典型300 MW亞臨界機組沖動式汽輪機反動式改造

曾亞鵬，劉暉明，趙呂順

(1.貴溪發電有限責任公司，江西貴溪 335400；2.北京全四維動力科技有限公司，北京 100095)

汽輪機是發電機組的核心設備，隨著汽輪機設計技術的發展[1-2]，其熱力性能得到顯著提升。國產亞臨界300 MW沖動式機組在國內市場存量約300臺，目前機組熱耗為8 150～8 250 kJ/(kW·h)。根據《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》，在役機組供電煤耗應在310 g/(kW·h)以下。目前，針對傳統的沖動式汽輪機改造實施后[3]，機組實際熱耗為7 900～7 950 kJ/(kW·h)，而同等級的反動式機組改造后，機組實際熱耗為7 850～7 885 kJ/(kW·h)，反動式機組性能指標普遍優于沖動式機組。同時，國內外各汽輪機制造廠商在大容量新機組的設計上，已逐漸體現出采用反動式設計的趨勢。

筆者分析了某國產300 MW亞臨界機組沖動式汽輪機采用反動式技術提效改造的可行性和優勢，并介紹了具體工程案例的應用。

1 沖動式汽輪機概況

該機組汽輪機為一次中間再熱、兩缸兩排汽、凝汽式汽輪機，型號為N300-16.7/537/537。汽輪機的汽缸剖面圖見圖1，高壓缸和中壓缸采用合缸結構；低壓缸為對置分流、雙層低壓缸。高壓缸通流部分為Ⅰ個單列調節級+8個壓力級，采用整體內缸結構，隔板直接裝在高壓內缸上；中壓缸通流部分為6個壓力級，分別裝在2個隔板套上；低壓缸通流部分為每缸有6個壓力級，隔板裝在低壓內缸上，低壓內外缸為鋼板焊接結構。機組有8級回熱，包括3臺高壓加熱器、1臺除氧器和4臺低壓加熱器。該汽輪機為目前國內在役的較為典型的沖動式汽輪機。

圖1 原設計的汽輪機剖面

2 汽輪機設計技術比較

根據汽輪機設計，目前有沖動式和反動式[4]，沖動式和反動式汽輪機的技術比較見表1。同類型反動式汽輪機的綜合性能優于沖動式，經過對國內多臺300 MW、600 MW等級亞臨界汽輪機的實際設計和運行數據進行收集整理，得到采用2種汽輪機技術的熱耗相差50 kJ/(kW·h)左右。

表1 沖動式與反動式汽輪機的技術比較

3 通流改造技術比較

3.1 經濟性

從提高汽輪機級效率、缸內效率及整機效率的角度出發，采用多級、小焓降的通流設計是有效的技術手段。沖動式設計的通流級數普遍偏少，限制了機組效率的提升，因此加級是通流部分提效改造的主要手段。沖動式和反動式改造在通流部分均可加級，針對該汽輪機，分別對采用沖動式技術和反動式技術所能達到最大加級數情況進行對比(在分缸壓力不變的前提下)，具體見表2。

表2 通流級數對比

由表2可得：采用反動式技術進行改造后，通流級數的加級幅度最大，與原設計相比，級數增加50%以上。根據汽輪機設計原理，通流級數越多，級內損失占整級的比越小，級效率越高；同時，由于多級的重熱系數提高，缸效率提高。因此，采用反動式技術進行改造后的效率和熱耗普遍優于采用沖動式技術。

3.2 安全性

改造后保留原設計高中壓外缸，即缸內軸向總長度固定，因此加級主要受限于隔板、動葉片、葉輪等核心動靜部件的軸向尺寸。反動式改造的主要難點是轉子質量的增加和平衡活塞的設置。經精心設計和反復核算，將轉子質量增幅控制在10%以內，并且通過合理調整軸向通流，留出了平衡活塞的布置空間。

沖動式和反動式設計的隔板結構形式有明顯區別(見圖2)，由于沖動式設計的隔板寬度、葉輪寬度均大于反動式設計，因此采用沖動式設計可增加的通流總級數少；如果在沖動式設計的基礎上進一步增加通流級數，應減小動靜部件的軸向尺寸，但會造成隔板撓度增大、葉輪強度降低，對汽輪機核心部件的安全性造成影響。

圖2 隔板結構形式

此外，沖動式和反動式設計的葉輪結構形式也有明顯不同(見圖3)，沖動式設計為降低隔板汽封漏汽，采用輪盤轉子結構，其在高溫運行時，熱穩定性和軸系剛性不足；反動式設計普遍采用輪轂轉子結構，轉子的應力水平和軸系剛性都更加優異。轉子結構決定了采用反動式設計進行改造的機組(尤其是采用高中壓合缸的機組)軸系的啟停抗振動特性和抗汽流激振能力更好，機組的安全性和可靠性也更高。

圖3 葉輪結構形式

由于反動式設計靜葉的焓降小、壓差小，因此在相同設計條件下，各壓力級的結構強度高，在增加通流級數、縮小各級軸向尺寸的情況下，反動式設計核心動靜部件的安全性優于沖動式。

3.3 工藝性

對于轉子主軸、動葉片等轉動部件，沖動式和反動式設計在制造及安裝的工藝性并沒有本質上的區別。但是對于靜葉片及隔板，由于其與轉動部件在結構形式上存在本質差異，導致2種技術在靜部件的制造、裝配及現場安裝調整的工藝性上存在不同(見圖4及圖5)。

圖4 制造工藝

圖5 安裝工藝

沖動式設計隔板采用靜葉片與內外環焊接的加工工藝，因此焊前預熱、焊接及焊后熱處理等熱工藝不可缺少，在整個工藝流程中的熱變形和熱殘余應力難以徹底消除，進而影響對隔板通流面積的控制精度。反動式設計靜葉采用單個靜葉片與持環和內缸冷態裝配的制造工藝，可精確控制隔板喉部尺寸和環形面積，且安裝前后均不存在變形。

此外，由于反動式設計的靜葉片直接裝配于內缸或持環上，內缸和靜葉片可在制造廠內安裝完成后整體發運，現場施工時只需要確定內缸和隔板套中心即可；而對于沖動式設計的隔板，加工完成后需要逐級發運，并在現場逐級安裝，行車起吊和調整確定中心的工作量較大。機組在運行過車中，靜葉片出現局部損傷時，反動式設計只需要更換損傷葉片，而沖動式設計隔板只能更換整體，因此反動式技術制造與安裝的工藝性優于沖動式。

3.4 穩定性

反動式設計中采用多級小焓降設計，級數較原設計機組有大幅增加。因此，各級焓降較小、反動度增加(靜葉焓降減小)，反動式設計級蒸汽流速較沖動式設計有大幅降低，汽流對轉子穩定性的影響大幅減小。

反動式轉子為輪轂結構，總體剛性好，運行過程中動偏心小，周向汽封間隙均勻，可以有效防止汽流激振，增強機組運行的穩定性。與沖動式設計機組相比，反動式設計機組在啟停過程和運行階段，均有良好的抗振動特性。

4 改造案列

對該300 MW亞臨界沖動式汽輪機進行反動式改造，改造更換范圍見圖6(深色部分為改造范圍)。

圖6 改造部件示意圖

改造過程保留了高中壓外缸和低壓外缸，對缸內的部件進行了全面改造。高中壓部分在通流級數布置上，采用多級小焓降的設計理念，由原設計機組的高壓Ⅰ+8級、中壓6級調整為高壓Ⅰ+14級、中壓11級，并且優化了各級的焓降分配和葉高、根徑等參數。

高壓內缸為整體式內缸，噴嘴室、一抽腔室與缸體進行一體化鑄造，設置平衡活塞平衡高中壓轉子推力，對高壓內缸排汽側缸體型線進行優化設計，保證高壓末級的高效排汽。中壓缸持環也采用了優化的排汽型線，保證中壓缸末級的高效排汽。

低壓部分同樣優化了級數和通流部分結構參數，最大限度地挖掘了原設計中低壓缸的潛能，通流級數由原設計機組的2×6級調整為2×8級。低壓內缸為整體式內缸，并采用五段抽汽和六段抽汽對稱抽汽的設計結構，相比于改造前的低壓內缸，降低了各腔室的溫度梯度和應力水平，很好地控制了內缸運行后的變形程度，解決了抽汽超溫的問題。原設計機組經過反動式改造后，整機熱耗大幅下降，各缸效率明顯提升。在汽輪機閥門全開工況下，高壓缸效率為88.8%；在汽輪機額定負荷工況下，高壓缸效率為87.6%，中壓缸效率為93.4%(過橋汽封漏汽質量分數為0.82%)，低壓缸效率為89.5%，整機熱耗達到同類型機組的先進水平。此外，原機組外缸保留，軸向設計空間有限，通過結構優化，合理設置平衡活塞，實現了對整機軸向推力的平衡控制。

5 結語

目前，在國內的300 MW等級機組全通流改造工程中，很少有將原沖動式機組改為全反動式結構的案例，筆者通過對該型國產沖動式機組進行反動式改造的工程實施，豐富了300 MW及以上等級沖動式機組的改造技術路線，為常規沖動式機組采用反動式設計提供了新的探索思路及成熟可靠的技術研究方向，為挖潛機組性能和提高改造效果提供了理論設計參考和工程應用經驗。