采用引進技術的600 MW超臨界機組汽輪機通流改造

顧揚彪，何志瞧

（浙江浙能蘭溪發電有限責任公司，浙江 蘭溪 321100）

采用引進技術的600 MW超臨界機組汽輪機通流改造

顧揚彪，何志瞧

（浙江浙能蘭溪發電有限責任公司，浙江 蘭溪 321100）

某國產600 MW超臨界機組汽輪機存在熱耗偏高、低壓第五級葉片易斷裂、高中壓內缸變形等問題，該汽輪機采用國外先進設計制造技術實施了通流改造，通過介紹改造的特點，從熱耗、缸溫、結構、末級葉片適應性等方面綜合分析了改造效果，表明機組通過通流改造在經濟性、可靠性獲得了提高的同時，由于改造的局限性也存在部分不足，并提出了優化措施。

超臨界；通流改造；特點；效果分析

0 引言

某國產600 MW超臨界機組汽輪機投產于2006年12月，為單軸、三缸四排汽、超臨界、凝汽式汽輪機，型號為N600-24.2/566/566，設計背壓5.5 kPa，末級葉片高1 016 mm。該型汽輪機為引進日立技術設計制造，與西門子、阿爾斯通等先進機組相比，普遍存在著運行效率偏低的問題。THA工況性能考核試驗得出的汽輪發電機組熱耗率較大地偏離了設計值，分析認為該型汽輪機的高、中、低壓缸效率都無法滿足設計要求，也達不到其它同類型汽輪機的先進效率水平；除此之外汽輪機還存在高中壓內缸變形、第五級葉片斷裂、三抽溫度偏低等問題。

為進一步挖掘機組節能降耗潛力，提高機組經濟性和環保性，在2014年作為國內首次，引進國外先進技術對超臨界汽輪機進行了通流改造，配合鍋爐、發電機、主變壓器等主/輔設備的擴容改造，對機組進行擴容，額定工況下熱耗達到7 628 kJ/kWh，大幅提升了機組效率及經濟性，有效降低了發電煤耗和污染物的排放，體現了高回報的企業經濟效益和良好的社會效益。

1 機組存在的問題

1.1 經濟性不佳

2006年該汽輪機投產后，性能考核試驗結果和設計值的對比如表1所示；各缸缸效均比設計值低，尤其實際低壓缸缸效比設計值偏低較多，綜合高、中、低壓三缸偏差，影響整機效率的總和為2.79%，這與機組試驗修正后熱耗率與合同保證值的偏差幅度基本吻合。由此可知，導致汽輪機實際運行性能偏離于設計值的主要原因在于汽輪機高、中、低壓缸通流效率的偏低。2014年3月，對該汽輪機進行了熱力性能試驗，結果顯示修正后熱耗為7 855 kJ/kWh，可見汽輪機運行多年后，與設計值存在更大偏差。

1.2 存在葉片斷裂隱患

同類型汽輪機曾發生低壓第五級動葉斷裂事故[4]，該機組第五級動葉也發現葉片斷裂、裂紋、頁頂圍帶脫落等現象。分析認為：機組長期處于變負荷運行，同時該級對應八抽，抽汽導致不穩定流動，誘導汽流激振，該激振頻率與葉片組的軸向或扭振頻率發生共振，產生高動應力，超過設計許用動應力；同時長期運行的葉片表面產生腐蝕斑，葉片材料疲勞強度大幅降低，形成應力腐蝕疲勞源；幾個因素的長期作用導致了葉片產生裂紋，從而最終斷裂。

表1 汽輪機投產時性能與設計值對比

1.3 高、中壓內缸中分面變形

2008年機組首次大修，合缸檢查中分面，發現自由狀態下最大間隙3.05 mm，冷緊后最大間隙2.35 mm。該問題在此類型汽輪機中普遍存在，是影響汽輪機安全運行的隱患。在檢修時發現，由于內缸變形，對缸內部件對中、通流間隙調整工作造成困難，難以保證安裝質量，進而影響到運行效率。同時，運行中高、中壓內缸內外壁溫差大，三抽溫度較設計值低，主要原因為：高排汽流通過內外缸夾層流向中壓缸，導致高排冷汽流冷卻了內缸外壁溫，內外壁溫差大，使得高、中壓內缸中分面產生變形；夾層冷氣流最終流向三抽，又導致三抽溫度偏低。原汽輪機設計內缸定位環與外缸定位槽配合也起到密封作用，但金屬環與金屬槽配合，嚴密性差；大修中曾在該定位環處增加盤根，由于盤根安裝時總會存在斷點，密封面不連續，增加盤根的效果并不理想。

2 改造內容

優選國際先進的技術進行改造，保留汽輪機外缸，汽輪機軸系、轉子跨度尺寸不變，回熱系統配置、參數不變，在節約投資資金的同時，最大程度地提效、降耗，并進行擴容。

高、中壓缸保留沖動式設計，高壓由8級增加至10級，中壓保持6級；調節級后設置混合區，確保汽流均勻進入第二級；改造后的通流設計優化了葉片的節園直徑，增大了頂部/底部半徑的比值，葉片更長，效率更高；動葉采用先進的葉型，整體圍帶，在葉片頂部形成平滑的喇叭形流道，此外也易于在葉頂采用迷宮式汽封。高壓和中壓的噴嘴大而寬，可降低固體微粒沖蝕；采用整體式圍帶，消除了鉚接圍帶可能發生的固體微粒沖蝕。高壓隔板采用了具有先進的三維型線的靜葉，靜葉具有整體加工的根部和頂部圍帶，圍帶被焊進隔板內外環；中壓通流設計結合了自帶圍帶的靜葉和裝在單獨圍帶中的二維型線靜葉。

低壓缸采用RS37T末級葉片（37英寸帶鰭），由原來的7級更改為8級，改造后采用焊接式空心轉子。除了低壓末級動葉，其它葉片都是具有整體圍帶的全三維設計，運行時可緊密形成剛性的葉片組。除末兩級外的其它動葉被安裝在轉子周向的葉根槽內，葉根槽為成熟的雙T型設計，末兩級葉根采用從軸向安裝的縱樹型。所有的靜葉和動葉（除了末兩級靜葉）采用12%～13%的鉻合金加工而成，該合金具有極好的抗水蝕性。低壓缸末級動葉進汽邊外緣采用感應硬化處理，整個表面采用噴丸處理來進一步提高其防水蝕、防應力開裂的特性和抗腐蝕疲勞強度。

原轉子端部汽封保留，高、中壓隔板及過橋汽封采用了縮放式汽封，與最常見的背部彈簧式汽封不同，縮放式汽封彈簧周向布置在汽封塊上，如圖1所示；該汽封塊在啟動階段由周向安裝的彈簧保持在張開狀態，隨著機組負荷上升，汽封塊背部受壓克服彈簧所形成的張力，使汽封塊閉合，既保證了啟動的安全性，又保障了正常運行的經濟性。在高壓隔壁汽封塊進汽邊同時設計有阻汽齒塊，阻止汽渦流，起到防止汽流激振的作用，如圖2所示。

圖1 縮放式汽封彈簧布置

3 改造結果

3.1 汽輪機性能

圖2 氣封進汽阻汽齒布置

汽輪機改造前后的參數對比如表2所示，可見改造后機組經濟性得以大幅提高，改造后熱耗達到了設計值，相比改造前大幅下降，改造收益高。值得注意的是中壓缸缸效比設計值偏低約1.8%，主要原因是外缸中排口及中低連通管90°彎管后壓損偏高，導致測得的中排壓力比實際的中壓缸末級排汽壓力偏低，比四抽壓力低約2.5%，若采用四抽壓力代替中排壓力進行計算，則中壓缸效率能夠達到設計水平。同時，改造后過橋汽封漏汽量比改造前降低了約12 t/h，這有利于提高整機的循環效率，但會使測得的中壓缸效率有所降低，因此認為改造后中壓缸效率與改造前相比基本一致。低壓缸缸效基本達到了設計值，原機組最近的一次考核試驗測得的低壓缸效率為86.7%，運行幾年后通流改造前的低壓缸效率在86%左右，因此認為改造后低壓缸缸效有了大幅提升。同時末級采用RS37T短葉片，較改造前40英寸葉片更能適應低負荷工況。 改造后VWO工況修正后流量為2 038 t/h，超過了設計通流能力2%，在設計加工誤差范圍內，實際通流正偏差有助于機組容量和供熱量提升，這符合既要考慮低負荷經濟性又要考慮增容的預期；與原汽輪機投產時實測的2 046 t/h相比，反而稍有降低，體現出改造后汽輪機循環效率提高，無需過大的通流面積。

表2 汽輪機改造前后各參數情況

3.2 高中壓內缸變形問題處理

本次改造在定位環處設計了一道周向密封圈，依靠彈簧將密封圈向外頂出形成密封面，如圖3所示；但如表3中3號機數據所示，改造后內外壁溫差及三抽溫度問題無改善。

圖3 該汽輪機定位環處密封結構

表3 2臺汽輪機改造前后高、中壓內缸溫度數據℃

分析原因認為：該汽輪機改造所實施的改造方案在設計密封圈時考慮了中壓缸啟動因素，密封圈密封方向為中壓缸進汽時形成密封，因此在高壓缸進汽后，密封圈外圈受高壓排汽壓抵消彈簧力內推，外圈密封效果差，導致夾層漏汽；從而該汽輪機內外比溫差大問題未有效得到解決。

由于定位環密封圈密封方向存在問題，因此需對該密封圈方向進行改變，如圖4所示，當高壓缸進汽時，密封圈內圈受高排壓力與彈簧力形成合力，密封效果較佳；同時在高壓側隔熱環和中壓側隔熱環處各增加1道類似密封圈，減少夾層漏汽，后續機組經優化改造后目前內外壁溫差為30℃左右，三抽溫度與設計溫度基本一致（見表3的4號機數據）。

3.3 低壓動葉安全性

通過改造，更換了低壓動葉，徹底解決了原來汽輪機第五級葉片斷裂的風險。改造后采用的RS37T末級動葉，由RS37U葉型改進而來，該RS37T葉型在國內的應用未見相關報道。

圖4 后續機組定位環處密封結構

本次通流改造后，改造廠家在該汽輪機上進行了BVM（末級葉片振動測試）試驗，試驗結果顯示末級葉片在低負荷低真空時顫振較大；改造前排汽壓力保護全程為 25.3 kPa，改造后根據BVM試驗結果，對排汽壓力要求更為嚴格，跳機值為12 kPa，要求遠遠高于原汽輪機的25.3 kPa，這對于某些南方內陸發電廠夏季的可靠運行造成較大風險。

可設定變曲線（如圖5所示）的排汽壓力邏輯保護，正常運行區段中高負荷時保護壓力定值高，啟動時初負荷保護壓力定值低，同時投入后缸減溫水控制排汽溫度；由于啟動階段過程短，也避開了正常運行階段，相應風險較小，因此通過變曲線方式提高機組的可靠性。

圖5 排汽壓力保護曲線

3.4 機組啟動優化

改造后汽輪機為1 300 r/min中速暖機，暖機結束條件為內下缸壁溫達到300℃，相比原暖機結束條件低，暖機時間節省約2 h。改造前，汽輪機做超速試驗前需進行25%～30%負荷暖機，改造后轉子可以直接進行超速試驗，無需二次并網，節約了啟動時間及低負荷較高的燃煤消耗。

3.5 機組檢修調試改進

改造后，低壓轉子平衡孔布置在輪轂上，在外缸軸承處打開手孔即可進行平衡塊加裝，作業人員無需進入低壓缸內部，無需搭設腳手架作業，安全性及效率得到提高，減少了動平衡作業時間。

改造前轉子聯軸器雙頭剛性螺栓拉伸設置，過盈配合，在拆裝過程中螺栓很容易因咬死造成拆裝困難，嚴重時可能造成對輪螺栓空拉毛；對輪連接螺栓緊力控制難掌控，需長時間調整對輪同心度。改造后對輪螺栓采用錐形銅套螺栓，利用液壓拉伸器控制緊力，對輪連接效率大幅提高。

3.6 其他思考

汽輪機改造后經濟性、可靠性均得到了提高，也解決了原汽輪機潛在的部份問題，但仍有可再提升的空間，主要為：

（1）汽輪機改造后采用“2+1+1”的順序閥方式，調節級分4段，分別有4個噴嘴-調門組控制進汽，4組噴嘴組面積較為接近；由于汽輪機通流較大，在較低負荷運行時，兩閥節流運行，節流損失較大。可在設計時，優化各段噴嘴組面積分配，將先進汽的2個噴嘴組面積設計為較小，在順序閥方式下，“兩閥點”開度較大，同時可提高主汽壓力，提高運行經濟性。

（2）本次汽輪機通流改造中壓缸改造級數未變，一方面出于投資經濟性目的，保留了原中壓末三級隔板套，中壓缸優化的潛力未充分挖掘；另一方面，高中壓外缸未更換，中排壓損偏大這一普遍問題依然存在，影響了中壓缸效的提升[5]；后續可進一步優化中壓缸及中排的改造方案，核算投資及技術經濟比，盡最大努力提升通流改造效果。

4 結論

在國家提倡節能減排的大環境背景下，該汽輪機作為首臺600 MW超臨界汽輪機通過應用國外先進的通流改造技術，對汽輪機高、中、低壓缸通流實施優化改造，達到了節能降耗的目的。

（1）通過通流改造，汽輪機各項性能數據均達到既定目標，考核熱耗水平低于7 630 kJ/kWh，達到先進水平，經濟及環保收益顯著，符合國家綠色發展的理念。

（2）通過通流改造，解決了原機組高、中壓內缸變形、三抽溫度低、低壓葉片易斷裂等安全性問題，優化了調試、啟動流程。

（3）通過定位環密封圈優化和高、中壓兩側隔熱環密封圈增加措施，解決了該汽輪機改造后遺留的內外壁溫差依然偏大問題。

（4）末級采用了RS37T短葉片，能更適應汽輪機在高背壓、低負荷工況下經濟性差的普遍狀況，在當前煤機發電利用小時數大幅下降情況下，經濟性更加突出；但是該葉型在低負荷高真空情況下動葉顫振較大，可通過優化背壓保護曲線進行解決。

（5）汽輪機改造通流設計時未考慮實際運行的情況，需要根據高壓調節閥的布置，合理設計調節級噴嘴面積分配，提高后續運行優化的潛力。

[1]吳桐，李昕，黃揆.國產亞臨界600 MW汽輪機組通流改造技術方案介紹[J].機械工程師，2014（4）∶228-229.

[2]張豐.盤山電廠600 MW亞臨界機組通流改造[J].能源與節能，2013（9）∶91-93.

[3]蘇猛業.平圩600 MW汽輪機通流改造實施方案[J].電力設備，2006，7（6）∶69-73.

[4]張勇海，肖俊峰，谷偉偉，等.600 MW機組汽輪機低壓第5級動葉片斷裂故障分析[J].熱力發電，2013，42（11）∶130-133.

[5]孫永平，包勁松，許立敏.600 MW汽輪機中排壓損及五、六級抽汽溫度偏高的試驗與分析[J].浙江電力，2008，27（5）∶30-32.

（本文編輯：徐 晗）

Throughflow Retrofit of 600 MW Supercritical Steam Turbine Based on Imported Technology

GU Yangbiao，HE Zhiqiao

（Zhejiang Zheneng Lanxi Power Generation Co.，Ltd.，Lanxi Zhejiang 321100，China）

∶For higher heat consumption，the breakable low-pressure fifth-stage blade，high-and-medium pressure cylinder deformation of a China-made 600 MW supercritical steam turbine，throughflow retrofit is implemented based on imported design and manufacturing technology.By introducing retrofit characteristics，the paper analyzes the effect in respect to heat consumption，cylinder temperature，structure and adaptability of last blade stage.After the retrofit，economy and reliability of the steam turbine are improved；meanwhile，there are shortcomings due to the limitations ofthe retrofit.The paper also presents some optimization measures.

∶supercritical；throughflow retrofit；feature；effect analysis

.201704011

1007-1881（2017）04-0045-04

：TK262

：B

2016-11-29

顧揚彪（1981），男，工程師，從事火力發電廠汽機設備管理工作。