某發(fā)電機組凝汽沖動式汽輪機通流部分技術(shù)改造經(jīng)濟性分析

神華神東電力山西河曲發(fā)電有限公司 馮小剛

近年來，由于現(xiàn)代熱力學(xué)的深度研究和工程流體力學(xué)理論的實用創(chuàng)新，結(jié)合計算機模型計算技術(shù)的高速發(fā)展和完善，復(fù)雜工業(yè)零部件熱傳導(dǎo)和流體計算領(lǐng)域的三維設(shè)計和制造技術(shù)趨于成熟，尤其在高級燃機、汽機部件設(shè)計與制造方面得到了廣泛研究和應(yīng)用。同時，隨著國內(nèi)高端精密加工工藝和設(shè)備的進步和升級，國產(chǎn)汽輪機、燃機部件的設(shè)計和制造工藝及質(zhì)量大為提高，也使得原來熱傳導(dǎo)理論研究和設(shè)計模型的工業(yè)化應(yīng)用成為現(xiàn)實，如在理論熱力計算和流場改造模型理論的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)現(xiàn)役汽輪機按其理論設(shè)計理念進行異種改造成為現(xiàn)實。鑒于汽輪機通流部分的改造一般建立在其原有熱力計算基礎(chǔ)上的要求，通過加持先進技術(shù)更有效地提高其出力可靠性和降低改造費用，同時降低自身生產(chǎn)能耗的改造方案和技術(shù)將獲得大力發(fā)展，并趨于成熟可靠。

某發(fā)電有限公司4號發(fā)電機組采用哈爾濱汽輪機廠20世紀九十年代初技術(shù)設(shè)計和制造的汽輪機，型號為N55-8.83/535凝汽沖動式。受該機組設(shè)計制造時代工業(yè)制造水平的限制，實際生產(chǎn)運行中其熱耗率達不到設(shè)計值9448kJ/(kWh)，經(jīng)機組多次大修技術(shù)改進和調(diào)整依然得不到提升。以其歷史最成功的2007年改造為例，其熱力試驗報告顯示熱耗率為9949kJ/(kWh)。該機組汽輪機通流節(jié)能改造已成為該發(fā)電公司亟待解決的現(xiàn)實難題。經(jīng)過多方考察和論證，該機組最終采用北京全三維動力工程有限公司先進的全三維模型設(shè)計和改造技術(shù)，結(jié)合先進的高精度加工工藝對汽輪機通流部分和打孔抽汽進行再次改造。改造后通過熱力試驗和負荷驗證，機組額定出力增加5MW并提高了其熱電聯(lián)產(chǎn)靈活性能，較大提高了機組整體經(jīng)濟性、安全可靠性和參與深度調(diào)峰的特性。

1 項目改造的技術(shù)先進性

1.1 機組改造原則和目標

機組改造以安全可靠性為第一原則和目標。改造方案、設(shè)計和制造、檢驗標準必須符合現(xiàn)行行業(yè)標準和國家標準，達到技術(shù)可靠、工藝先進、結(jié)構(gòu)部件安全可靠等；項目改造范圍內(nèi)設(shè)備壽命不減，范圍外設(shè)備壽命無不良影響為必須條件。要求改造范圍內(nèi)的設(shè)備壽命在改造后經(jīng)評估須不低于30年，范圍外整機設(shè)備壽命須無不良影響；改造技術(shù)指標嚴格控制在設(shè)計范圍內(nèi)。將純凝汽式汽輪機通過改造須可靠適應(yīng)熱電聯(lián)產(chǎn)，且確保機組負荷穩(wěn)定55MW值時抽汽壓力達到1.2MPa，抽汽量達到35T/h，熱電比達到54.5%的性能指標。

1.2 葉片采用全新一代“后加載”式高效靜葉型

葉片表面的最大氣動負荷點變?yōu)槿~柵流道后部（傳統(tǒng)葉片設(shè)計在前部）；葉片流型改良為雙面高階連續(xù)光滑曲線面，即吸力面和壓力面均由高階連續(xù)光滑曲線構(gòu)成；改良葉片流型，提高葉柵低損失特性。即新型葉片前緣為小圓半徑，具有更好的流型，使得來流攻角大范圍調(diào)整和變化時仍能保持葉柵低損失；優(yōu)化葉片流型，降低尾緣損失。即葉片設(shè)計和制造尾緣為小圓半徑，達到減少尾緣損失的目的；提高葉片最大厚度，增強剛性指標[1-2]。

通過建立計算機三維流體和傳熱模型，計算新老葉型及其表面速度分布的比較表明，“后加載”葉型在來流方向攻角±30°的變化區(qū)間內(nèi)均可保持其低損失性能，而改造前老葉型的這一區(qū)間值僅約為±20°，也證明在通流改造后負荷變化區(qū)間增大時仍具有較高的換熱和流通效率，即提高了機組調(diào)峰范圍和適用特性。

1.3 改造采用彎扭聯(lián)合式全三維成型靜葉柵

研究和大量改造案例表明，彎扭聯(lián)合式全三維成型靜葉柵是目前汽輪機先進改造技術(shù)的研究熱點和集中體現(xiàn)，且通過大量理論研究與實踐證明該工藝和技術(shù)可使汽輪機級的熱效率和通流效率提高1.5～2%[2-3]。通過大量計算和實踐證明，彎扭葉柵總損失比傳統(tǒng)直（扭）葉柵下降達25%。

1.4 其他相關(guān)改造

高壓級改造采用高壓隔板分流。機組改造前靜葉柵高壓靜葉采用窄葉片加強筋型結(jié)構(gòu)，靜葉片葉柵損失較大，其原因主要為加強筋的型線與葉型匹配度較低，且受限于加工工藝水平較低，加強筋的制造工藝粗糙且與葉型對齊尺寸偏差較大。本文所述項目改造采用分流式葉柵結(jié)合新進的高精度加工工藝，使得葉柵損失大幅度降低。文獻表明，由機械部上海成套所和電力部西安熱工研究院對分流式葉柵進行實驗研究和計算，高壓級分流葉柵可使高壓缸效率提高至4%以上[3-4]。

調(diào)節(jié)級改造采用子午面收縮靜葉柵。子午面收縮型靜葉柵具有降低靜葉柵通道前段負荷、減少葉柵二次流損失等優(yōu)點。由于調(diào)節(jié)級靜葉柵相對葉長高度較短（一般設(shè)計制造值L/b≤0.4），導(dǎo)致靜葉柵二次流的損失占葉柵總損失的比例較大，實驗和實踐證明因調(diào)節(jié)級采用子午面收縮靜葉柵對提高高壓缸效率十分重要和可觀，可使得調(diào)節(jié)級效率提高達1.7%[2-3]；動葉采用自帶圍帶整圈聯(lián)接方式。機組舊葉片頂部圍帶采用鉚接聯(lián)接方式，振動應(yīng)力較大且存在鉚接應(yīng)力集中，安全可靠性較低。文章改造方案采用葉片與頂部圍帶設(shè)計制造整體式，且采用預(yù)扭裝配工藝將動葉片形成整圈聯(lián)接的整體結(jié)構(gòu)方式，較大程度降低或消除動葉片的振動和應(yīng)力，具有更高的高速轉(zhuǎn)動安全可靠性。

優(yōu)化通流子午面光順度提高流通效率。機組舊通流子午面受設(shè)計和加工精度的限制，呈現(xiàn)較為明顯的階梯狀，通流面局部微渦流現(xiàn)象嚴重，限制通流效率和增大局部振動值。本技改通過建模計算和精度加工，設(shè)計優(yōu)化各流道，使得動葉片自帶圍帶的內(nèi)側(cè)按流道形狀設(shè)計制造成圓錐面，同時動葉片根部及相鄰靜葉片根部與頂部也設(shè)計制造成圓錐面，從而使得通流部分的子午面匹配嚴密，整體流通面光潔順滑無階梯擾流，較大程度上提高流動效率。

通過計算和優(yōu)化汽封齒數(shù)。通過流場計算，優(yōu)化增加整體式自帶圍帶動葉片頂部外圓的汽封齒數(shù)量，以最大程度減少葉頂?shù)穆┢麚p失；優(yōu)化取消動葉片調(diào)頻拉筋。新型自帶圍帶整圈聯(lián)接型動葉片的機構(gòu)特點使得其具有優(yōu)良的抗振動特性，通過理論驗證和實驗表征，完全取消舊機組用于調(diào)頻用的動葉片拉筋，同時也避免了由于拉筋造成的繞流阻力和通流損失。研究表明，取消一條拉筋可提高級效率1%[4]。

2 改造后經(jīng)濟性分析與結(jié)論

本項目機組通流部分改造后即并網(wǎng)發(fā)電，運行情況良好，實現(xiàn)56MW負荷條件下連續(xù)運行，抽汽量連續(xù)達到20T/h，各項參數(shù)指標均在設(shè)計范圍內(nèi)且汽輪機振動值降低，各軸承垂直振動值均在0.025mm優(yōu)秀范圍內(nèi)。按照ANSI/ASMEPTC6.0-1976《汽輪機性能試驗法規(guī)》的標準條件，項目改造后由國內(nèi)某電力試驗研究院對該汽輪機進行熱力特性試驗。試驗結(jié)果表明，機組在額定工況下（3VWO）汽輪機通流部分效率提高至89.3%，經(jīng)過計算修正后的熱耗率平均值達到9085kJ/(kWh)，相比改造前降低864KJ/(kWh)，熱效率提高比例達到8.68%，計算單位發(fā)電量降低消耗折合標準煤30g/(kWh)。

以該機組年運行時數(shù)按6000h計算，年均消耗標準煤節(jié)約9900t，以標準煤單價按1000元/噸計算年均可節(jié)約折合標準煤燃料費約990萬元人民幣。同時機組實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的抽汽供熱，抽汽供熱量穩(wěn)定均值達到20T/h，按年均供熱時長2000h計算，供熱每噸蒸汽利潤按15元計算，該機組年均可增加收益60萬元。按以上兩項經(jīng)濟指標計算，該機組通流改造后每年可實現(xiàn)利潤增收1050萬元，具有巨大的直接經(jīng)濟效益和間接社會效益。

結(jié)論：某電力有限公司4號機組裝配為型號N55-8.83/535凝汽沖動式汽輪機，通過通流部分技術(shù)改造解決了機組本身的振動大、通流效率低下等缺陷，并實現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)，并在穩(wěn)定供熱狀態(tài)下實現(xiàn)節(jié)能降耗標煤30g/(kWh)左右，帶來巨大的直接節(jié)能減排經(jīng)濟效益，同時通過供熱聯(lián)產(chǎn)改善了當(dāng)?shù)厣罟釛l件，也解決了當(dāng)?shù)毓I(yè)用汽的直接困難，且助力當(dāng)?shù)厣洗髩盒〉墓?jié)能減排政策，淘汰一批高能耗高排放小型工業(yè)鍋爐，產(chǎn)生較為客觀的社會效益。此次改造成功為國內(nèi)同類型機組通過通流改造達到節(jié)能降耗和減排目標提供了經(jīng)驗，也為現(xiàn)行環(huán)保政策下火力發(fā)電小機組通過靈活性改造尋求生存和發(fā)展機遇提供可供參考的理論和實踐經(jīng)驗。