新一代通流技術(shù)在自備電廠300MW汽輪機(jī)的改造應(yīng)用

李洪波，李 偉，管洪軍，張?jiān)吕祝面?/p>

（1.勝利石油管理局有限公司發(fā)展規(guī)劃部，山東 東營(yíng) 257000；2.勝利石油管理局有限公司勝利發(fā)電廠，山東 東營(yíng) 257087）

1.機(jī)組概況

勝利發(fā)電廠是勝利油田的自備電廠，二期為2臺(tái)300MW機(jī)組型號(hào)為C300/237-16.7/0.39/537/537，是亞臨界、中間再熱、兩缸兩排汽、采暖抽汽凝汽式汽輪機(jī)，由于汽輪機(jī)設(shè)計(jì)較早，限于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)技術(shù)以及制造加工能力等因素，機(jī)組通流部分效率較低，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差。

2015年11月委托西安熱工研究院對(duì)4號(hào)汽輪機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，結(jié)果顯示4號(hào)汽輪機(jī)在3VWO工況下，高壓缸效率81.58%，中壓缸效率為89.01%，試驗(yàn)低壓缸效率計(jì)算值為84.36%，經(jīng)過(guò)一、二類(lèi)修正后的熱耗率為8201kJ/(kW.h)。

經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析影響2臺(tái)300MW汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性的主要因素有：調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴面積偏大，焓降較大，效率偏低；高、中壓缸通流級(jí)數(shù)偏少，級(jí)平均焓降較大，焓降分配不合理，影響了機(jī)組通流效率；葉片型線設(shè)計(jì)技術(shù)落后，損失大，級(jí)效率低；部分動(dòng)、靜間隙偏大，漏汽損失較大；缸體變形嚴(yán)重，導(dǎo)致泄漏量增大；部分回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值較大；末級(jí)葉片長(zhǎng)度過(guò)短，排汽面積偏小，余速損失大；高、中壓缸通流級(jí)數(shù)偏少，一定程度上影響了機(jī)組通流效率；由于汽輪機(jī)缸體結(jié)構(gòu)上的問(wèn)題，存在內(nèi)部漏汽現(xiàn)象。

2.新一代通流技術(shù)在機(jī)組改造上的應(yīng)用

根據(jù)改造前機(jī)組的實(shí)際情況，綜合考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性，二期3、4號(hào)機(jī)改造方案為：更換高中壓內(nèi)缸+低壓內(nèi)缸+高壓噴嘴組+高中壓轉(zhuǎn)子+低壓轉(zhuǎn)子+高、中、低壓各級(jí)動(dòng)葉+高、中、低壓各級(jí)隔板及靜葉+汽封、軸封等。

2.1 配汽優(yōu)化技術(shù)

為適應(yīng)自備電廠負(fù)荷要求，進(jìn)一步挖掘部分負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性，采用基于調(diào)節(jié)級(jí)靜葉角度分組差異化的新型噴嘴配汽方式。

圖 1 優(yōu)化前

圖 2 優(yōu)化后

2.2 高效調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)段優(yōu)化技術(shù)

由于制造工藝的改進(jìn)及機(jī)組轉(zhuǎn)自備后調(diào)峰要求的改變，調(diào)節(jié)級(jí)帶大負(fù)荷同時(shí)快速響應(yīng)的設(shè)計(jì)成為自備電廠節(jié)能提效的阻礙。此次改造采用東汽先進(jìn)的基礎(chǔ)葉型，對(duì)進(jìn)汽腔室、汽封齒、靜葉數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，形成高效、安全可靠的調(diào)節(jié)級(jí)葉片，以適應(yīng)變工況運(yùn)行情況。

圖 3 調(diào)節(jié)級(jí)葉片

2.3 高壓進(jìn)汽插管優(yōu)化

改前一端插入外缸，另一端穿過(guò)內(nèi)缸插入噴嘴室。

改后一端以法蘭結(jié)構(gòu)與內(nèi)缸把合，減少漏點(diǎn)；另一端插入外缸以密封環(huán)密封，精確計(jì)算冷態(tài)安裝間隙，保證熱態(tài)密封性。

圖 4

圖 5

2.4 汽缸優(yōu)化技術(shù)

2.4.1 高壓內(nèi)缸優(yōu)化

優(yōu)化高壓內(nèi)缸，設(shè)計(jì)為整體式內(nèi)缸，取消獨(dú)立噴嘴室，減少漏點(diǎn)；優(yōu)化進(jìn)汽型線，減少效率損失；同時(shí)該結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力較小，減小機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行后的汽缸變形。

圖 6 高壓內(nèi)缸模型

施工設(shè)計(jì)時(shí)在VWO（超壓5%）工況（蒸汽參數(shù)為537℃/17.5Mpa）下對(duì)高壓內(nèi)缸進(jìn)行了建模分析。

汽缸三維模型如圖1所示；汽缸有限元模型如圖2所示，采用Ansys 4節(jié)點(diǎn)四面體及8節(jié)點(diǎn)六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，總單元數(shù)約為120萬(wàn)。

對(duì)其進(jìn)行受力分析，根據(jù)ASME準(zhǔn)則，缸壁一次應(yīng)力滿足要求；進(jìn)汽室結(jié)構(gòu)及壁厚可滿足強(qiáng)度要求；長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的中分面汽密性滿足要求。

圖 7 汽缸三維模型

圖 8 汽缸有限元模型

2.4.2 低壓內(nèi)缸優(yōu)化

改造前低壓進(jìn)汽室與內(nèi)缸分離結(jié)構(gòu)，中分面整體法蘭，懸臂結(jié)構(gòu)。

改造后為整體式內(nèi)缸，無(wú)進(jìn)汽室蒸汽泄漏；中分面分散式法蘭，減小熱應(yīng)力及變形；密封板由懸臂結(jié)構(gòu)改為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，減小變形，保證正常運(yùn)行時(shí)隔板動(dòng)靜間隙，該結(jié)構(gòu)具有自密封性，在蒸汽壓力下，其受力特點(diǎn)可使中分面被壓的更緊，輔助中分面密封。

2.5 進(jìn)、排汽缸優(yōu)化技術(shù)

通過(guò)對(duì)高壓排氣缸進(jìn)行優(yōu)化，總壓損失由0.9%下降到0.55%。

通過(guò)對(duì)高壓排氣缸進(jìn)行優(yōu)化，總壓損失由1.2%下降到0.75%。

2.6 汽封優(yōu)化技術(shù)

改前為老式汽封圈。

改后高、中壓隔板汽封圈采用布萊登汽封圈（其中第高壓第2級(jí)隔板汽封帶防旋齒）；高、中壓軸封及過(guò)橋汽封采用錯(cuò)齒汽封圈（其中過(guò)橋汽封第1列帶防旋齒），有效齒大幅增加；低壓軸封采用4列接觸式汽封+DAS汽封，第二、第五列為接觸式汽封（中間帶豁口，里面放復(fù)合密封材料），一、三、四列為DAS汽封。低壓隔板汽封采用DAS汽封，間隙更小，密封性更好。達(dá)到良好的汽封效果。具體汽封配置如表所示。

表 1 汽封配置優(yōu)化

2.7 隔板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高壓第2～12級(jí)及中壓1～8級(jí)隔板全部為高效拂配式導(dǎo)葉，高中壓隔板全部采用窄間隙焊接隔板，不易變形；低壓第1～2級(jí)隔板為高效拂配式導(dǎo)葉、窄間隙焊接；第3～4級(jí)為彎扭靜葉片、直焊式結(jié)構(gòu)；第5級(jí)靜葉片為后置前掠、直焊式結(jié)構(gòu)；隔板內(nèi)外環(huán)全部帶密封鍵，增加隔板剛性，減少中分面漏汽；內(nèi)、外環(huán)出汽側(cè)增加導(dǎo)流錐結(jié)構(gòu)，外環(huán)汽封處形成渦流，減少漏汽；內(nèi)環(huán)處有助于穩(wěn)流，減少汽流損失。

3.汽輪機(jī)通流改造效果分析

2020年4月，勝利發(fā)電廠委托西安熱工研究院有限公司對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行通流改造后性能考核試驗(yàn)。

3.1 高中壓缸效率明顯提升

100%THA工況（三閥全開(kāi)）下，高壓缸效率為86.67%，相比改造前高壓缸效率81.5%，提高了5.1%；中壓缸效率92.66%，相比改造前中壓缸效率89.01%，提高了3.65%；證明了汽輪機(jī)的改造效果非常明顯。75%THA工況下，高壓缸效率為82.94%；中壓缸效率92.77%。50%THA工況下，高壓缸效率為82.76%；中壓缸效率92.77%。

3.2 汽輪機(jī)熱耗率大幅度降低

100%THA熱耗率降至7885.1 kJ/(kW.h)，與汽輪機(jī)改造前的熱耗率 8201 kJ/(kW.h)相比，下降約 315.9 kJ/(kW.h)。

3.3 高、中壓合缸處軸封漏汽量占再熱蒸汽流量的份額為3.55%，優(yōu)于設(shè)計(jì)值（3.86%）。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，勝利發(fā)電廠300MW汽輪機(jī)節(jié)能改造后，機(jī)組各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)良，尤其是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)值，汽輪機(jī)熱耗率降低至7885.1kJ/kWh，與汽輪機(jī)改造前的熱耗率8201 kJ/kWh相比，下降315.9 kJ/kWh，每年單臺(tái)機(jī)組可降低標(biāo)煤消耗1.57萬(wàn)噸。以每噸標(biāo)煤703元計(jì)算，年可降低煤炭成本約1104萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益可觀；同時(shí)滿足了自備電廠工業(yè)用汽和冬季采暖的需求，進(jìn)一步增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。當(dāng)前國(guó)家節(jié)能減排要求日益嚴(yán)峻的形勢(shì)下，燃煤電廠節(jié)能提效的改造需求越來(lái)越迫切，越來(lái)越多的電廠也認(rèn)識(shí)到汽輪機(jī)節(jié)能提效應(yīng)用技術(shù)研究的必要性，該項(xiàng)目改造成功經(jīng)驗(yàn)可在全國(guó)其它燃煤電廠的同類(lèi)型機(jī)組推廣應(yīng)用。