上汽K156機型低壓通流與排汽流道優(yōu)化改造

吳正平

摘 要：馬鞍山萬能達發(fā)電有限責任公司4號汽輪機組為上海汽輪機廠生產(chǎn)的K156型機組，針對原機組存在的熱耗高、缸效低、低壓內(nèi)缸變形等問題，從低壓缸通流性能優(yōu)化與排汽流道優(yōu)化兩個主要方面進行整體設計研發(fā)和實施，消除原機組存在的各種缺陷，大幅降低機組的熱耗率、供電煤耗率，顯著提高機組的運行經(jīng)濟性和安全性。

關(guān)鍵詞：汽輪機組；通流性能優(yōu)化；排汽流道優(yōu)化；經(jīng)濟性和安全性

前言

為響應國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略號召，各發(fā)電企業(yè)對現(xiàn)有投運機組的通流改造已經(jīng)成為一種趨勢。現(xiàn)代化的通流技術(shù)研發(fā)和改造可以有效提高機組的效率、出力，大幅降低機組的熱耗、煤耗，為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益和社會效益[1]-[3]。

1 原機組問題及改造背景

安徽馬鞍山萬能達發(fā)電有限責任公司4號機組為上海汽輪機有限公司生產(chǎn)的N300-16.7/538/538型K156機組，該機型的高中壓通流結(jié)構(gòu)相比之前的H156等機型進行了優(yōu)化改進，但低壓部分未作充分優(yōu)化。改造前馬鞍山4號機組存在以下主要問題：機組熱耗偏高，THA工況下熱耗8196.07kJ/kW·h，低壓缸缸效較設計值偏低約3.5%；機組后續(xù)計劃的抽汽供熱改造使得發(fā)電機功率下降，對低壓缸影響較大，需要對低壓通流部分進行綜合研究和優(yōu)化設計。

此外，機組還面臨著嚴峻的節(jié)能減排壓力，4號機組目前的供電煤耗為325g/（kW·h），距離先進機組標準尚有很大差距。同時，4號機組機型（上汽K156）在國內(nèi)尚無通流系統(tǒng)優(yōu)化的先例，本項目實施后不但可以有效地節(jié)能降耗，還可以推動國內(nèi)同類型機組的技術(shù)進步。

2 改造范圍

4號機組通流改造保持現(xiàn)在的鍋爐進汽參數(shù)、熱力系統(tǒng)配置及高中壓缸不變，只對低壓缸進行優(yōu)化研究。

3 改造技術(shù)方案

3.1 通流光順

低壓所有動葉片均采用自帶圍帶整圈聯(lián)接，動葉圍帶加工為內(nèi)斜外平結(jié)構(gòu)，整個流道形狀按照考慮熱膨脹之后的工作狀態(tài)進行光順設計，減少通流部分子午面的流動損失，盡可能的利用排汽余速，提高通流效率。

3.2 葉片優(yōu)化設計

采用全三維造型的彎扭聯(lián)合成型葉片，控制反動度沿徑向的分布以減小二次流損失及沖角損失。同時對不同工作條件下的葉片進行多通道、多級聯(lián)算，合理匹配動靜葉片只數(shù)和動靜葉片型線，使動靜葉內(nèi)的流場匹配更加合理，達到級效率的最優(yōu)。優(yōu)化后的葉片型線主要特點如下：

3.2.1 成熟高效的葉片型線具有很小的葉型損失。

3.2.2 較大的葉片前緣設計使葉片對來流攻角變化不敏感，同時保證流道內(nèi)不發(fā)生流速激增和壓力畸變，葉片在較大攻角范圍內(nèi)（±25度）均具有較高的效率。

3.2.3 較薄的葉片尾緣減小了葉片的尾跡損失。

3.2.4 較大的葉片最大厚度增強了葉片的剛性。

3.2.5 較高的末級、次末級動葉根部反動度使葉片在小流量低負荷工況下不發(fā)生回流，減小流動損失和濕汽損失，有效防止動葉根部的水蝕。

上述特點使得汽輪機可以在較大的變工況運行范圍內(nèi)保持較高的效率，并且能夠降低動葉的激振力水平，提高機組的安全性。

3.3 高效可靠的末級動葉片

末級動葉片的性能對整機熱力性能及低壓缸效率有著直接顯著的影響。

3.3.1 為了保證在較寬的工況變化范圍內(nèi)保持較高的末級效率，末級葉片采用排汽面積更大、余速損失更小的958mm末級模塊，合理提高末級的根部反動度。并且，對末級靜葉輪轂面采用局部擴張的辦法來進行流線控制。低負荷時末葉片的根部沒有回流現(xiàn)象，可以避免較大的鼓風損失和出汽邊的水蝕現(xiàn)象。

3.3.2 末級葉片選用高性能的0Cr17Ni4Cu4Nb，抗水蝕性能好，內(nèi)阻尼大。末級動葉片進汽側(cè)上部釬焊整條司太立合金片以增強抗水蝕的能力。葉片圍帶為狗骨頭型，司太立合金片伸入圍帶，解決了司太立合金片易于在圍帶圓弧過渡處產(chǎn)生裂紋的難題。

3.4 防止內(nèi)漏的控制技術(shù)

3.4.1 靜子之間密封。在低壓隔板套軸向凸肩配合面處增加徑向密封圈，減少因密封面接觸變形引起的軸向蒸汽泄漏。

3.4.2 動靜之間密封。（1）將動靜葉片的干涉、葉根和葉頂汽封納入到葉片流場設計和分析中，對蒸汽泄漏進行控制；（2）動葉片采用自帶冠結(jié)構(gòu)，增加葉頂汽封齒數(shù)，動葉圍帶和轉(zhuǎn)子相關(guān)部位加工成凹凸臺結(jié)構(gòu)，配以多齒高低齒汽封圈；（3）低壓隔板采用低直徑隔板汽封以減少蒸汽泄漏；（4）先進汽封型式匹配，本項目低壓隔板汽封全部采用刷式汽封，低壓葉頂汽封采用多齒高低齒汽封，低壓軸封采用接觸式汽封和斜平齒汽封結(jié)合形式，高中壓進汽、高壓排汽側(cè)平衡活塞采用布萊登汽封和刷式汽封組合形式，可進一步減少漏汽損失。

3.5 隔板和隔板套結(jié)構(gòu)

3.5.1 除末兩級隔板外，低壓其余隔板均采用自帶冠靜葉裝配形式，避免焊接裝配引起的變形，可以更好控制隔板的通流面積。

3.5.2 隔板套。優(yōu)化隔板套法蘭中分面螺栓布置，螺栓數(shù)量及大小均有所增加；隔板套軸向較長，沿軸向方向隔板套前后均設置中分面支撐結(jié)構(gòu)，減小隔板套變形。

針對優(yōu)化后的中分面法蘭螺栓布置，采用三維建模及有限元數(shù)值模擬中分面密封性。隔板套內(nèi)各級不存在中分面級間漏汽，運行10000h后仍具有良好的密封性。

3.6 軸系

在軸系振動方面，采用專業(yè)的轉(zhuǎn)子動力學軟件SamcefRotor對轉(zhuǎn)子和軸系的臨界轉(zhuǎn)速、軸系穩(wěn)定性、不平衡質(zhì)量響應和啟動過程進行分析；對轉(zhuǎn)子的動平衡采用嚴格的質(zhì)量控制標準，把不平衡量降到最小。

3.7 排汽流道優(yōu)化

3.7.1 凝汽器喉部加裝合適角度的翼型導流板，既能起到很好的導流作用，又避免形成汽阻。試驗結(jié)果顯示，加裝導流裝置前后，管束間蒸汽分配比分別為35.29%、47.67%、17.04%和33.59%、43.01%、23.4%，通過加裝導流裝置，使得低壓缸排汽在凝汽器內(nèi)的分布趨于合理，提高凝汽器喉部出口斷面流速均勻性，有利于管束間熱負荷的均衡分配，從而提高凝汽器總體換熱效果。

3.7.2 抽汽管位置優(yōu)化。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對凝汽器喉部#5、#6抽汽管從高速區(qū)移位至低加旁低速區(qū)，進一步減小汽側(cè)阻力。

4 改造后效果和結(jié)論

機組改造后性能試驗驗證結(jié)果如下[4]：（1）TRL工況下修正后電功率為331.149MW，大于汽輪機銘牌功率330MW，機組出力滿足要求。（2）THA工況下修正后的整機熱耗為7918.218kJ/KW·h，低于保證值7930kJ/KW·h，相比改造前熱耗大幅降低。（3）330MW工況下修正后的供電煤耗為315.5g/kW·h，相比改造前降低約10g/kW·h。（4）修正后的低壓缸效率91.3%，大于保證值89%。（5）消除了低壓內(nèi)缸中分面變形，性能試驗驗證5段6段抽汽溫度接近設計值，無超溫現(xiàn)象。（6）高中壓缸平衡活塞漏汽率為1.716%，相比改造前大幅下降。

本項目的實施成功消除了機組改造前存在的缺陷和問題，大幅度地降低了機組的熱耗率、供電煤耗率，提高了缸效，延長了機組壽命，使得4號機組具有良好的變負荷性能和靈活的調(diào)峰運行能力。項目實施后的機組運行經(jīng)濟性顯著提高，同時也帶來了顯著的社會效益和環(huán)境效益。

參考文獻

[1]趙杰，朱立彤，付昶，等.300MW等級汽輪機通流部分改造綜述[J].熱力透平，2011，40（1）：39-42.

[2]洪昌少，段小云.國產(chǎn)引進型300MW汽輪機的通流改造[J].華電技術(shù)，2011，33（5）：47-50.

[3]沈永流，朱寶宇.國產(chǎn)引進型300MW汽輪機通流部分改造及效益分析[J].能源技術(shù)經(jīng)濟，2011，23（2）：36-39.

[4]荊濤，等.安徽萬能達馬鞍山發(fā)電公司4號機組低壓缸提效降耗改造性能試驗報告[R].西安熱工研究院有限公司，2016.