熱電站背壓機組通流提效改造應用實例分析

(廣州環投福山環保能源有限公司，廣州 511363)

0 引 言

某電站供熱主力汽輪機組，型號為B12-8.83/4.02，高壓、單軸、背壓式汽輪機組，是國內某知名汽輪機制造公司出產的產品。經過二十多年的運行，主設備老化，機組通流部份效率下降，而且由于設計年代較早，限于當時的設計水平和制造條件，機組的技術性能較差，落后于現在的先進技術水平。通過調研，決定開展該機組節能改造工作。該改造主要采用當代汽輪機的先進技術，秉承增容與節能相結合的原則，對該機組進行了通流提效改造，在較少投入的前提下，大幅度地增容降耗，擴大運行范圍，延長機組壽命，提高機組運行可靠性。充分發揮老機組的潛力，讓電廠增容增效。

1 改造情況

項目設計主要根據汽輪機廠家提供的汽輪機的結構尺寸和熱力參數建立理論模型，針對機組通流部分，采用當代先進的多級汽輪機一維/準三維/全三維氣動熱力設計體系進行設計計算，并提出確定以更換原機組汽輪機通流部分動葉片、隔板等部分的改造方案。根據確定的改造方案，參考各種機型改造的經驗,應用近年來經過運行考驗的先進、成熟的結構對老機組通流部分進行全面優化改進。

根據機組熱力特性計算，以及項目目標、設計思路與所積累的成功設計經驗，綜合考慮各方面的因素，在確保機組改造后安全運行的前提下，以鍋爐、發電機、汽輪機本體汽缸及基礎等部件不改動為前提，通過核算，對機組部分級次和部件進行重新設計并更換。

隔板和動葉片是完成蒸汽熱能向動能轉換的重要部套。機組在改造設計時充分考慮了這些部件的結構強度、溫度效應及工作條件，具有良好的經濟性和安全可靠性。

1.1 隔板和導葉改造

機組有3個隔板組件，即第2級隔板組件、第3級隔板組件和第4級隔板組件。表1為各級隔板和導葉用材質。第2級、第3級、第4級隔板均為焊接隔板。改造后，各級靜葉片均采用高效后部加載層流葉片設計，并采用分流圍帶式葉柵，這種葉柵由主流片和分流片構成，圖1為原加強筋葉柵和新應用的分流葉柵對比圖。各級導葉為薄出汽邊，可減少尾跡損失和尾跡激振力幅值。采用這些先進技術后，不但能滿足隔板的剛度、強度要求，且能獲得較高的氣動性能以提高經濟性，還可以降低動葉片的應力，增加其可靠性。

表1 各級隔板和導葉用材質

尾跡損失是由于葉柵出口邊厚度的存在，沿著葉型腹面和背面流來的兩部分汽流在離開葉片出口時不能匯合而產生脫離，從而使葉片出口邊后的壓力下降所造成的壓力損失。出口邊汽流脫離形成的渦流區域稱為尾跡。尾跡中汽體有旋轉運行消耗一部分汽體動能，另外，它與主汽流的相互作用亦消耗一部分汽體動能。尾跡損失主要與葉片出口邊厚度有關，葉片出口邊的厚度越大，尾跡損失越大。從圖1可看出，改造后的分流葉柵，導葉出汽側的厚度，也就是導葉出口邊厚度改為薄出汽邊，在實際運行中，葉型腹面和背面流來的汽流在葉片出口邊較改造前能較好的匯合，從而減少了汽流壓力損失，使尾跡損失得以下降。

1.2 動葉片改造

動葉片設計中采用了一系列新技術和新的設計思想，使氣動、振動和強度方面的水平都有較大的提高。

調節級動葉片采用高效平衡動葉，第2級、第3級、第4級動葉片均采用等截面直葉片，各級動葉片均為自帶冠、葉頂多齒汽封型式，不僅減小了漏汽量，且構成高效光滑子午面流道。為了改善經濟性和變工況性能，在參數高、焓降大、工況惡劣的調節級上，將2只動葉組焊成一體，提高了可靠性。

為了滿足轉子和靜子相對膨脹和動葉熱脹的要求，動葉頂部與靜子之間存在軸向間隙和徑向間隙，級間的蒸汽有部分經過動葉軸向間隙和徑向間隙漏到級后，這部分沒有作功的蒸汽，稱為葉頂漏汽損失。改造后，動葉片采用自帶冠、葉頂多齒汽封型式，可減少動葉頂部與靜子間隙的漏汽量，提高蒸汽利用率。各級動葉片的使用材料均為1Cr11MoV。圖2、圖3分別為動葉片改造前和動葉片、圍帶改造后現場圖。

圖2 動葉片改造前

圖3 動葉片、圍帶改造后

1.3 汽封圈改造

各級隔板均設有隔板汽封，為高低直梳齒汽封，使用材料為15CrMoA。前汽封、后汽封同樣采用高低直梳齒汽封，使用材料均為15CrMoA。圖4為現場待裝高低直梳齒汽封。

圖4 現場待裝高低直梳齒汽封

2 改造后要求達到的汽輪機本體主要技術參數

通過該改造實施,達到汽輪機技術參數要求，詳見表2。

表2 改造后汽輪機技術參數要求

3 改造后汽輪機本體及設備性能要求

(1)汽輪機改造部分連續運行時間不少于5年,設計壽命>20年。

(2)軸系臨界轉速值與工作轉速避開±15%以上,軸系臨界轉速的分布保證有安全的暖機轉速和進行超速試驗。

(3)汽輪機正常運行時,高中、低壓轉子的各軸承軸瓦振動雙振幅值不大于0.03 mm，同時軸振<76 μm。通過臨界轉速時瓦振不大于0.1 mm。

(4)汽輪發電機組軸系失穩轉速大于3 900 r/min。

(5)機組能在周波48.5～50.5 Hz的范圍內持續穩定運行。

(6)各級隔板、導葉、動葉材質符合國家標準，改造后通流部分各部件滿足長期運行強度要求。

(7)轉子出廠前做高速動平衡試驗，精度為<1.2 mm/s，按撓性轉子平衡標準評定。

4 改造實施情況簡述

該改造項目的整體實施，主要利用該背壓機組大修機會，進行了同步實施通流提效通流部件改造工作。

從背壓機組停運1周后進行大修施工，歷經15天的機組揭缸、轉子及配件拆出外送，外送改造到返廠周期3個月，以及15天的整機復裝周期。改造貫穿該機組大修周期，總歷時近4個月。

5 通流提效改造技術應用情況分析

通流提效改造技術的應用效果主要是在改造后確保機組振動合格的情況，針對機組效率、發電汽耗情況進行分析對比。

(1)機組改造后振動情況

汽輪機軸瓦振動值，是衡量機組安全運行的一個重要指標。從減少漏汽、提高作功效率的角度看，軸向間隙越小越好，但是機組在啟停和變工況時動、靜部分有熱膨脹差，若軸向間隙無法保證動、靜部分的自由膨脹而發生碰磨，將損壞機組，故汽輪機進行通流部分改造后，調試投運過程中重點必須確保汽輪機軸瓦振動在允許范圍內。調試過程中，監測軸瓦振動可間接判斷機組動靜部分是否存在碰磨。

在機組完成改造復裝及一系列靜態調試工作后。開展機組熱態調試，過程中，主要監測機組軸瓦振動情況。

在做排汽聯箱安全閥熱調前，機組振動良好，只是在過臨界時，#2瓦Y向會報警，報警值不高，最高只有135 μm。

安全閥熱調后，在電氣做試驗過程中，出現#1瓦、#2瓦Y向振動交替升降報警且在交點處共同報警，最高值達168 μm，如圖5所示。

圖5 改造后開機#1#2軸承Y向振動曲線

后期觀察振動：并網帶負荷運行后一周內，兩次發生#2瓦西側振動超標情況，最高152 μm，后下降至108 μm運行。之后連續運行觀察，振動情況良好，未有超報警值。

(2)機組效率、汽耗情況對比

根據機組效率情況，詳見表3。剔除改造后3月份、6月份低負荷運行效率較低外，其它月份較改造前同期數據均有明顯提升，機組漏汽量下降，作功能力得到明顯提升，從而提高了機組效率。

表3 改造前后同期該機組效率數據對比 單位：%

根據機組改造前后同期汽耗對比，詳見表4。剔除改造后3月份、6月份因運行方式調整，機組負荷低于200 t/h，運行工況大幅度偏離額定工況，造成汽耗過大的數據。將改造前后同期最好數據相對比，發電汽耗均有較大幅度的下降。

表4 改造前后同期該機組發電汽耗數據對比(單位：kg/kW·h)

6 節能效果分析

(1)理論計算年效益：

大修改造后，從機組汽耗看，改造后5月機組發電汽耗為23.85 kg/kW·h，改造前同期5月份為25.98 kg/kW·h。

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通過換算可得知，改造后1t蒸汽發電量為42 kW·h，改造前1 t蒸汽發電量為38.5 kW·h，即是改造后1 t蒸汽較改造前多發42-38.5=3.5 kW·h。

根據5月份數據進行理論計算，按照機組每年8 000 h運行時間計算，機組按額定負荷254.8 t/h運行，在相同的中壓蒸汽供量的情況，每臺機組每年可多發3.5*254.8*8 000=7 134 400 kW·h, 按照發電成本每kWh為0.503元計算，一年則可創造效益358.86萬元。

(2)實際計算改造后上半年效益：

不剔除低負荷工況情況按照實際發生數據計算，將改造后上半年數據與改造同期數據相對比，計算出平均汽耗，改造后汽耗平均數為25.55 kg/kW·h，改造前汽耗平均數為27.31 kg/kW·h。

通過換算可得知，改造后1t蒸汽發電量為39.14 kW·h，改造前1t蒸汽發電量為36.62 kW·h，即是改造后1t蒸汽較改造前多發41-38.5=2.52 kW·h。

根據機組改造后上半年3 905 h運行時間計算，機組按額定負荷254.8 t/h運行，在相同的中壓蒸汽供量的情況，每臺機組上半年多發2.52*254.8*3 905=2 507 384.88 kW·h。

按實際發電成本每kWh為0.503元計算，多創造效益126.12萬元，相當于節約用電支出130.13萬元。

7 結束語

綜上所述，根據汽輪機的結構尺寸和熱力參數建立理論模型，然后針對機組通流部分，采用當代先進的多級汽輪機一維/準三維/全三維氣動熱力設計體系進行設計計算，以更換原機組汽輪機通流部分動葉片、隔板等部件開展提效改造工作。通過機組通流部分的全面優化改進，使汽輪機通流部分漏汽損失下降，提高蒸汽作功效率，使汽耗得以下降，發電效率得到顯著的提高。通流提效改造技術應用于舊式熱電站背壓機改造中，提高了背壓機組效率，降低機組汽耗，在供熱型電廠、自備熱電廠的同類型機組上能較好的應用。

關于此類節能項目，必須通過長期的運行實踐、摸索，方能進行真實而全面的分析，從而得出更為科學、準確的結論。關于“節能降耗”的課題，只有通過長期的實踐驗證、提高，我們在“節能降耗”的課題上才能取得長足的進步。