大型汽輪機通流部分改造效果綜述及新技術應用

趙偉光，劉少杰，王久崇，汪廣慧，張 野

(1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006;2.北京全四維動力科技有限公司，北京 100085;3.神華國華綏中發電有限責任公司，遼寧 葫蘆島 125222;4.華能伊敏電廠，內蒙古 呼倫貝爾 021134)

大型汽輪機通流部分改造效果綜述及新技術應用

趙偉光1，劉少杰2，王久崇3，汪廣慧4，張 野1

(1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006;2.北京全四維動力科技有限公司，北京 100085;3.神華國華綏中發電有限責任公司，遼寧 葫蘆島 125222;4.華能伊敏電廠，內蒙古 呼倫貝爾 021134)

綜述了20世紀90年代汽輪機通流部分改造效果。詳細介紹了現今進行汽輪機通流部分改造所采用的新技術及其特點，為今后大型汽輪機通流部分的改造提供建設性意見。

汽輪機;高壓缸效率;中壓缸效率;低壓缸效率

近年來，隨著國家節能減排優惠政策的出臺，各發電企業對老機組節能改造投資力度加大，主要改造項目為汽輪機高、中、低壓缸通流改造、汽輪機本體部分的汽封、凝結水泵和循環水泵定速改變頻、鍋爐余熱 (煙氣)利用 (加熱凝結水)、鍋爐引風機及脫硫增壓風機由電動拖動改為小汽輪機拖動。投資最大的是汽輪機通流改造。改造范圍為國產200 MW汽輪機69和72系列、國產300 MW汽輪機73系列、國產350 MW汽輪機141系列、俄制300 MW、500 MW、800 MW超臨界機組、國產600 MW［1］亞臨界機組。

1 200 MW汽輪機通流改造

200 MW汽輪機通流改造分為2個階段，第1階段是20世紀90年代，采用80年代初期的技術改造和60年代的技術設計34、55系列機組，沒有完成達到預期效果。由美國西屋公司改造的低壓缸效率均達到0.88以上 (見表1)，在當時的改造技術中高于國內廠家。

第2階段是近5年對哈汽生產的200 MW汽輪機69、72系列進行現代化改造。其技術水平較90年代有了一定的提高，全四維動力科技有限公司(全四維公司)在近5年中的改造技術略好于其它廠家，缸效率均達到保證值，其中高壓缸效率比東汽、哈汽高出1～2個百分點。

2 300～800 MW等級汽輪機通流改造

300～800 MW等級汽輪機通流改造從21世紀初開始，相繼有哈汽、東汽、全四維及阿爾斯通公司進行參與。從改造效果看全四維公司和阿爾斯通公司略勝一籌，見表2。其中全四維公司對哈汽73系列300 MW機組改造中，將高壓缸調節級反向流改為正向流，消除了反流損失和繞流損失，從調節級出口到第1壓力級進口壓損降低了約50%～70%，提高通流效率近1個百分點;中壓缸由原設計的9級調整為10級，優化了中壓各級葉片的焓降分配與U/C0，提高了級效率。

表1 200 MW機組通流改造結果匯總表

表2 300～500 MW等級汽輪機通流改造結果

在對哈汽35萬kW機組141系列汽輪機和俄制50萬、80萬kW機組汽輪機通流部分改造的計劃中，幾大改造廠家推出具有各自技術特點的改造方案。特別是全四維公司及阿爾斯通公司針對這些機組存在的問題，提出了改造后預期應達到的各缸效率指標 (見表3)。

a. 國產350 MW、141型汽輪機存在問題。調節級為反向布置，實際通流面積偏大，導致部分負荷下調節級后壓力降低較多，調節級焓降增大，使其在高壓缸所占的做功份額增加，造成高壓缸整體通流效率降低，中壓缸焓降分配不合理，級效率較低，低壓內缸結構變形大、隔板套中分面變形、內張口，密封效果差。

b. 俄制500 MW和800 MW汽輪機存在問題。級焓降分配不合理，級效率較低。葉片型線落后，葉型損失、二次流損失大。調節級噴嘴采用直通道噴嘴，二次 (反)流損失大。動靜葉片型線匹配不合理，攻角損失大。多數動葉片采用鉚接圍帶連接的成組葉片，頂部蒸汽泄漏量較大。內缸、隔板套中分面變形、內張口，漏汽較嚴重。中壓轉子熱彎曲，中壓缸膨脹不暢。低壓缸效率低。

3 全四維公司通流改造技術特點

a. 高中壓部分 (調節級反流改順流)。增大了高壓側平衡活塞與噴嘴室之間的空間，高壓側平衡活塞汽封圈由原來的5圈增加到6圈，減少高中壓中間軸封的蒸汽泄漏。增加中壓通流級數 (10級)，調整高中壓部分根徑。通過對總體通過流設計的優化，采用四維技術優化高效動靜葉片、引進先進的蒸汽泄漏控制技術，進行汽封型式改進和對原有不合理結構進行改造，高中壓缸的性能得到大幅度提升。

b. 葉片型線優化。調節級葉片展弦比較小，二次流損失較嚴重 國內外研究表明 子午面收縮可以降低葉柵通道前部的氣動載荷，大幅度減小二次流損失。

應用高效后加載葉型，該葉型除具有很小的型損外，還具有很好的攻角適應性，葉型效率在較寬的攻角范圍內變化很小，因而能使機組在很大的負荷變化范圍內都具有高效率。靜葉片采用三維造型的彎扭聯合葉片，將壁面的汽流壓向中間的主流，從而有效減少二次流損失，提高級效率。運用四維設計技術考慮汽輪機內部流動的非定常效應，根據動靜葉片排間的相互干擾情況，合理匹配動靜葉片只數和動靜葉片型線，進一步提高級效率。采用彎扭聯合成型葉片，見圖1。

圖1 改造前后的調節級葉柵

末級葉片采用1 018 mm葉片，先進的氣動設計和結構強度設計、合理的選材和良好的工程應用將徹底避免原末級葉片的水蝕、司太立合金片脫落、次末級葉片振動斷裂等問題，見圖2。

圖2 末級葉片

c. 進汽和抽汽插管的結構改進，見圖3和圖4。

d. 低壓內缸改造。對1號低壓內缸進行補充加工，對其原有部分的中分面法蘭螺栓孔進行擴張，增大螺栓直徑;同時補焊中分面法蘭以加大法蘭面積、增加中分面把合螺栓數量。通過以上兩種措施提高中分面合緊力，提高內缸嚴密性，改善蒸汽密封效果。可有效解決內缸剛性較差、長期運行中產生變形及中分面張口、出現蒸汽軸向內漏、5、6段抽汽溫度高的問題，見圖5。

e. 改造業績。

圖3 高壓進汽插管密封改進

圖4 一段抽汽插管密封改進

圖5 改前、改后低壓內缸下缸視圖

由于全四維公司近幾年對老機組通流改造效果均達到設計保證值，且降低煤耗顯著，受到發電企業信賴，僅3年300 MW以上容量改造項目已完成40多臺。

4 阿爾斯通公司汽輪機通流改造技術特點

主要針對俄制500 MW和俄制800 MW汽輪機通流改造。

a. 高壓缸。圖6為俄制500 MW或800 MW汽輪機高壓缸改后結構圖。高壓缸通流由改前12級 (1+5+6)改為15級 (1+8+6)。

圖6 改后高壓缸剖面圖

b. 中壓缸改前、改后剖面圖見圖7和圖8。由改前18級 (2×9)改為32級 (2×16)。

圖7 改前中壓缸剖面圖

圖8 改后中壓缸剖面圖

c. 低壓缸改后剖面圖見圖9。由改前30級(3×2×5)改為24級 (3×2×4)。

圖9 改后低壓缸剖面圖

d. 高、中壓部分動靜葉。采用反動式動靜葉設計技術，見圖10。

圖10 反動式動靜葉

圖11 次末級和末級帶鰭動葉

e. 末兩級動葉特點，見圖11。次末級動葉特點:頂部密封用迷宮式代替了傳統的密封型式，此結構使級效率提高2%～3%;圍帶呈圓柱狀，使得脹差間隙均勻;間隙不受葉片振動的影響。

末級帶鰭動葉特點:在靜止時這些鰭互相不接觸，當啟動升速到1 800 r/min時，鰭相互接觸提高剛性;易于更換單個葉片;沒有相互關聯部件引起的空氣動力學損失;采用大葉柵高強度結構;進汽邊緣采用適當的腐蝕保護;沒有相互關聯部件引起的空氣動力學損失;可更精確計算葉片的自然頻率和運行應力;沒有拉筋或緩沖支撐凸臺等關聯部件而引起的應力集中。

f. 采用整鍛或焊接轉子。

g. 可達到的經濟指標:高壓缸效率為91.1%(不含調門損失，調節級為沖動式，其它為反動式);中壓缸效率為91.3%以上 (為反動式);低壓缸效率為 87.5% (末級葉片長 940 mm);熱耗率為7 541.5 kJ/kWh(毛)、7 800 kJ/kWh(凈)。

h. 改造業績。

阿爾斯通公司近20年共改造老機組920臺，通流改造最大容量的是波蘭800 MW機組。在中國除了改造黃島和雙鴨山等電廠210 MW機組外，近年還承擔了北侖和大別山電廠600 MW通流改造項目，雖然價格高出國內廠家30%以上，但先進的設計理念和技術，還是受到國內不少發電企業賞識。近幾個月已有多家發電企業在2013～2014年度老機組改造項目中，將該公司列為首選。

5 汽輪機通流改造效果評估

國內各大制造廠對汽輪機通流改造均有百臺業績，但效果沒有達到當今新機組水平。而全四維公司近幾年改造200 MW以上容量機組的高壓缸效率均在86.5%以上、中壓缸效率在92%以上、低壓缸效率在87%以上。阿爾斯通公司改造后汽輪機各缸效率比全四維公司略高，在實測統計數據中，高壓缸效率可達89.04% ～91.22%，中壓缸效率可達93.7%，低壓缸效率可達87.0～90.0%，其中大別山電廠1號機 (N600-24.2/566/566)改后實測經一二類修正后熱耗率為7 458 kJ/kWh(毛)。特別是對進汽參數較低的低壓缸 (原蘇聯和東歐國家機組)改造，其效率可達87.5%以上，這一點國內廠家無法達到。

造成國內各大制造廠與全四維公司和阿爾斯通公司這一差距的主要原因初步分析有如下幾方面。

a. 沒有完整、具有自主知識產權的汽輪機設計專利。

b. 引進技術沒有很好吸收和消化，核心技術還沒有真正掌握。所以在對老機組改造時，生搬硬套或放大化，沒有很好的結合機組實際情況進行最佳組合，而是讓被改造機組去隨從改造廠家原有設計思路走。

c. 當年引進的 300 MW、600 MW、1 000 MW技術也不是當時最先進技術。如近些年新投產300 MW、600 MW、1 000 MW機組均未達到設計保證值，原裝引進同容量機組其性能指標均達到設計值可說明這一點。

d. 加工精度和質量沒有達到國外同類產品質量。雖然加工設備先進，但嚴格管理還不到位，不合格產品還會組裝到設備上。

e. 有些制造廠沒有很好領悟發電企業對老機組通流改造規模和意圖，喪失了中標機會。

6 結束語

經對近些年汽輪機通流改造狀況的分析，可見國內主要汽輪機制造企業在改造技術上與國外或國內合資企業有一定差距。對此這些企業應該在設計和制造加工上找差距，研發具有自主知識產權的產品，這樣才能在當前老設備改造潮流中站穩腳跟。

［1］ 趙偉光，劉振杰，張 野.N600-16.7/537/537型汽輪機組能耗診斷分析 ［J］.東北電力技術，2009，30(2):1-6.

［2］ 趙偉光.對現有國產20萬千瓦汽輪機組運行經濟性分析［J］.東北電力技術，1991，12(10):53-68.

［3］ 趙偉光.200 MW汽輪機低壓缸通流部分改造后經濟性分析［C］.中國電機學會第六屆汽輪機學術年會論文集，2001.

［4］ 王德生，趙偉光.清河電廠5號機低壓通流改造后經濟分析［J］.東北電力技術，1999，20(3):14-18.

［5］ 江 敏，趙偉光，張寶德.鐵嶺發電廠300 MW汽輪機組經濟性分析［J］.東北電力技術，1999，20(5):38-40.

［6］ 趙偉光，李國軍，侯恩輝.N300-16.7/537/537型汽輪機通流部分改造經濟性評價 ［J］.東北電力技術，2008，29(3):19-22.

［7］ 趙偉光，王耀忱，李 濤.國產300 MW汽輪機增容改造經濟性評價［J］.東北電力技術，2009，30(7):6-9.

［8］ 劉景春，高 海，孫永斌.汽輪機通流部分改造對機組效率的影響［J］.東北電力技術，2012，33(11):20-23.

［9］ 魏 星，趙偉光，趙玉姿.俄制800 MW汽輪機組能耗診斷分析［J］.東北電力技術，2007，28(5):6-10.

Effectiveness Comment on Renovating Flow Passage of Large Steam Turbine and New Technique Application

ZHAO Wei-guang1，LIU Shao-jie2，WANG Jiu-chong3，WANG Guang-hui4，ZHANG Ye1
(1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China;2.Full Dimension Power Tech，Co.，Ltd.，Beijing 100085，China;3.Shenhua Guohua Suizhong Power Generation Co.，Ltd.，Huludao，Liaoning 125222，China;4.Huaneng Yimin Power Gereration Co.，Ltd.，Hulunbeier，Inner Mongolia 021134，China)

The article introduces the effectiveness of flow passage renovating on steam turtine in 1990s.It also introduces the new technology and features of turbine flow passage renovating today in detail.It puts forward constructive ideas for the future of large turbine flow passage renovating.

Steam turbine;Efficiency of HP;Efficiency of IP;Efficiency of IP

TK263

A

1004-7913(2014)02-0037-05

趙偉光 (1955—)，男，學士，高級工程師，主要從事汽輪機節能技術研究工作。

2013-08-18)