國產引進型300MW汽輪機高壓缸效率偏低的原因分析

吳強，華宇東

(上海奉賢燃機發電有限公司，上海 201403)

1 問題的提出

20世紀80年代，我國從美國西屋公司引進了300MW汽輪機發電機組的生產制造技術，由上海汽輪機廠和哈爾濱汽輪機廠分別進行生產制造，20世紀90年代初逐步安裝投運。該汽輪機發電機組在全國裝機容量中的比重在逐步增加，逐漸成為我國電力行業的主力機組。該汽輪機發電機組在運行過程中出現了這樣或那樣的問題，其中高壓缸效率偏低是機組普遍存在的問題之一。某燃煤電廠300 MW汽輪機組投產后，也出現了與其他機組相同的問題。受當時設計制造及安裝等技術的限制，其技術水平不高。在實際運行中，該機明顯存在著部分汽封漏汽量較大、高壓缸效率偏低的問題。

該機組運行及試驗數據均表明，高壓缸熱效率低于設計值，主要表現為高壓缸排汽溫度偏高、鍋爐再熱器入口溫度偏離設計值、運行中再熱器減溫水流量增大，直接影響到機組的經濟性。隨著機組運行年限的增加，高壓缸效率偏低的問題也日益凸顯出來。目前，該機組高壓缸內效率設計值為86．17%，而實際運行效率僅為78．55%，這一效率指標嚴重影響了整機的運行經濟性，導致供電煤耗上升。由于高壓缸理想焓降占整個機組焓降的1/3，對整個機組的經濟性影響較大，引起了制造廠和發電廠的關注。

隨著汽輪機技術的不斷進步，提高高壓缸經濟性的新技術和方法也逐漸成熟，國內已有多臺國產引進型300MW汽輪機組通過實施高壓缸改進提高機組經濟性的實例并取得了良好的效果。鑒于上述問題，有關方面組織了該課題的研究。通過調查研究，可使科技人員對該機組結構設計、加工工藝情況有比較深入的了解。根據機組的實際情況，分析出現問題的原因，制訂出一系列完善改進方案。這些舉措不僅為該廠300MW汽輪機高壓缸實施技術改造、提高高壓缸效率提供理論依據，而且也為降低供電煤耗提供技術支持。為提高300MW汽輪機組高壓缸的效率，本文以該機組為實例，對有關問題進行了研究。

2 300MW汽輪機主要技術參數

該機組是上海汽輪機有限公司制造的國產引進型300MW亞臨界汽輪機，于1997年6月正式投產運行。汽輪機的主要參數見表1。

表1 300MW汽輪機主要技術參數

3 高壓缸效率偏低的原因分析

3．1 調節級汽封間隙偏大

引進型300 MW汽輪機高壓缸調節級動葉葉頂、葉根及底部共有4道鑲嵌式單齒徑向汽封，其中，調節級葉頂徑向汽封僅有1道汽封齒，葉根處有2道汽封齒，設計徑向間隙值均為(2．5±0．05)mm，底部有1道汽封齒，設計徑向間隙為(2．0±0．05)mm。從上述數據可以看出，該間隙值明顯偏大，原設計安全余量較大，主要是考慮啟、停時不發生碰磨。根據汽封圓周直徑和與轉子的徑向間隙值，可算出調節級動葉頂部環形漏汽面積為8 752．5mm2，根部環形漏汽面積為8 175．2mm2。調節級動葉后設計壓力為11．84MPa，主蒸汽的設計壓力為16．67 MPa，扣除閥門損失，調節級的整級壓差達到4．00 MPa。另外，汽封為單齒結構，阻力系數遠低于多齒或高低齒結構。綜上所述，調節級的漏汽損失較大是影響高壓缸經濟性的重要原因。

3．2 夾層漏汽量偏大

國產引進型300MW汽輪機設計為高中壓合缸結構。汽輪機調節級后，蒸汽首先通過高壓缸平衡活塞前軸封漏至高壓缸內外缸夾層，然后分成2路，一部分經過中壓缸平衡活塞漏至中壓第1級隔板后，另一部分則由夾層漏至高壓缸排汽，另外，高壓缸進汽的6根導汽管漏汽也通過夾層漏至排汽口。由于安裝時軸封間隙較多地考慮安全性，一般情況下調整偏大，加上運行中的磨損原因，通常這部分漏汽的流量大大超過設計值，導致一部分蒸汽未經過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計值，排汽溫度上升。在額定工況下，高壓內缸前軸封和6根導汽管漏汽量設計值為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。實測數據表明，高壓缸排汽溫度比設計值偏高15℃，這可能是由于受高壓缸通流內效率比設計值偏低的影響，另外，漏至高壓缸排汽的汽量大于設計值也是很重要的原因。通過初步的定量計算可以得出，若通過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。有關同類型機組試驗測得的高壓缸末級排汽溫度和夾層漏汽與高壓缸通流末級排汽匯合后的溫差結果表明這股流量是比較大的，這些因素會嚴重影響高壓缸乃至整個機組的熱效率。

3．3 汽封間隙調整易偏大

引進型300MW機組為反動式汽輪機，它與沖動式汽輪機相比，動葉存在較大的壓差，加之機組采用鼓型轉子，因而轉子的平衡活塞(平衡轉子軸向推力用)的尺寸及軸封直徑較大。汽封漏汽問題比沖動式汽封更加突出。汽封漏汽面積與被密封處旋轉體動、靜部件直徑的平方差成正比，間隙偏大會導致漏汽面積增大，使漏汽量增大較多。這部分泄漏蒸汽既旁路本級不能做功，這是由于這部分泄漏蒸汽不能按設定的主流方向和速度進入下一級，故還會擾亂下一級入口蒸汽流場，造成該級效率降低。所以，對于汽輪機通流部分，不論在設計時還是在檢修、安裝時，都應十分重視調整通流部分的汽封間隙大小，尤其是軸端汽封的間隙，使其有一個合理的徑向和軸向間隙。由于機組存在熱變形大、受熱膨脹不均、轉子過臨界轉速振動等因素，徑向間隙調整得過小，極易導致機組啟動時發生動、靜碰磨，產生振動而影響機組運行安全，故在檢修過程中，往往會將間隙調整至標準的上限，無形中降低了熱效率，影響了機組的經濟性。

4 提高高壓缸效率的可行性分析

4．1 調整調節級間隙

將調節級動葉葉頂及葉根(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，汽封漏汽面積相對減少50%左右。調節級動葉葉頂及葉根的汽封徑向間隙調整如圖1所示。

圖1 調節級動葉葉頂及葉根的汽封徑向間隙調整

調節級動葉葉頂及葉根的汽封徑向間隙調整后，經濟效益分析如下。

4．1．1 運用等效焓降法進行估算

該機組的設計及試驗性能參數見表2。

高壓缸內效率計算公式如下:

下面對高壓缸效率進行了估算。

假設技術改造后調節級效率可上升13個百分點，高壓缸其余級效率基本維持不變，調節級效率的提高可使高壓缸效率提高2．65個百分點，高壓缸相對內效率提高對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。

假設再熱蒸汽參數不變，則可依焓熵圖查得比焓約增加9．32 kJ/kg。由此可近似計算出機組的熱效率可提高 0．6%，機組的發電煤耗下降 2 g/(kW·h)。機組煤耗率下降2 g/(kW·h)，若按該機組年發電量20億kW·h計算，每年可節約標準煤4000 t，如標煤按600元/t計算，每年可節約240萬元左右。

表2 設計及試驗性能參數

4．1．2 運用漏汽數據進行估算

利用上海汽輪機廠上提供的漏汽數據，對調節級汽封間隙改進前、后進行了計算比較，其結果見表3。

漏汽量的減少，使得通過調節級動葉做功的蒸汽量增加，同時也有利于提高葉片的氣動性能，使靜葉出口的速度能和壓力能有效地轉化為汽輪機出力。技術改造后，調節級汽封漏汽量減少50%，設計工況調節級漏汽量減少約55 t/h，同時調節級效率約提高5%。由于漏汽損失，大大減少了級效率的提高，在高壓缸其余各壓力級效率維持不變的條

表3 調節級汽封間隙改進前、后計算比較

件下，按設計工況調節級的有效比焓降60 kJ/kg計算，改進后此工況下可增發出力值為

55000×60/3600=917(kW)。

改進后，可使機組的發電煤耗下降約0．95 g/(kW·h)。按機組年發電量20億kW·h計算，每年可節約標準煤約1 900 t，如標煤價按600元/t計算，每年可節約114萬元。

無論按何種計算方法進行估算均可看出:該技術改造方案在保證機組安全可靠的前提下，著眼于提高調節級的級效率來提高高壓缸的缸效率，進而提高機組的經濟效益。改造所需的工程量稍大、工期稍長，但投資額度小且投資項目穩定可靠，失敗的風險較小，可在較短的年限內收回全部投資繼而產生巨大的持續收益。

4．2 降低高壓內、外缸間夾層漏汽量

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

通過采取在高壓缸夾層下半圈加裝退讓式活動式汽封等措施來減少由調節級后經高壓前汽封漏入高壓缸排汽口的蒸汽流量，從而使得通過壓力級做功的蒸汽流量增加，提高高壓缸的出力，進而提高機組的經濟效益。對相關電廠實施技術改造后的試驗數據進行了分析，分析結果表明，夾層漏汽面積減小后，滿負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效率維持不變的條件下，按設計工況的高壓缸有效焓降為60 kJ/kg計算，改進后此工況下可增發出力值為

14000×330/3600 =1283(kW)。

這樣，高壓缸出力增加1283 kW，發電煤耗降低到1．25 g/(kW·h)，按年發電量20億kW·h計算，每年可節約標準煤約 2 500 t，煤價按 600元/t計算，年節約費用約150萬元。

由于技術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、下缸溫差大的問題，對于緩解再熱器出口溫度偏高的現象，減少再熱噴水量，也是十分有益的，可使整個機組的熱循環效率及安全運行可靠性都得到提高。

以目前的市場價進行估算，在高壓夾層下半圈加裝退讓式活動式汽封，投資額在20萬元左右(包括材料費及外委托加工修理費)。整個投資不算大，但進行改造的工程量較大、工期較長(需開缸操作)。若能結合調節級汽封改造同時進行，則可將技術改造耗費的人力、物力及檢修工期降至最低。另外，其投資回報率高且投資的風險很小，有把握在1年內收回全部投資并持續產生巨大的收益，而且對機組長期安全運行有利，為此推薦在機組大修中實施該技術方案。

4．3 采用布萊登可調式汽封減小軸封漏汽量

圖2 在夾層下半圈增設退讓式活動式汽封

布萊登汽封技術自1995年進入中國電力市場后，已先后被近百臺大容量機組所采用。目前，許多汽輪機制造廠也將此技術用于新開發的大功率汽輪機中。運行實踐證實，該技術確實是一項高效節能、安全可靠、先進成熟的技術，為國內電力企業廣泛接受。布萊登汽封設計特點是取消了傳統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，從而達到可自動調整汽封徑向間隙之目的。在機組最危險的啟、停階段，汽封弧塊在彈簧的作用下處于開啟狀態，可有效避免碰磨的發生。在機組進入正常運行狀態時，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閉，始終保持在與轉子的間隙為最小值的運行狀態。正因為采用此獨特的設計，布萊登汽封在正常狀態時的汽封間隙值才遠小于汽輪機制造廠的標準設計值，可有效減小漏汽損失，降低發電煤耗，提高機組的經濟性。

考慮到引進型300MW機組為反動式機型，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，這樣會削弱隔板強度，不利于機組的安全運行。另外，動葉頂部汽封若更換為布萊登汽封，工作量和投資均較大，且動葉頂部汽封漏汽對經濟性能的影響并不很明顯，因而建議隔板及動葉汽封暫不更換為布萊登汽封，僅在大修時及時更換損壞的汽封并按設計值要求調整通流部分動靜葉的汽封間隙。

引進型300 MW機組為高中壓合缸結構，高、中、低壓平衡活塞及軸端的汽封漏汽對機組經濟性的影響較大，建議將該機高中壓前、后包括推力平衡活塞在內的軸封全部更換為布萊登軸封，與傳統結構的汽封相比，軸封漏汽量可減少約25%。技術改造后，可大大減少高壓缸經高中壓缸間的平衡活塞漏入中壓缸的汽量，經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得到有效控制。根據相關電廠技術改造后的試驗數據推測，此項改進可使發電煤耗降低2 g/(kW·h)左右，每年可節約標準煤約4000 t，年節約費用約240萬元。

該技術改造方案采取在高中壓缸內采用布萊登汽封取代傳統汽封的措施，一方面有效避免機組啟、停及運行時的碰磨，提高了機組的安全性;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，從而達到提高高壓缸出力之目的，進而提高機組的經濟效益。整個技術改造投資比較大(投資額在300萬元左右)，而且改造所需的工程量較大、工期較長(需機組大修時才可能進行技術改造)。因其投資回報率高且風險很小，有可能在2年內收回全部投資并產生巨大的持續收益，并對機組長期安全運行有利(可有效地降低高中壓缸內軸封弧塊的磨損)，為此推薦將此技術改造方案在機組大修中實施。

5 結論

該課題的研究得到了上海汽輪機有限公司設計研究所的大力支持并進行了定性、定量分析計算，根據該機組目前運行的實際情況，該課題的相關人員在調研相關電廠同類型機組實施優化改造效果的基礎上，提出了具體的技術改造方案，致力于提高機組的經濟性及安全可靠性能。經過上海汽輪機有限公司設計研究所綜合分析論證，認為上述3項技術改造方案在技術上是切實可行的，均有在大功率機組中使用的業績，是屬于相對投資風險小但見效快的技術改造項目，這種改造尤其適合投運相對較早的引進型300MW機組。

通過實施技術改進，該機組預計增發功率4373 kW，發電煤耗降低4．55 g/(kW·h)，可產生較大的經濟效益和社會效益。通過驗證，技術改造效果良好，取得了較好的經濟效益和社會效益，可為同類型國產引進型300MW汽輪機的技術改造提供借鑒和參考。

［1］姚秀平．燃氣輪機與聯合循環［M］．北京:中國電力出版社，2010．

［2］段永成．國產引進型300MW汽輪機通流部分的改造［J］．華電技術，2010，32(2):51 －53．