淺論長周期服役小型汽輪機組節能降耗改造及效果

譚波 等

摘要：資源綜合利用、熱電聯產為主的小型機組在長周期運行后，整體效率下降，熱耗增加，利用現有設計理念、方法對汽輪機通流部分進行優化改造是提高機組效率、降低煤耗的有力措施之一。本文介紹了長周期服役小型汽輪機優化改造思路、方法及改造效果，可為國內同類型機組的改造和試驗提供借鑒。

關鍵詞：長周期服役 小型汽輪機組 節能改造

鑒于在緩和供電矛盾、改善生活環境、降低生產成本、提高資源利用率等方面的優勢，及受熱負荷大小和供熱經濟半徑限制，以資源綜合利用、熱電聯產為主的小型機組在節能降耗方面的作用仍具有不可替代的優勢。但大部分機組由于多年運行，整體效率降低，運行能耗遠遠偏離設計值。能耗增大不僅提高運行成本，壓縮企業利潤空間，而且導致“三廢”排放量增大，這在環保要求越來越高，且力度仍不斷增強的今天，已對企業的生存構成威脅。因此，長周期服役小型汽輪機的節能降耗改造已勢在必行，而汽輪機通流部分的優化改造是提高機組效率、降低煤耗的有力措施之一。

1 改造可行性

由于建立時間較早，電廠部分機型是我國50年代最早設計的機型，通流部分設計多基于一維、準二維或二維設計，存在葉柵型線落后、各級焓降分配不合理等問題，在投運若干年后，隨著老化其性能逐漸下降變差無法避免。盡管后來做過一些局部改動，但整體效率仍然非常低，在實際運行中常常很難達到設計指標，很多已超過5.5 kg/kWh，甚至更高，機組總體內效率僅為75%左右，因此機組存在提高效率的很大空間。同時，隨著計算機運算速度的提高和CFD三維流場求解精度的完善，已能成功模擬汽輪機葉柵內部邊界層分離、回流、動靜葉排相互干涉流動等復雜的流動現象，[1，2]且已步入工程應用與實施的新型葉型不斷增多。這為尋找現有汽機主要能量損失點，合理分配級間焓降，提高機組性能成為可能。

2 葉片優化改造

眾所周知，汽輪機內部流場非常復雜，由于旋轉失速、喘振、葉片排間的相互干擾等現象存在，使在三維葉柵總損失中占有很大比例的二次流動就不可避免，其產生的根本原因是端壁附面層和葉片附面層里的不平衡的壓力梯度場。為了減小二次流損失，只要削弱上述二種因素中的任一因素，就能取得成效，借助當今高度發展的計算機技術，人們提出了可控渦設計、新型葉型、邊界層控制等方法。[3]

另外，根據不同葉型各自的特點，不同葉型在不同場合可相輔相成，有效降低能量損耗。如雖然葉型的后加載性能差，型線和二次流損失較大時，若靜、動葉型均采用后加載性較強的葉型，則可利用高的后加載性使葉片表面的邊界層的流態絕大部分處于層流狀態，從而減小型線損失。而且由于端壁處葉片表面的壓力分布的強后加載性，減輕了端壁橫向二次流的強度，減小了端壁二次流損失。為了使動葉片排的相對柵距沿徑向變化均勻一些，各截面均處在最佳相對柵距范圍內，同時保持葉型的壓力分布曲線具有較好的后加載性，以便于整個葉柵獲得良好的氣動性能，還可通過計算改變動出氣角沿徑向分布規律，使其靜葉出氣角的徑向變化的趨勢更強烈些，也就是說靜葉片反扭的更厲害些，從而實現它們沿徑向分布更均勻些，以利于各級靜、動葉片的設計，減小二次流損失。

本次優化改造采用新型葉型法，葉型主要為后加載葉型、層流葉型。后加載葉型主要是讓汽流加速區集中在葉柵出口附近，使得整個葉柵通道內的平均汽流速度降低，減少了邊界層損失，同時，葉柵流道前段壓力面與吸力面的壓差和橫向壓力梯度較小，推遲了根、頂部端壁二次流的生成和發展，降低了二次流損失。層流葉型是在后加載葉型的基礎上開發出的新一代葉型，克服了后加載葉柵易引起流動分離的缺點。其主要是通過控制葉型表面邊界層從層流態向紊流態的轉捩點，減小葉型損失。

從降耗效果、投入資金對比分析后，確定優化改造主要內容為：調節級噴嘴采用層流葉型、子午收縮和全三維優化，轉向導葉環葉片更換為新一代后加載型靜葉，復速級一、二列葉片全三維技術設計更換。優化后，葉柵吸力面內伸斜激波的強度及喉部附近的壓力突跳明顯降低，減小了激波損失，另外，吸力面進口曲率變得連續，消除了葉柵吸力面進口處壓力的突跳，有利于降低葉型損失。

3 汽封更換

汽封裝置密封性能的優劣對葉輪機械性能有相當大的影響。[4]電廠改造汽輪機組汽封原采用梳齒式汽封，漏汽現象的存在導致機組經濟性較差。熱耗值較高。分析認為，梳齒式汽封是利用節流效應、熱力學交換效應、磨阻效應起到密封作用，這就要求汽封齒尖越尖越好、齒數越多越好、汽封與轉子的間隙越小越好。前二者受加工工藝、空間位置等因素影響在現實中很難達到完全理想的效果，當汽封與轉子的間隙越小時，汽封齒尖與轉子發生碰磨的幾率增加，碰磨在高速轉動下產生很高的熱量使齒尖磨損降低密封效果，而且齒越尖越容易被破壞，使得機組在運行一段時間后，漏汽量增加，熱耗值增高。

現有新型汽封較多，無論是哪種新型汽封，均能達到較好效果，對于電廠小型中溫中壓汽輪機組，本著間隙可調、安裝方便、不會出現掉臺和被拉彎的現象的考慮，本次改造采用了蜂窩式汽封。

4 改造效果

汽輪機流通部分改造后：在純凝工況下的汽耗率由5.51kg/kWh降低為4.74kg/kWh；額定工況下的汽耗率由5.7kg/kWh降低為5.33kg/kWh；內效率由改造前的73%提高到89%。按此測算，汽輪機節能優化后，在純凝工況下，單臺汽輪機年降低新蒸汽耗量27720噸以上，節約標準煤2848噸左右。年可減少SO2生成量40.11噸，NOx生成量14.05噸，有效減少了廢氣排放。

5 結論

①改造結果表明，汽輪機通流部分優化改造可大幅降低汽輪機組熱耗率、提高機組效率，減少廢氣排放，是長周期服役小型汽輪機節能降耗有效措施之一。

②機組改造應根據自身設備實際情況，查找能量損失點，利用現有優化軟件優化改造方案是實現效益最大化的有效途徑之一。

③汽輪機組改造后的性能雖然與設計值相比還有差距，但已達到資金投入與產出的最大化。

參考文獻：

[1]隋永楓，孫義岡，葉鐘，等.汽輪機葉片改型及三維氣動優化設計[J].熱力透平，2011，40（1）：28-32.

[2]謝永慧，藍吉兵，樊濤.透平級三維粘性非定常流動及氣流激振力研究[J].中國電機工程學報，2008，28（5）：78-83.

[3]林奇燕.透平級葉柵流動性能分析[D].哈爾濱工程大學，2007.

[4]蔡虎，朱斌，蔣洪德，等.汽封泄漏流動對透平葉片級通道主流影響的數值研究[J].工熱物理學報，2001，22（3）：290-293.

作者簡介：譚波（1973-），男，山東萊蕪人，專工，碩士研究生學歷，現在山東華聚能源有限公司興隆莊礦電廠安技室工作，主要從事熱動力設備技術工作。