汽輪機技術設計變更與實施方法研究

摘要：廣東粵電油頁巖發電項目電廠一期2×210MW循環流化床發電工程三大主機于2006年11月完成招標并簽訂技術協議，三大主機均由東方電氣集團中標。東方汽輪機有限公司在實施該項目過程中，對汽輪機部分技術參數作了變更調整，特別是對該機組的通流部分作了較大的設計變更，本文敘述了該項目汽輪機部分技術參數變更前、后的情況及機組通流部分設計變更后對汽輪機組的影響比較和我公司當時采取的技術措施及應對方法。

關鍵詞：汽輪機；技術設計；變更

前言

廣東粵電油頁巖發電項目電廠一期2×210MW循環流化床發電工程，是國家鼓勵扶持開發的綜合開發利用項目，該工程是礦電聯營項目，屬坑口電廠。三大主機均由東方電氣集團中標。東方汽輪機有限公司在實施該項目過程中，為保證對投標時該機組技術指標經濟性、可靠性及交貨期的承諾，東方汽輪機有限公司經充分研究考慮之后，對原投標汽輪機部分技術參數作了變更調整，特別是對該機組的通流部分作了較大的設計變更。該型號機組是東方汽輪機有限公司為我公司設計的第一臺210MW高中壓合缸且具備中壓缸啟動功能的機組，雖然東方汽輪機有限公司是一個特大型的國有企業，且技術力量雄厚，對200MW等級汽輪機組來說技術也是很成熟的，但本著對雙方負責任的態度，我公司對該項目汽輪機技術的設計變更方案采取了相應的措施及應對方法。

1.汽輪機設計變更說明及匯總

東方汽輪機有限公司為保證對廣東粵電油頁巖發電項目機組經濟性、可靠性和交貨期的承諾，經充分研究考慮后對原投標機組熱力、通流等部分進行了設計變更，變更后的通流設計降低了分缸壓力，提高了機組的經濟性，并提高了高中壓模塊的通用性，可縮短設計制造周期。其調整后的技術數據變化匯總如下：

1.1通流級數

經設計變更后，高壓缸、中壓缸及低壓缸的通流級數分別調整為（見表1）：

經通流設計變更后高壓缸效率提高0.4%、中壓缸效率提高0.58%、低壓缸效率降低0.34%。但總體缸效率是提高了（見表2）。

經通流設計變更后，總體上各級抽汽參數變化不大，各加熱器均能滿足變更后的參數要求（見表3）。

1.2通流調整后各工況熱耗比較

由表4可看出，經通流設計調整后，THA工況熱耗維持不變，但T-MCR、VWO工況熱耗均有改善，特別是TRL工況熱耗下降了9k J/kW.h，對機組的經濟性運行是有利的。

1.3軸系設計方案簡介

根據該機組的總體設計方案：高中壓缸采用合缸結構的全新設計，低壓缸參考東方汽輪機有限公司200MW機組的成熟低壓模塊進行改進設計。以下為該機組軸系簡圖及計算結果：

1.3.1機組軸系簡圖

1.3.2計算結果

（1）臨界轉速

從表5及表6可以看出，通流設計變更后，軸系各階臨界轉速依然能滿足設計規范避開率-10%～+15%（2700 rpm ～3450rpm）的區間，是能夠滿足機組的安全穩定運行要求的。

（2）軸承形式

通流設計變更后，為保證機組的安全穩定運行，1#～4#的軸瓦形式不變，但1#軸承的軸頸由φ300mm調整為φ360mm，這樣更有利機組的安全穩定運行。

（3）軸承比壓

通流設計變更后，由于1#軸承的直徑有調整，1#軸承的軸頸由φ300mm調整為φ360mm，為保證各軸承的安全穩定運行，各軸承比壓的調整仍能滿足可傾瓦為0.6～1.6，橢圓瓦1.0～1.8的比壓設計規范，是能夠滿足機組安全穩定運行的（軸承比壓數據見表7）。

1.3.3計算結果分析

計算結果表明：①軸承是沿用300MW機組的軸承及成熟的軸承技術，負載裕度大，抗擾性好，能滿足機組各工況的安全運行。②機組軸系臨界轉速滿足-10%～+15%的避開率要求，軸系的臨界轉速分布合理。③該方案的軸系動力特性與東方汽輪機有限公司的成熟機組一致，軸系靜動特性良好，能夠滿足機組各工況下的安全穩定運行，是能夠達到當時投標的技術要求的。

1.4末級長葉片說明

1.4.1東方末級長葉片設計程序

根據工程需要，首先選擇某只有良好運行業績的葉片型線為母型進行模化設計，以保證良好的氣動特性，并采用CFD方法進行驗證。然后初步確定動葉片結構型式，采用有限元進行強度、振動分析。 強度、振動、氣動的數值分析必須滿足設計要求。首臺葉片生產出來后，必須在廠內做動調頻試驗，以確定圍帶最終車削量。

1.4.2低壓末級動葉片由原762mm改為800mm

低壓末級動葉片由原762mm改為800mm的原因：

（1）采用762mm葉片，排汽速度為239m/s；而采用800mm葉片，排汽速度為220m/s，所以改為800mm葉片排汽損失更低。

（2）800mm葉片是東方汽輪機有限公司在新引進的856mm葉片型線的基礎上模化設計而來，其具有更優良的汽動性能。

（3）800mm葉片其結構是采用當今行業最廣泛采用的自帶冠加阻尼拉金凸臺結構，葉根采用大剛度的5叉葉根，所以其安全性更高。其材料為1Cr12Ni2W1Mo1V（即300MW機組851mm末葉的材料）。

以上分析結果表明，通流設計變更后，機組的低壓末級動葉片由原762mm葉片改為800mm葉片，既能保證機組的安全穩定運行，又能提高機組的經濟性，與原投標設計相比較，對機組的安全經濟更有利。

1.4.3 800mm葉片型線來源

800mm葉片是東方汽輪機有限公司在新引進的856mm葉片型線的基礎上模化設計而來，其具有優良的氣動性能；856mm葉片是日立公司最新一代300MW機組末級動葉，該機組在來賓電廠已安全投運幾年了。

1.4.4 800mm葉片結構

800mm葉片其結構是采用當今行業最廣泛采用的自帶冠加阻尼拉金凸臺結構，葉根采用大剛度的5叉葉根，該葉根與東汽公司投運多年的老800mm葉片（拱型圍帶）的葉根一樣，而這兩只葉片離心力相當，所以葉根安全得以保證。防水蝕措施是東汽公司非常成熟的高頻淬火，其具有良好的防水蝕效果。

1.4.5 800mm葉片強度振動計算結果

由表8及表9可知，800 mm動葉片各部分的靜強度合格，各部分的應力水平均滿足設計規范，其技術數據是可以滿足機組安全運行的。該葉片的設計結構決定了其振動特性為阻尼成圈特性，東汽公司按“三重點”理論進行考核。并在廠內做動調頻試驗，合格后方可出廠。

1.5中低壓分缸壓力

由表2-10可知，通流設計變更后，中低壓分缸壓力降為0.266MPa，該壓力與三缸200MW機組的中低壓分缸壓力一致，因此可以大部分借用有大量成功運行業績的三缸200MW機組的低壓缸缸體結構，這樣既可保證低壓缸的安全可靠性，又可縮短設計制造周期，并可減少機組安裝檢修的工作量，這樣，對機組以后的檢修維護更方便有利。

凝汽器由單殼體改為雙殼體（即一個凝汽器改為兩個凝汽器，冷卻面積相同），可半側運行便于凝汽器清理及檢修。凝汽器與低壓缸剛性連接，彈性支承。機組基架采用有幾十年傳統的鑄鐵基架，吸振性好、安全可靠性有充分的保證。

2.采取的措施及應對方法

由于東方汽輪機有限公司是在中標簽訂汽輪機技術協議后對該機組原投標設計方案進行設計變更的。該機組是東方汽輪機有限公司為粵電油頁巖發電公司設計的第一臺210MW高中壓合缸且具備中壓缸啟動功能的機組，還沒有運行業績，為了慎重起見，并本著對雙方公司負責任的態度，粵電油頁巖發電公司對該項目汽輪機技術設計變更方案采取了相應的措施及應對方法。

2.1開評審會

我公司組織召開了廣東粵電油頁巖發電項目210MW汽輪機設計變更評審會。 鑒于東方汽輪機有限公司對汽輪機設備原中標方案進行了設計更改，會議要求該公司對210MW汽輪機設計更改方案進行了介紹，更改內容包括通流部分級數的調整（高壓缸由I+8級改為I+9級，中壓缸由7級改為8級，低壓缸由2x6級改為2x5級），中、低壓分缸壓力變化及低壓缸由雙層缸改為單層缸、凝汽器由單殼體改為雙殼體、末級葉片由762mm葉片改為800mm葉片。東方汽輪機有限公司對上述變更內容的原因與目的進行了闡述，并對與會專家及人員提出的相關問題進行了解答。

2.1.1與會專家提出相關問題

與會專家對東方汽輪機有限公司的汽輪機設計變更方案進行了認真細致的審查，特別是對投標時和變更后有變化的技術數據進行了推敲研究，并對有疑問的技術數據，要求東方汽輪機有限公司解答。專家組要求東方汽輪機有限公司就以下問題作出說明及解答。

（1）210MW汽輪機設計變更的目的和技術路線。

（2）800mm末級葉片與原設計的762mm末級葉片余速損失的比較、800mm葉片模化設計的原則和方法，其模化母型856mm葉片的使用業績。

（3）通流部分熱力設計改變后各抽、排汽口參數的變化及對熱力系統的影響。

（4）低壓缸由雙層缸改為單層缸、凝汽器由單殼體改為雙殼體的說明。

（5）改動后軸系臨界轉速及轉子強度變化的情況等。

東方汽輪機有限公司對以上問題在本文的第2部分“汽輪機設計變更說明及匯總”中都作了詳細說明及解答。

2.1.2專家評審意見

經過與會專家認真細致的審查，專家組一致認為：

（1）210MW汽輪機設計變更方案，機組THA工況熱耗率不變，其它工況的熱耗率有所降低，對經濟性是有利的。

（2）機組軸系的穩定性、安全性均在相關設計規范要求的范圍之內，可以保證機組的安全穩定運行。

（3）采用800mm末級葉片技術上是可行的，東方汽輪機有限公司在動調頻試驗結束后提供關于800mm末級葉片振動特性計算分析、坎貝爾圖及相關試驗驗證數據。

（4）東方汽輪機有限公司提供210MW汽輪機設計方案改動后對熱力系統、轉子、軸系、凝汽器及輔機系統等影響的書面說明，并及時與鍋爐廠和設計院等相關單位進行溝通和協調。

2.2評審結果

最后，與會專家一致認為，東方汽輪機有限公司提出的210MW汽輪機設計變更方案，技術上是可行的，可以保證參與投標的210MW汽輪機組的經濟性及安全性。

3.結論

本文在參閱了大量文獻資料的基礎上，綜合分析了東方汽輪機有限公司在實施廣東粵電油頁巖發電項目過程中，在中標簽訂汽輪機技術協議后對該機組原投標設計方案進行的設計變更，進行了分析比較，主要是從經濟性和安全性對其設計方案進行分析，通過分析比較，肯定了變更后的設計方案，突出了變更后的設計方案能滿足機組的安全經濟穩定運行，能達到原投標方案的技術要求，甚至優于原投標設計方案，為廣東粵電油頁巖發電公司最終與東方汽輪機有限公司重新簽訂汽輪機設備技術協議打好了堅實的基礎。

參考文獻：

[1]東方汽輪機有限責任公司.廣東粵電油頁巖發電項目一期2×210MW循環流化床發電工程汽輪機設備投標文件.東方汽輪機有限責任公司，2006年11月.

[2]東方汽輪機有限責任公司.油頁巖項目汽機變動說明及匯總.東方汽輪機有限責任公司，2007年3月.

[3]張廷峰.汽輪機改造技術.北京：中國電力出版社，2006年3月.

作者簡介：吳桂年（1967-），男，廣東茂名人，工程師，熱能動力工程，本科畢業，主要從事發電廠的運行及電廠籌建的設備技術的管理。