汽輪機通流部分改造及效果研究

李興強

摘要：汽輪機作為火力發(fā)電的核心設(shè)備，具有將蒸汽能量轉(zhuǎn)變成機械能的功能，但由于制造廠設(shè)計或抽汽供熱原因無法達到設(shè)計出力。通過性能試驗分析，這種情況的產(chǎn)生歸結(jié)為機組的通流能力不足、未考慮長期低負荷工況，會嚴重制約機組額定出力和安全運行。因此，對汽輪機通流部分進行改造、對低壓轉(zhuǎn)子次末級葉片換型、末級葉片噴涂，成為供熱汽輪發(fā)電機組技術(shù)革新的重要任務(wù)。

關(guān)鍵詞：汽輪機；通流；改造

DOI：10.12433/zgkjtz.20240135

隨著《大氣污染防治行動計劃》的實施，在國家“雙碳”目標下，新能源裝機容量迅猛發(fā)展，供熱火電機組利用小時數(shù)進一步降低。非供暖期，兩臺供熱機組（2×350MW）長期45%額定負荷運行，汽輪機安全運行受到前所未有的挑戰(zhàn)。因此，供熱火電機組“三改聯(lián)動”，對汽輪機通流部分進行優(yōu)化，對低壓轉(zhuǎn)子次末級葉片換型，末級葉片超音速火焰噴涂，對低壓缸后缸噴水降溫系統(tǒng)進行改造，提高機組帶負荷能力和設(shè)備本質(zhì)安全水平勢在必行。

一、改造的必要性

昌吉熱電廠一期工程，配套建設(shè)2×350MW超臨界燃煤發(fā)電供熱機組。汽輪機是哈爾濱汽輪機廠制造的超臨界、單軸、雙缸、雙排汽、一次中間再熱、直接空冷、單抽凝汽式汽輪機，擔負昌吉市40%供暖面積冬季民生供暖任務(wù)。該機型在設(shè)計期間未考慮機組長期低負荷運行工況，機組長期在45%額定負荷運行，導致汽輪機進汽流量和過熱度減小，對低壓轉(zhuǎn)子次末級、末級葉片安全運行產(chǎn)生嚴重影響。存在的主要問題如下：

（一）汽輪機次末級葉片不能滿足長期低負荷運行要求

1號機組低壓缸次末級葉片為哈爾濱汽輪機有限公司的352mm型葉片，低壓轉(zhuǎn)子次末級設(shè)計時未考慮機組長期低負荷運行工況，廠家核算其強度只能滿足正常工況運行，次末級在機組正常運行時已處于蒸汽過渡區(qū)，運行環(huán)境惡劣，頻繁應(yīng)用于汽輪機低負荷運行狀態(tài)（干濕交替頻繁出現(xiàn)）無法確保運行安全性。需要更換成帶穿孔拉筋結(jié)構(gòu)的新型352mm葉片。

（二）汽輪機末級葉片水蝕加重

汽輪機低壓末級葉片工作在濕蒸汽區(qū)，易發(fā)生水蝕。當機組長期低負荷運行時，濕度的增加會使末級葉片遭受水蝕的侵害，不管是從進汽側(cè)還是出汽側(cè)，都會受到蒸汽凝結(jié)過程中攜帶小水滴的沖刷。水蝕的嚴重程度會影響末級葉片的使用壽命，存在低壓轉(zhuǎn)子葉片斷裂風險，危及機組的安全運行。

（三）汽輪機低壓缸小容積流量條件下運行存在鼓風發(fā)熱

汽輪機在低負荷運行狀態(tài)下，低壓缸通流部分運行條件大幅偏離設(shè)計工況，處于小容積流量條件下運行，鼓風發(fā)熱現(xiàn)象明顯，會導致排汽溫度升高（特別是在高背壓情況下，這種現(xiàn)象更為明顯）。為有效控制排汽區(qū)溫度，防止過熱引起的缸體變形等問題，需要對低壓缸噴水減溫系統(tǒng)進行適應(yīng)性改造。

（四）昌吉熱電廠承擔昌吉市40%多供暖面積，冬季供暖是民生工程壓力巨大

汽輪機是火力發(fā)電廠三大主機之一，如果一臺機發(fā)生故障，昌吉熱電廠只能自費啟動天然氣鍋爐，天然氣費用400萬元/天左右。停機一天發(fā)電量損失600萬kWh，發(fā)電利潤按照0.05元/kWh，單機電量利潤損失30萬元/天，直接損失合計430萬元/天，造成的社會影響更無法估量。

二、改造的可行性

針對以上問題，通過改造機組，使其具有更好地適應(yīng)低負荷運行的能力，提高機組的可靠性與安全性。目前，陜西榆林熱電廠、內(nèi)蒙古錫林熱電廠、深能庫爾勒熱電廠、哈爾濱汽輪機廠機組均已完成汽輪機低壓轉(zhuǎn)子葉片適應(yīng)低負荷運行改造，機組運行兩年從低壓缸人孔查看，低壓轉(zhuǎn)子葉片完好，無水蝕現(xiàn)象，實現(xiàn)了改造目標。華電昌三電廠于2022年完成一臺機組改造，運行至今機組參數(shù)正常。

三、汽輪機通流部分改造技術(shù)原則

考慮到汽輪機當前的狀態(tài)和改造可靠性，本次汽輪機通流部分改造遵循以下技術(shù)原則：

第一，通過對現(xiàn)有設(shè)備的優(yōu)化和升級，減少新增投入。

第二，盡量保留原有的結(jié)構(gòu)和零部件，避免產(chǎn)生額外的二次維修費用。

第三，為確保汽輪機通流部分改造質(zhì)量和性能的穩(wěn)定，由哈爾濱汽輪機廠提供配件和實施。

第四，最大限度地降低現(xiàn)場施工的復雜性，汽輪機高中壓缸通流部分改造返廠實施。

第五，汽輪機低壓缸通流部分改造，由哈爾濱汽輪機廠到現(xiàn)場施工。

四、汽輪機通流部分改造存在的問題

為了提高汽輪機的效率和可靠性，可以采取三種不同的改造方法：

第一，通流部分完整改造，包括替換內(nèi)缸、轉(zhuǎn)子等零部件，這種方法適合運行頻繁、成本較高的機組。

第二，通流部分局部改造，對汽封系統(tǒng)和其他關(guān)鍵構(gòu)件進行更新。例如，高壓轉(zhuǎn)子部分動、靜葉更換，高壓缸汽封優(yōu)化更換，低壓轉(zhuǎn)子次末級葉片換型、末級葉片超音速火焰噴涂等。

第三，汽輪機擴容改造，徹底改裝原汽輪機，以期達到更高的經(jīng)濟效益。

汽輪機通流部分改造前，需結(jié)合機組性能試驗數(shù)據(jù)進行充分論證，制定汽輪機通流部分改造實施方案。汽輪機出力、運行年限不同，汽輪機通流部分改造效果也存在差異。例如，300MW汽輪機通流部分改造后，在額定負荷下經(jīng)濟性增加5%，但出現(xiàn)一些新問題，例如，進汽參數(shù)不合理、抽汽參數(shù)不當以及給水溫度偏低等。因此，在對汽輪機通流部分改造工作中，專業(yè)技術(shù)人員要充分考慮各個負荷階段的運行情況，確保汽輪機通流部分改造預(yù)期效果。如果僅把機組額定出力視為汽輪機通流部分改造目標，而忽略機組節(jié)能降耗、供熱需求和靈活性等因素，會嚴重影響汽輪機改造效果，甚至降低汽輪機運行的安全性和可靠性。

五、高中壓轉(zhuǎn)子改造實施內(nèi)容

第一，汽輪機高壓缸前四級動靜葉片、高壓進汽平衡環(huán)汽封、高壓1～12級固定汽封進行優(yōu)化更換。

第二，返廠改造清單

序號 涉及部套 工作內(nèi)容 備注

1 高中壓轉(zhuǎn)子

1.1 彎曲度檢查及修復

1.2 高壓1～4級動葉拆除

1.3 高壓1～4級動葉安裝

1.4 圍帶溝痕及錯牙車削、修復

1.5 動平衡

2 高壓內(nèi)缸

2.1 高壓1～4級隔板拆除

2.2 高壓5～12級32圈汽封拔除

2.3 高壓5～12級32圈汽封槽道修復

2.4 水平中分面間隙消除

2.5 高壓1～4級隔板鑲裝

2.6 高壓5～12級32圈汽封鑲裝

2.7 高壓1～12級48圈汽封齒車削

六、低壓轉(zhuǎn)子改造實施內(nèi)容

第一，汽輪機低壓轉(zhuǎn)子次末級葉片換型、末級葉片超音速火焰噴涂、低壓缸后缸噴水降溫系統(tǒng)優(yōu)化。

第二，現(xiàn)場施工項目

序號 施工項目 工作內(nèi)容 備注

1 葉片換型 低壓轉(zhuǎn)子次末級葉片換型

2 葉片噴涂 低壓轉(zhuǎn)子末級葉片噴涂

3 噴水系統(tǒng) 低壓缸后缸噴水降溫系統(tǒng)改造

4 葉片監(jiān)測 葉片振動、測溫等監(jiān)測、分析項目

5 控制優(yōu)化 涉及DEH、DCS改造

七、改造過程安全措施

（一）通用安全措施

第一，參與施工人員必須遵守《安全生產(chǎn)法》《安規(guī)》等相關(guān)安全生產(chǎn)規(guī)章制度。

第二，施工人員應(yīng)進行入廠三級安全培訓并考試合格，特種作業(yè)人員持證上崗，并進行安全技術(shù)交底。

第三，開工前取得開工令，工作票中所列安全措施執(zhí)行完畢并履行開工手續(xù)后方可進入現(xiàn)場工作。

第四，嚴格執(zhí)行有限空間作業(yè)規(guī)定，作業(yè)前在空間內(nèi)充分通風，進行氣體檢測，確保沒有有害氣體并辦理受限空間作業(yè)票后方可進入，作業(yè)人孔門處必須有專人監(jiān)護，受限空間要嚴格執(zhí)行六項旁站制度，做好出入登記、氣體檢測記錄備查。

第五，檢修人員應(yīng)進行安全學習，特種工種人員持證上崗，并接受發(fā)電公司有關(guān)人員的技術(shù)交底和安全交底。

第六，開工時確認工作票已辦理，安全措施已全部正確執(zhí)行。工作前后安全技術(shù)交底，施工人員必須做到“四明確”：工程任務(wù)明確、施工方法明確、吊裝物體重量明確、安全措施明確。

第七，進入施工現(xiàn)場人員規(guī)范著裝、正確佩戴安全帽，聽從項目負責人的管理，佩帶工作證，否則不得入內(nèi)。

第八，腳手架要綁扎牢固不留空隙并設(shè)有防護欄桿，懸掛腳手架合格證，經(jīng)過驗收后方可使用。

第九，所有電動工具絕緣可靠，使用帶漏電保護器的電源，電源線完整無破損，電動工器具要檢驗合格。

第十，所有起重工具必須經(jīng)過檢驗合格后方可使用，不得超限及使用不合格工具。起吊設(shè)備前，應(yīng)先進行檢查，合格后方可使用。

第十一，高處作業(yè)時，必須系好安全帶，在施工中不得上下拋接工具、工件，應(yīng)用繩索綁扎牢固上下吊運。

第十二，使用電、氣焊時氣瓶應(yīng)分別放置并相距8m以上并距離動火點10m以上，同時做好防止火花迸濺造成火災(zāi)的安全措施。

第十三，在吊裝較大物件時，應(yīng)有專人指揮，工作人員不得在起吊重物下站立和行走。

第十四，施工人員使用臨時電源時，應(yīng)聯(lián)系電廠專業(yè)人員裝接，不得擅自私拉亂接。

第十五，施工現(xiàn)場應(yīng)整齊清潔，零部件擺放整齊，確保施工通道暢通，并做到“三不落地”，每天收工時，須對現(xiàn)場進行檢查，保持現(xiàn)場清潔。

第十六，拆卸、檢修、回裝過程中均應(yīng)合理、得當?shù)氖褂霉ぞ撸悦鈧嘶蛟O(shè)備損壞。

（二）高中壓缸、低壓缸揭缸安全措施

第一，檢查起吊工具、合格后方可使用。

第二，揭缸過程中任何人不得將頭、手、身體部位伸入結(jié)合面內(nèi)。

第三，起吊汽缸時，四周不少于8人扶持，每角2人，并有專人專責。

第四，當汽缸即將脫離隔板槽道時，四周扶持人員注意安全，防止跌入缸內(nèi)。

第五，起吊過程中，由1人指揮，如有異常情況，任何人可向指揮和行車司機發(fā)出停止信號。

第六，當行車吊缸行走時，行車下嚴禁有行人。

第七，及時封堵缸內(nèi)各抽汽口，疏水口以防異物掉入。

第八，吊出的隔板、隔板套，必須放在專用架上且保持平放，下面墊木板。

（三）汽輪機軸瓦墊鐵加減墊片安全措施

第一，加減墊片前應(yīng)清掃軸承洼窩及墊鐵，發(fā)現(xiàn)較大的毛刺或異物應(yīng)及時匯報專業(yè)，以便及時調(diào)整。

第二，加減墊片時不能戴手套，應(yīng)小心防止劃傷手指。

第三，拆下的墊片螺絲應(yīng)妥善放好，以防丟失。

（四）汽輪機軸瓦檢修安全措施

第一，軸瓦油室內(nèi)清潔，無油垢、雜物、油口、油孔暢通。

第二，翻下瓦時，必須先檢查頂軸油管接頭是否拆開（1、2瓦無頂軸油管），并注意保護測溫導線，以防扯斷。

第三，發(fā)電機、前后軸承組裝后應(yīng)通知電氣測量絕緣。

第四，刮瓦時應(yīng)特別小心，防止滑傷手指。

第五，壓間隙、緊力時應(yīng)均勻擰緊兩側(cè)螺絲，防止壓偏。

第六，揭、扣瓦蓋及起吊軸瓦時，應(yīng)有人扶穩(wěn)，防止碰傷。

第七，可傾瓦壓頂隙兩側(cè)用潤滑脂粘住，防止下落。

第八，可傾瓦須將工藝螺栓上好后才能起吊上瓦，防止上瓦塊脫落。

（五）汽機翻軸瓦安全措施

第一，翻瓦以前，做好一切起吊及測量準備工作。

第二，對鋼絲繩、千斤頂由起重檢查，合格后方可使用。

第三，整個翻瓦過程中起重、鉗工配合工作。

第四，翻瓦過程中，不許用手拿瓦的邊緣，以防傷手。

第五，瓦翻出后，及時對油管接頭及進出油孔進行包扎，防止進入臟物。

第六，扣瓦時，檢查頂軸油管、熱工表線是否接好。

第七，可傾瓦翻起后須將工藝螺栓上好后才允許吊瓦。

（六）檢修隔板的安全技術(shù)措施

第一，拆卸隔板套螺絲特別小心，不得有異物掉入抽汽口內(nèi)，如掉入應(yīng)及時匯報。

第二，拆下的螺帽、螺栓、銷子等應(yīng)放在專用箱內(nèi)，不得亂丟亂放。

第三，吊出的隔板、隔板套必須放在專用架上，需平放時，下面必須墊以木板。

第四，隔板清潔，無銹蝕裂紋，噴咀、隔板靜葉邊緣平整無扭曲松動。

（七）高中壓缸、低壓缸扣缸安全措施

第一，檢查起吊工具，合格后方可使用。

第二，扣缸時，檢查汽缸結(jié)合面有無雜物，是否清掃干凈。

第三，抹汽缸涂料時，把涂料抹均勻，防止異物及灰刀落入缸內(nèi)。

第四，扣缸時，四周不少于8人扶持，每角2人，并有專人負責，扶持人員注意安全、防止跌入缸內(nèi)。

第五，扣缸過程中，任何人不得將頭、手等身體部位伸入結(jié)合面內(nèi)。

第六，起吊過程中，由一人指揮，如有異常情況，任何人可向指揮和行車司機發(fā)出停止信號。

第七，當行車吊缸行走時，行車下嚴禁有人走動。

八、改造后效果評價

通過汽輪機通流部分升級改造，增加單臺機組運行出力10MW，且確保長期低負荷工況安全運行目標，提高機組運行的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。

第一，汽輪機通流改造后，機組熱（下轉(zhuǎn)第160頁）（上接第103頁）耗率降低300kJ/kWh，按照單機年發(fā)電量19.5億kWh計算，年節(jié)省標煤1578t（單價258元/t），年節(jié)約40萬元。

第二，單臺機組增發(fā)電量10MW，按照機組年運行260天計算，電價收益0.08元/kWh，單機多發(fā)電量收益499.2萬元。

以上合計收益539.2萬元/年，汽輪機通流部分改造經(jīng)濟效益明顯。

九、結(jié)語

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，人們對清潔、安全、高效能源需求不斷提升，為了滿足這一市場需求，火力發(fā)電企業(yè)應(yīng)積極推出更節(jié)能、更靈活、更高效的超臨界燃煤發(fā)電供熱機組。本文分析了350MW汽輪發(fā)電機組通流部分改造及實施效果，旨在使火力發(fā)電企業(yè)在市場上更具競爭力，為同行提供有益的參考。

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