汽占再熱蒸汽流量的比為1.9%，小于設(shè)計(jì)比2.2%；低壓缸效率有效能終點(diǎn)效率比設(shè)計(jì)值高0.44百分點(diǎn)；修正后熱耗率為7 572.0 kJ/(kW·h)，比設(shè)計(jì)值7 594.0 kJ/(kW·h)低22 kJ/(kW·h)。

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)于超臨界600 MW等級(jí)高中合缸通流改造機(jī)組，該廠與國(guó)外C電廠4臺(tái)機(jī)組汽輪機(jī)改造后性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表2(VWO為閥門全開工況)。

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

在高壓調(diào)節(jié)閥全開狀態(tài)下，該廠高壓缸效率平均值和國(guó)外電廠相當(dāng)，中壓缸效率比國(guó)外電廠高了約0.67百分點(diǎn)，熱耗率與國(guó)外電廠同類型汽輪機(jī)改造后相當(dāng)。

5 結(jié)語

采用國(guó)內(nèi)某汽輪機(jī)制造廠第三代沖動(dòng)式汽輪機(jī)通流技術(shù)，結(jié)合多種優(yōu)化措施對(duì)某熱耗率偏高、汽缸效率偏低機(jī)組的汽輪機(jī)進(jìn)行了提效、增容改造。改造后高精度性能考核試驗(yàn)結(jié)果表明：該汽輪機(jī)熱耗率比改造前降低了378 kJ/(kW·h)左右，熱力性能指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)值。通過與國(guó)外廠家改造后的熱耗率對(duì)比，改造效果已達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，對(duì)同類改造和新建機(jī)組都具有借鑒作用。