給水泵汽輪機高背壓供熱改造技術研究及應用

欒俊，蔣建平，高鵬

(1.華能濟南黃臺發電有限公司，濟南 250002；2.山東泓奧電力科技有限公司，濟南 250002)

給水泵汽輪機高背壓供熱改造技術研究及應用

欒俊1，蔣建平1，高鵬2

(1.華能濟南黃臺發電有限公司，濟南 250002；2.山東泓奧電力科技有限公司，濟南 250002)

針對330 MW機組的給水泵汽輪機高背壓供熱改造，提出了保證機組運行穩定性與經濟性的技術措施，對同類型機組的節能降耗具有一定的指導作用。

高背壓;供熱;給水泵汽輪機;熱力系統優化;穩定性

0 引言

高背壓供熱是指提高汽輪機排汽壓力從而提高循環水溫度用以供熱的技術，這也是響應國家“十三五”發展規劃的節能減排目標、滿足地區冬季供暖需求的一項重要措施。50 MW以下小型凝汽式汽輪機高背壓(即低真空度)供熱改造已有較多的成功案例[1]，150 MW等級汽輪機高背壓供熱改造第1臺機組是由華電十里泉電廠實施，300 MW等級汽輪機高背壓供熱改造首個項目是由華電青島發電廠實施[2]，近年來已有黃臺、裕華、清苑、大連等多個電廠開展了300 MW等級汽輪機的高背壓供熱改造。300 MW汽輪機高背壓供熱改造采用雙轉子互換技術，供熱季與非供熱季采用不同的低壓轉子，與之配套的給水泵汽輪機采用同一轉子適應2個極端工況，這樣就對給水泵汽輪機改造提出了更高的要求。

高背壓供熱改造后主機凝汽器壓力在冬季供熱時高達54 kPa，夏季僅為5 kPa，給水泵汽輪機排汽通過排汽接管進入主機凝汽器，其排汽壓力隨主機凝汽器背壓變化。給水泵汽輪機排汽容積流量在冬季與夏季相差達5倍，末級處于“阻塞”和“脫流”狀態之間，排汽溫度的變化對軸系也有較大的影響。由于給水泵汽輪機采用雙汽源保證運行穩定[3]，汽源切換方式也是高背壓供熱改造需重點考慮的內容。為保證給水泵汽輪機高背壓供熱改造的穩定性與效率，需要從軸系、葉片設計等方面進行綜合研究[4]。

華能濟南黃臺發電有限公司#8機組于2016年進行了高背壓供熱改造。改造后供熱期給水泵汽輪機排汽壓力升高到55.7 kPa，采用了最新的通流技術重新設計通流部分，以適應2個背壓工況的高效率運行需要及出力要求。

1 給水泵汽輪機改造前性能方面存在的問題

華能濟南黃臺發電有限公司#8機組配置的2臺給水泵汽輪機為上海汽輪機有限公司生產的ND(G)83/83/07型凝汽式汽輪機，該汽輪機設計成型年代早，葉片型線設計技術比較落后，通流葉型損失、二次流損失較大，同時汽輪機通流部分子午面光順程度較差，流動損失較大。本機原設計為匹配濕冷方式，最大運行背壓一般不大于15.0 kPa，當背壓升高到55.7 kPa時，受通流能力所限，無法滿足主機高背壓供熱條件下的額定出力。

2 給水泵汽輪機改造原則

為控制改造工作量和現場施工周期，維持系統穩定性，降低后期維護成本，在不影響運行安全和改造效果的前提下，盡可能利用原有的設備和結構，給水泵汽輪機的基礎、外缸、低壓進汽系統、排汽系統、軸承接口、輸出接口等原有設備均不做變動。

改造后的機組在非供熱期純凝工況和供熱期高背壓供熱工況均能安全、高效、長期運行，能夠匹配主機各種運行方式下給水泵的負荷要求。

3 給水泵汽輪機改造特點

非供熱期純凝工況和供熱期高背壓供熱工況下，給水泵汽輪機的最大出力基本一致，但由于高背壓供熱工況下排汽焓比純凝工況下要高240 kJ/kg左右，故在同樣進汽參數和給水泵汽輪機出力的條件下，高背壓供熱工況要求更大的進汽流量。

在壓力級設計上，高背壓供熱工況下排汽質量流量較純凝工況要增加50%左右，但由于對應排汽參數下純凝工況排汽比容為高背壓供熱工況下的7倍左右，故純凝工況下要求更大的排汽面積，如圖1所示。

圖1 壓力級改造后通流示意

在滿足匹配機組運行需求，不改變原機組汽缸結構的前提下，對內部通流進行了優化。

3.1 通流結構優化

根據最佳速比設計原則調整通流幾何尺寸，通過調整葉片高度和角度優化汽機通流。為了獲得更好的速比匹配，通過增加部分級的導流環或調整進汽邊圍帶長度來減少級間動靜間隙。

3.2 通流光順

高低壓所有動葉片均采用自帶圍帶整圈聯接結構，動葉圍帶設計為外斜內平結構，按流道形狀進行光順設計，動葉片根部及相鄰靜葉片根部與頂部也進行光順設計，使通流子午面形成幾何光滑的錐形膨脹通流截面，以減少流動損失。

3.3 動葉型線優化

改造后機組效率的提高主要是靠GE改進型SCHLICT葉片設計來實現的。前4級動葉使用SCHLICT系列的SC直葉型，其余長葉片選用SCHLICT系列的L-0和L-1型三維可控渦彎扭葉型，該葉型除了具有很小的葉型損失外，還具有很好的攻角適應性，葉型效率在很寬的攻角范圍內變化很小，因而使得機組在純凝工況、高背壓供熱工況下及很大的負荷變化范圍內都具有高效率。

動葉型線優化后，汽輪機可以在較大的變工況運行范圍內保持較高的效率，并且能夠降低動葉的激振力，提高機組的安全性。

3.4 分流葉柵

短葉片采用美國通用公司的A4C系列截面葉型，該葉型適應高雷諾數低膨脹比設計。改造后的短葉片級采用優化的分流葉柵技術，結構如圖2所示；同時，針對給水泵汽輪機復雜的變工況特性進行專門設計，合理選取大小葉片結合的方式和比例，既能增加隔板強度又能減少流動損失，且將變工況攻角損失控制在一定范圍內，從而提高機組的變工況效率。

圖2 短葉片級分流葉柵

3.5 彎扭葉片

長靜葉片采用GE的N系列低雷諾數大膨脹比的三維彎扭聯合成型葉片，能夠將壁面的氣流壓向中間的主流，從而有效減少二次流損失，提高級效率；同時進行了非定常優化，減少二次流損失，提高級效率。

3.6 蒸汽泄漏控制

將隔板汽封、葉頂汽封及平衡孔結構納入葉片流場設計和分析中，多通流部件、多蒸汽泄漏部件的流場分析如圖3所示，既保證最小的蒸汽泄漏量，又使得泄漏蒸汽對主流的干擾最小，保證通流效率。

圖3 多通流部件、多蒸汽泄漏部件的流場分析

3.7 定制化的噴嘴設計

給水泵汽輪機低壓進汽為提板式配汽，改造前各閥所對應的噴嘴組內葉柵采用相同的葉片型線，流量隨閥門開啟近似呈線性增加。在高背壓供熱與純凝運行工況下，進汽流量變化幅度極大。為保證高背壓工況輸出功率，在純凝工況下存在很大的節流損失和部分進汽損失，性能下降很大，對動葉片也產生復雜的蒸汽激振，嚴重影響了機組的安全運行。

若采用常規設計方法設計噴嘴結構，在純凝工況下閥門開度較小，部分進汽度也較小，調節級焓比下降很大，使得調節級效率下降；在高背壓運行工況，進汽量增加50%以上，調節級效率變化幅度也很大，不能保證高效率，同時調節級焓比下降的大幅度變化會導致動葉片所承受的蒸汽彎應力大幅度變化，影響動葉片的長時間安全運行。

本次改造的噴嘴葉柵根據各工況不同的蒸汽量，綜合考慮改造前蒸汽室隔筋的分布，分別設計各個進汽弧段的噴嘴葉柵葉片。按照不同工況對應的流量變化，調整葉片的出汽角，使得調節汽閥的節流壓力損失最小，并保證進汽弧段與葉片的光順連接，使得同一弧段的相鄰葉片形成收斂通道。

改造后的低壓噴嘴可同時兼顧純凝工況下的高效率與高背壓工況下的進汽量需求，通過各調節閥對應的不同進汽弧段上定制化設計的葉片來匹配不同運行工況下的通流能力，結構簡單且運行可靠。

3.8 高壓汽源的配置

考慮到低壓汽源所用的主機四段抽汽(中壓缸排汽)若出現蒸汽參數降低，或給水泵效率由于老化等原因在實際運行過程中較設計值出現明顯下降，所需蒸汽流量會有所增加。盡管低壓噴嘴的通流能力留有一定余量，但上述情況出現后，仍有可能在高背壓抽汽工況下出現機組出力不足的情況。為保證機組在極端情況下仍能滿足出力需求，增設了高壓進汽系統。

高壓汽源利用主機高壓缸排汽管路抽汽，經過高壓汽源主門和調門后，接入汽機下部原高壓蒸汽室，相當于增加了一路外切換補充汽源。同時將機組原鉆孔式高壓噴嘴改造為葉柵式噴嘴，既能提高高壓噴嘴的流通能力，也大幅提高了噴嘴的效率。

4 結束語

330 MW等級半容量給水泵汽輪機在進行高背壓通流改造后，泵組能夠在不做任何檢修和更換部件的情況下兼顧非供熱期純凝和供熱期高背壓供熱等工況的運行效率，項目改造后預期的節能和環保收益明顯，對同類型機組的節能降耗具有一定的指導作用。

[1]考芳. 小型凝汽式汽輪機低真空運行循環水供熱改造[J]. 山東電力技術, 2010, 37(3): 46-48.

[2]石德靜, 姜維軍. 300 MW汽輪機高背壓循環水供熱技術研究及應用[J]. 山東電力技術, 2015, 42(4):8-11.

[3]韓子俊. 300 MW機組給水泵汽輪機有關問題探討[J]. 熱力發電, 2005, 34(11):65-69, 95.

[4]張元林, 潘家成, 張健, 等. 超超臨界1 000 MW機組給水泵汽輪機開發設計[J]. 東方電氣評論, 2008, 22(2)13-20.

(本文責編：齊琳)

2016-12-19；

2017-01-12

TU 833

B

1674-1951(2017)03-0016-03

欒俊(1978—)，男，山東青島人，高級工程師，從事電廠節能技術、安全生產管理方面的工作(E-mail:13969009366@163.com)。

蔣建平(1961—)，男，山東廣饒人，從事電廠節能技術、安全生產管理方面的工作(E-mail:dzjjp@126.com)。

高鵬(1982—)，男，山東汶上人，從事電廠余熱節能技術研發方面的工作(E-mail:gaop@haoenergy.com)。