電站汽輪機通流提效節能改造

楊超，，鐘挺，王琦，趙玉偉

（1.中國石化巴陵分公司熱電部，湖南岳陽414000；2.北京全四維動力科技有限公司，北京100095）

巴陵石化#7 機于1999 年投運，由于該機型設計年代早，通流設計和結構設計已明顯落后，且這一機型目前普遍存在結構安全隱患、運行經濟性差等問題。

1 汽輪機現狀分析

1.1 汽輪機基本狀況

#7機型號為C25-8.83/0.98-Ⅰ，額定主蒸汽壓力8.83 MPa，溫度535℃，最大進汽量210 t/h，設計排汽壓力4.1 kPa。該機組為單缸結構，通流級數為1個雙列調節級＋18個壓力級，機組總級數為19級。

1.2 性能分析

由于該機型設計年代早，通流設計和結構設計已明顯落后，且在運行中發現存在較大的安全性和經濟性問題，具體包括：

1）部分葉輪和隔板出現變形

#7汽輪機累計運行時數約12萬h，部分葉輪和隔板在長期熱應力作用下存在一定變形，已沒有安全裕量。為在開機過程中控制相對膨脹值在較低范圍內以避免機組動靜部分發生碰磨，往往只能采取延長開機時間等措施，不利于生產組織。

2）葉片表面有點蝕現象

后幾級葉片由于長期老化、水蝕等造成損傷，通過以往檢修發現葉片表面沖刷有多處點蝕現象，特別是第十七、十八和十九級葉片水蝕沖刷非常嚴重，存在葉片斷裂的巨大風險，既影響安全運行，又嚴重降低了葉片效率。

3）通流部分一維葉片設計落后

通流部分采用的是傳統一維葉片設計，蒸汽轉化為機械能的效率低，與具有先進設計水平葉片的機組存在較大的差距。

4）傳統疏齒式汽封阻汽效果差

傳統疏齒式汽封阻汽效果差，造成級間以及前后軸封漏汽量比較大，一方面引起軸瓦溫度高，影響機組安全運行，同時也造成機組效率低。

綜合以上分析可以看出，#7機在安全性與經濟性方面與同類型的改造機組和新投產機組有較大差距，亟需解決運行中存在的各種安全隱患，在效率方面有較大的提升空間。

1.3 影響機組經濟性原因

致使機組實際運行煤耗偏高的主要原因是汽輪機通流效率較低，主要體現在以下幾點：

1）該型汽輪機設計成型年代早，葉片型線設計技術已相對落后，葉片型線損失、二次流損失大，葉片級效率低；

2）汽輪機通流子午面光順程度較差，流動損失大；

3）焓降分配和速比不合理，輪周效率偏低；

4）動、靜葉片匹配不佳，葉片來流攻角偏大，增加了攻角損失；

5）部分級動葉頂部無圍帶或有拉金，增加了泄漏損失和繞流損失；

6）隔板根部汽封為軸向汽封齒，漏汽面積大、密封效果差；

7）葉片沖蝕嚴重，嚴重影響氣動性能。

2 #7 汽輪機通流改造

2.1 改造目標

#7機經過技術改造后，可實現以下目標：純凝30 MW工況下機組熱耗率降到9 920 kJ/kW·h以內；在各抽汽工況下熱耗率大幅降低；機組的安全可靠性提高，解決設備存在的安全隱患，降低運行檢修費用，延長機組壽命。

2.2 改造原則

汽輪機通流部分技術改造采用成熟、先進的技術，最大程度地提高效率、降低熱耗；改造后機組能適應變負荷和變工況運行，在50%～100%負荷范圍內均具有較高的經濟性；機組外形尺寸不變，旋轉方向不變；汽輪機機組與軸承箱、發電機、主油泵、盤車裝置的接口不變；改造后基礎負載基本不變，設備滿足現場安裝要求；延長機組壽命；設計、制造、檢驗和改造后有關運行指標符合國家和國際有關標準要求。

2.3 改造方案

保留機組外缸，高壓前軸承箱及軸承，低壓后軸承箱及軸承等。更換轉子、噴嘴組、隔板套、全部動葉片、全部隔板、隔板汽封、葉頂汽封、機組前、后汽封等。改造前后通流設計對比及改造部件見圖1、2。

圖1 改造前后通流設計對比

3 改造采取的先進技術措施

改造項目采用具有完全自主知識產權、國際領先水平的新一代汽輪機精確設計體系進行設計。改造后可以使汽輪機組的效率提高5%～8%，出力增加10%，同時大幅度提升機組安全可靠性。

3.1 通流結構優化

現代汽輪機通流改造設計中，小焓降、多級已成為發展的趨勢。通過增加通流級數、降低級平均焓降、優化級焓降分配可降低根徑、增加葉高，減少流動損失、漏汽損失，提高通流效率。

通流改造對通流結構進行優化設計，原機組采用雙列調節級，由于雙列調節級焓降占比較大且效率較低，改造后采用單列調節級并減小調節級焓降，以提高缸效率。同時，高壓通流段優化焓降分布，通流級數由8 級增加到9 級，多級小焓降的技術措施可進一步提高整機效率。

圖2 改造部件示意

3.2 葉片優化設計及變工況特性

通流改造后的經濟性通過先進的葉片設計來實現，針對性措施如下：

1）采用具有自主知識產權的成熟高效葉片型線，該葉型具有寬負荷運行適應性，其攻角對來流變化的敏感度較低，在進汽攻角±25°的范圍內葉片效率仍整體處于較高值[1]。

2）在通流級內的葉片設計上，通過在每一個截面上達到動葉與靜葉內流場的最佳匹配，既有效提高靜葉內的效率，又大大改善動葉內的流場，從而使整級效率最高。

3）通流內部流動具有強烈的非定常特征，即蒸汽參數和流動狀態隨著時間呈現明顯的波動和變化，在進行葉柵通道的氣動設計時，充分考慮其非定常因素，使葉片設計更接近真實的流動狀態。

汽輪機的變工況特性主要措施有：

1）通過優化葉片型線，改善葉片的攻角適應性，從而提高變工況運行時各級的效率；

2）合理提高末級、次末級根部反動度，保證在小容積流量（低負荷或高背壓）工況下，動葉根部不出現回流。這樣，既保證了變工況運行時末級、次末級的高效率，又有效防止了動葉根部的水蝕現象，提高了末級、次末級動片的安全性和使用壽命。

3.3 調節級設計

原機組采用噴嘴調節，改造后進汽調節方式不變。部分進汽的汽輪機，由于調節級焓降大，出力份額高，對整機效率影響較大，同時調節級焓降大，工作溫度高，工況復雜且受負荷波動影響大，工作環境惡劣，在提高調節級效率的同時必須高度重視其安全性。

噴嘴組靜葉片采用高效葉片，同時采用子午面收縮技術以減小二次流損失。調節級動葉片采用變截面扭葉片，既能提高效率，又能降低應力，結構上采用安全可靠性高的單支外包菌型葉根的葉片結構。

3.4 分流葉柵

原設計分流葉柵中的大葉片采用隔筋結構，該結構僅能保證葉柵強度，與葉型葉片相比，由于其對主流的干擾、對流道的堵塞影響較大，導致葉柵的氣動性能較差。

新設計的高壓部分靜葉采用優化設計的分流葉柵技術，新分流葉柵采用大小葉片結合的方式，見圖3，既能增加隔板強度，又能減少流動損失，大幅度提高缸效率。

圖3 分流葉柵氣動設計

3.5 彎扭聯合成型葉片

葉片的彎扭聯合成型技術是廣為采用的設計技術，通過對葉片積疊線、沿葉高角度分布兩條曲線進行優化控制，一方面抑制端壁二次流動的生成和發展，一方面使得密流向流動效率更高的中部集中，從而使得整個葉柵的流動損失更小。動靜匹配涉及葉片型線的匹配、葉片扭曲規律的匹配、泄漏流動控制、級與級匹配等，葉片彎扭復合成型優化設計（見圖4）也是匹配設計的一個部分。通過每個環節的控制，使得整體級效率得以提高。

對不同工作條件下的葉片級進行多通道、多級聯算，可得到包含動靜干擾在內的詳細流場特征，并針對不同的情況采取相應措施來改善整級以及多級的葉柵通道內部流動，提高通流效率。

3.6 蒸汽泄漏控制

蒸汽泄漏控制在汽輪機設計中主要包括靜止部件之間密封和動靜部件之間密封。動靜部件之間密封主要為汽封圈與轉子之間的密封，原機組部分結構處密封凸臺和汽封齒數不足，通過重新設計通流尺寸，并考慮真實葉片頂部和根部以及動靜干涉因素，對密封凸臺和汽封齒數進行優化設計。主要技術手段包括：

圖4 彎扭聯合成型多級氣動設計

1）將動靜葉片的干涉、葉根和葉頂汽封納入到葉片流場設計和分析中，通過控制汽封的泄漏流動提高汽輪機的通流效率[5]。

2）所有動葉片均設計為自帶冠葉片，動葉圍帶和轉子相關部位加工成凹凸臺結構，通過增加葉頂汽封齒數減小葉頂的蒸汽泄漏[6]。

3）在隔板汽封設計時，充分考慮沖動式葉輪的平衡孔和隔板汽封之間的抽吸因素，并將平衡孔對流場的影響分析加入整級氣動設計中，以確保與真實流動的高度吻合。

3.7 材料

對于亞臨界參數以下的高壓機組，關鍵部件的材料已全部實現國產化，成熟性和可靠性經過了長期的運行驗證。主要改造部分材質見表1。

表1 通流改造部分關鍵部件材質

4 改造后機組運行情況

汽輪機穩定運行后振動指標優良，軸承雙振幅振動值，無論是垂直、水平均小于0.025 mm，達到良好標準，各軸承在通過臨界轉速時雙振幅振動值均小于0.10 mm。推力瓦的金屬溫度低于85℃，各徑向軸承金屬溫度均低于85℃。

對機組改造前后相同運行工況進行性能對比測試，在25 MW 負荷純凝工況下，汽輪機試驗熱耗較改造前降低1 301 kJ/kW·h，效率提高14.72%；在25 MW 負荷抽汽工況下，汽輪機試驗熱耗較改造前降低583 kJ/kW·h，效率提高7.42%；在30 MW負荷抽汽工況下，汽輪機試驗熱耗較改造前降低704 kJ/kW·h，效率提高7.06%。

5 結論

通過對#7汽輪機實施通流改造，并針對性的采用個性化定制沖動式改造方案，采用當前新型高效葉片，對轉子等通流核心部件進行更換，顯著提高了機組的結構安全性和運行經濟性。