國(guó)產(chǎn)300 MW沖動(dòng)式汽輪機(jī)通流改造

曾榮鵬

(北京龍威發(fā)電技術(shù)有限公司，北京 100044)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)電力的需求增長(zhǎng)迅速，“市場(chǎng)煤，計(jì)劃電”的現(xiàn)狀使得發(fā)電企業(yè)的效益變得很差，環(huán)境保護(hù)的壓力也日益突出。目前，300 MW汽輪機(jī)裝機(jī)容量占國(guó)內(nèi)總發(fā)電裝機(jī)容量的1/3，由于設(shè)計(jì)、加工及安裝工藝等原因，早期投運(yùn)在役的300 MW等級(jí)汽輪機(jī)普遍存在通流效率低、煤耗高以及安全隱患較大等問(wèn)題［1］。

北京龍威發(fā)電技術(shù)有限公司利用北京全四維動(dòng)力科技有限公司的三維熱力設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)某電廠300 MW汽輪機(jī)進(jìn)行了通流改造，其改造技術(shù)與工程實(shí)施中的經(jīng)驗(yàn)，可為其他機(jī)組的通流改造提供一些有益的幫助。

1 機(jī)組存在的主要問(wèn)題

該機(jī)組為NC300/225－16.7/537/537型(東方汽輪機(jī)廠D300J型)亞臨界、三缸兩排汽、抽汽凝汽式汽輪機(jī)，是東方汽輪機(jī)廠20世紀(jì)90年代初生產(chǎn)的300 MW沖動(dòng)式汽輪機(jī)，基本上采用20世紀(jì)80年代的設(shè)計(jì)技術(shù)。由于設(shè)計(jì)、制造年代較早，工藝落后，主要指標(biāo)的設(shè)計(jì)值與目前的先進(jìn)水平相差很大，該機(jī)型設(shè)計(jì)熱耗為7 836 kJ/(kW·h)，實(shí)際熱耗為8164 kJ/(kW·h)左右。該機(jī)組于1999年12月投運(yùn)，中間進(jìn)行過(guò)2次大修，主要存在以下問(wèn)題:

(1)葉片型線設(shè)計(jì)技術(shù)相對(duì)落后，各級(jí)焓降分配不合理，汽缸效率低。

(2)汽缸、隔板套與隔板變形大。

(3)動(dòng)葉的葉頂汽封間隙偏大，汽封齒少。高壓進(jìn)汽插管密封不嚴(yán)。

(4)高、中壓缸的軸封漏汽量大，造成油中帶水。

(5)末級(jí)葉片的出汽邊水蝕嚴(yán)重。

(6)#3軸承箱作為高、中壓缸膨脹的“死點(diǎn)”，因其剛性不足，起不到“死點(diǎn)”作用。

(7)汽缸膨脹不暢，滑銷系統(tǒng)卡澀。

(8)機(jī)組軸系振動(dòng)大。

2 改造方案

2.1 改造部套

針對(duì)機(jī)組的現(xiàn)狀，北京龍威發(fā)電技術(shù)有限公司在保證原有熱力系統(tǒng)不變的情況下，對(duì)結(jié)構(gòu)與部套做出如下調(diào)整:

(1)更換#1，#2，#3軸承箱及#1，#2臺(tái)板，但保持原有的安裝位置;

(2)高壓轉(zhuǎn)子與主油泵由齒形連接變?yōu)閯傂赃B接;

(3)危急遮斷器由飛錘改為飛環(huán)形式;

(4)高、中、低壓轉(zhuǎn)子采用整鍛無(wú)中心孔轉(zhuǎn)子;(5)更換所有隔板與汽封;

(6)更換#2，#3隔板套以及高、中壓前后所有汽封體;

(7)更換高壓進(jìn)汽插管組件與低壓內(nèi)缸排汽導(dǎo)流環(huán);

(8)更換定位中心梁推拉裝置。

2.2 改造目標(biāo)

改造后，保證純凝工況下機(jī)組額定功率增加到330 MW，高壓缸效率大于86.5%，中壓缸效率大于91.1%，低壓缸效率大于88.5%，機(jī)組熱耗在7 788 kJ/(kW·h)以下。解決原機(jī)組運(yùn)行中存在的軸封漏汽、汽缸膨脹不暢、汽缸變形、軸承箱剛性不足和軸系振動(dòng)大等影響安全運(yùn)行的問(wèn)題。

2.3 改造前的數(shù)據(jù)測(cè)繪

利用改造機(jī)會(huì)揭缸，對(duì)改造部套與保留的外缸、內(nèi)缸結(jié)合部位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，為新部套的加工與后續(xù)安裝提供數(shù)據(jù)支持;同時(shí)，檢查缸體變形情況并查找滑銷系統(tǒng)的卡澀原因。

3 改造技術(shù)

3.1 改造前、后的基本參數(shù)對(duì)比

此次改造對(duì)機(jī)組的參數(shù)及結(jié)構(gòu)做了部分調(diào)整，其中中壓缸由于焓降的重新分配，比原來(lái)多加1級(jí)，見(jiàn)表1。

表1 機(jī)組改造前、后參數(shù)

3.2 氣動(dòng)熱力設(shè)計(jì)

(1)通過(guò)葉型的重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高、中壓各級(jí)葉片焓降分配與速比的優(yōu)化，從而提高級(jí)效率。

(2)應(yīng)用葉柵全三維粘性計(jì)算程序?qū)θS流場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)分析，確定子午面收縮調(diào)節(jié)級(jí)靜葉柵的最佳通道收縮比和收縮型線，可使調(diào)節(jié)級(jí)效率提高1.7%［2］，如圖 1 所示。

圖1 改造前與改造后的子午通道對(duì)比

(3)采用后加載葉片、彎扭葉片，如圖2、圖3所示。后部加載葉型的葉片具有良好的攻角適應(yīng)性，可降低二次流損失。試驗(yàn)結(jié)果表明，后部加載葉型能有效控制葉柵內(nèi)的二次流動(dòng)，使端面損失明顯降低［3］。

(4)次末級(jí)與末級(jí)葉片選用內(nèi)阻尼大、抗水蝕性能與抗振性能好的17－4PH材料，末級(jí)葉片采用高反動(dòng)度設(shè)計(jì)，可防止低負(fù)荷時(shí)根部倒流引起的根部出汽邊水蝕。末級(jí)葉片反動(dòng)度設(shè)計(jì)值的大小對(duì)低負(fù)荷下氣流分離程度有顯著的影響，根部反動(dòng)度設(shè)計(jì)值越小，當(dāng)容積流量減小而偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，氣流分離越早，分離的相對(duì)高度也越大，反之亦然［4］。圖4為重新設(shè)計(jì)的高反動(dòng)度末級(jí)葉片與原有葉片在低負(fù)荷情況下的氣流三維模擬圖。

由圖4可以看出，高反動(dòng)度葉片壓力分布更加合理，配合重新設(shè)計(jì)的疏水結(jié)構(gòu)，解決了低負(fù)荷時(shí)末級(jí)葉片的汽蝕問(wèn)題。另外，葉片采用新材料與新工藝制造，通過(guò)提高機(jī)組低壓通流部分葉片(除末級(jí)葉片)的制造材料等級(jí)和熱處理工藝，可提高低壓通流的抗腐蝕能力，確保機(jī)組安全，延長(zhǎng)機(jī)組壽命［5］。

3.3 結(jié)構(gòu)的調(diào)整

(1)動(dòng)葉采用自帶冠整圈聯(lián)接，圍帶采用“內(nèi)平外斜”結(jié)構(gòu)，使子午面形成光順通道。

(2)采用新汽封并調(diào)整汽封間隙。

(3)進(jìn)汽插管采用整體的非彈性環(huán)密封并增加密封環(huán)圈數(shù)。

(4)更換軸承箱，軸承箱臺(tái)板采用DEVA合金自潤(rùn)滑塊。

(5)危急遮斷器由飛錘改為飛環(huán)形式。

(6)優(yōu)化低壓缸的排汽導(dǎo)流環(huán)結(jié)構(gòu)，以減小汽阻。

4 現(xiàn)場(chǎng)安裝

4.1 安裝工作重點(diǎn)

通流改造的現(xiàn)場(chǎng)安裝工作除了常規(guī)大修工序外，還有大量改造部套需要重新調(diào)整與安裝，主要有以下幾個(gè)方面:

(1)缸體下部管道的切割與焊接。主要涉及切割、焊接的工藝和探傷等，管道的切割采用冷切割作業(yè)方式，減少了焊接工作量，同時(shí)可保證管道的金屬使用性能及所受的外力與改造前無(wú)太大變化。

(2)新的低壓排汽導(dǎo)流環(huán)與缸體連接的軸向定位螺栓孔加工。原有的排汽導(dǎo)流環(huán)與缸體由于多年的運(yùn)行，軸向定位螺栓孔存在變形，新的低壓排汽導(dǎo)流環(huán)的軸向定位螺栓孔如果按原來(lái)的設(shè)計(jì)圖紙加工，就會(huì)出現(xiàn)新的低壓排汽導(dǎo)流環(huán)與缸體的軸向定位螺栓孔錯(cuò)位的現(xiàn)象，故采用新、舊螺栓孔對(duì)正后加工的方案。在原排汽導(dǎo)流環(huán)解體前需要用槽鋼打支撐，防止解體后出現(xiàn)變形，一般槽鋼呈米字形焊接。新導(dǎo)流環(huán)安裝時(shí)，如果螺栓孔出現(xiàn)小的錯(cuò)位偏差，采取擴(kuò)孔方式解決。

(3)軸承箱臺(tái)板的二次澆灌作業(yè)。#1，#2軸承箱臺(tái)板的二次澆灌作業(yè)涉及新澆灌工藝，嚴(yán)格按照DL 5011—1992《電力建設(shè)施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范(汽輪機(jī)篇)》的有關(guān)規(guī)定與灌漿料的使用說(shuō)明進(jìn)行操作，認(rèn)真做好施工方案并嚴(yán)格執(zhí)行。

(4)滑銷系統(tǒng)的變更。為了防止#1軸承箱翹頭及汽缸跑偏，#1軸承箱與高壓缸之間采用H形定中心梁推拉結(jié)構(gòu)，推拉位置接近滑動(dòng)面。為了保證H形定中心梁正常運(yùn)行，還對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果在實(shí)際安裝時(shí)將H梁向變形方向預(yù)拉1 mm，以減小運(yùn)行時(shí)的應(yīng)力［6］。采用H梁代替貓爪橫銷的方式降低推拉的重心，可防止軸承箱在機(jī)組膨脹階段前傾或后仰，如圖5所示。

(4)高中、中低、低發(fā)的對(duì)輪鉸孔。認(rèn)真做好鉸孔方案，對(duì)鉸孔的進(jìn)度與鉸孔的質(zhì)量要同等對(duì)待，鉸孔質(zhì)量的好壞直接影響機(jī)組的振動(dòng)。

(5)低壓缸中分面的補(bǔ)焊。解決低壓缸中分面漏汽的最好方式是在中分面密封處補(bǔ)寬約15 mm、厚約3 mm的補(bǔ)焊帶，注意不要漏焊，否則漏汽會(huì)更加嚴(yán)重。

圖5 貓爪橫銷與H梁

(6)現(xiàn)場(chǎng)的二次加工。由于測(cè)繪與制造的偏差以及舊部套的變形，改造機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)二次加工是不可避免的。一定要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)與機(jī)加工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工，加工前認(rèn)真制訂加工方案。

(7)汽封調(diào)整。在汽輪機(jī)組的改造中，可采用的汽封種類很多，常見(jiàn)的接觸式汽封有迷宮式汽封、布萊登汽封和蜂窩汽封，非接觸式汽封有炭精汽封、刷式汽封等，炭精汽封、刷式汽封一般與非接觸式汽封混合用在軸封。隨著材料的發(fā)展，非接觸式汽封的間隙也在減小，其中布萊登汽封已在全國(guó)多家電廠的改造中成功應(yīng)用，最小間隙已達(dá)到0.25 mm［7］。此次改造的汽封間隙最小為0.40 mm，為保證汽輪機(jī)的安全運(yùn)行與機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，要求嚴(yán)格執(zhí)行汽封驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 安裝中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

(1)凝汽器水位正常時(shí)，低壓缸存在跑偏現(xiàn)象，主要原因是凝汽器底部支撐彈簧剛性不足。為保證機(jī)組安全性，調(diào)整低壓隔板汽封間隙，由設(shè)計(jì)值0.5 mm放大到0.8 mm。

(2)聯(lián)軸器存在鉸孔量偏大問(wèn)題，造成個(gè)別對(duì)輪螺栓孔有較大的質(zhì)量缺失，使得對(duì)輪螺栓配重的調(diào)整量大。

(3)全部隔板及軸封的調(diào)整墊片加工預(yù)留量偏大，加大了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整難度。

(4)高壓缸前汽封套的頂部膨脹間隙小于安裝標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)其外緣進(jìn)行機(jī)加工。

(5)#3軸承箱底鍵的縱銷徑向尺寸偏差1 mm，需通過(guò)加工異形鍵來(lái)調(diào)整。

5 調(diào)試過(guò)程中存在問(wèn)題

(1)#1飛環(huán)在設(shè)定的轉(zhuǎn)數(shù)下不動(dòng)作，當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)低于設(shè)定值時(shí)反而動(dòng)作。經(jīng)停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)由于危急遮斷器由飛錘改為飛環(huán)形式，存在與原設(shè)備不匹配的問(wèn)題。不匹配主要表現(xiàn)在接入邏輯、前箱內(nèi)管路連接方面，另外，#1危急遮斷器的杠桿彈簧還有卡澀現(xiàn)象。改后的#1危急遮斷器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 改后的#1危急遮斷器

(2)機(jī)組啟動(dòng)后，發(fā)現(xiàn)#3支持軸承(共有4個(gè)瓦溫測(cè)點(diǎn))#1測(cè)點(diǎn)的溫度偏高，最高至97℃，超過(guò)報(bào)警值95℃。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷#4軸承載荷偏低，導(dǎo)致#3軸承載荷偏大而使#1測(cè)點(diǎn)的溫度偏高。通過(guò)調(diào)整軸承標(biāo)高，該測(cè)點(diǎn)瓦塊溫度恢復(fù)正常。

6 機(jī)組改造后的性能

為了全面評(píng)價(jià)機(jī)組改造后的各項(xiàng)熱力性能，該電廠委托西安熱工研究院有限公司進(jìn)行汽輪機(jī)通流改造后的性能考核試驗(yàn)。主要性能指標(biāo)達(dá)到或接近改造設(shè)計(jì)值，見(jiàn)表2。

目前機(jī)組運(yùn)行工況良好，額定出力為330 MW，瓦溫正常，主軸雙幅振動(dòng)小于0.10 mm，軸承振動(dòng)小于0.03 mm。

7 結(jié)論

(1)利用三維熱力設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)早期國(guó)產(chǎn)300 MW汽輪機(jī)通流部分改造是成功的，基本達(dá)到或接近通流改造的性能保證值。

(2)通過(guò)機(jī)組改造前、后的性能比較可以看出，高壓缸效率還有很大的提高空間，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)與提高安裝工藝水平應(yīng)該能達(dá)到改造后的設(shè)計(jì)保證值。

(3)改造前的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪應(yīng)更加精確，為后續(xù)工作提供有力的數(shù)據(jù)支持;對(duì)于施工重點(diǎn)應(yīng)提前做好預(yù)案。

(4)通過(guò)改造根除了原機(jī)組在設(shè)計(jì)與制造上的安全隱患，取得的經(jīng)驗(yàn)可供同類機(jī)組借鑒。

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