汽輪機通流優化改造經濟性分析

劉 闊

（國電電力大同有限公司， 山西 大同 037043）

0 引言

汽輪機是熱電廠中最重要的設備，在工作過程中主要以蒸汽為介質，將蒸汽的高溫熱能轉換為機械能，進而實現供電的一種裝置。在汽輪機的運行當中，通流部分的運行質量與整個電廠機組運行的可靠性有著直接的聯系。但就目前而言，汽輪機通流部分效率低已經成為火電廠高耗能的主要因素之一，這也與我國節能減排的可持續發展理念背道而馳[1]，針對此種情況。各熱電廠應當加強對汽輪機通流部分的研究，針對該部分進行高效改造，以此來改善熱電廠高耗能的情況，這對整個社會的發展也有著積極的意義。

1 問題的提出

某熱電廠所應用的2 號汽輪機組現今已經工作近十余年，葉片線性、通流結構等設計均較為落后，與現代化汽輪機設計方式存在著較大的差距，這也使整個熱電廠汽輪機組的高、中、低壓缸通流效率相對較低，這也對汽輪機組的熱耗方面有著直接的影響。針對此種情況，傳統的調整汽封間隙、更換汽封等措施已經不能滿足汽輪機組的節能降耗改造需求。因此，本文以當前最新的設計理念為基礎，對機組進行優化改造，以此來提高汽輪機組的運行效率，降低機組發電煤耗，實現熱電廠經濟效益的提升。

2 汽輪機通流優化改造方案

2.1 葉片部分優化設計

2.1.1 確定氣動形式

現階段，汽輪機在設計過程中主要有兩種形式，分別為沖動式和反動式，前者是蒸汽在靜葉片氣道中膨脹，在動葉片氣道中膨脹量相對較少；后者是蒸汽在靜葉片氣道和動葉片氣道當中均有膨脹。某熱電廠300 MW 機組為沖動式葉片形式，該種葉片形式下動葉片與靜葉片葉型不一致，這也導致該機組的損耗率相對較大。除此之外，相比較反動式機組葉片形式而言，沖動式葉型進汽邊小圓直徑較小，這也導致其攻角適應范圍較小，從而使機組在運行過程中效率較低。經過多方面分析研究發現，目前國內外汽輪機制造生產廠商在大型汽輪機組的設計上均采用了反動式設計，特別是在300 MW 及以上的汽輪機組設計，反動式設計方案的優勢更加明顯，而300 MW 容量以內的汽輪機組為了降低隔板汽封出以及平衡鼓處的泄露常采用沖動式設計。因此，為了改變某熱電廠汽輪機效率低的問題，本文選用的葉片氣動形式為反動式通流設計。

2.1.2 葉片氣道型線優化

本次優化設計采用CFX-TASCflow 軟件對機組不同缸體內的流場進行分析，同時利用CATIA 軟件對葉片進行建模，在葉片建模當中，根據反動式通流原理，采用多級小焓降、高效后加載葉型，葉片葉型模型如圖1 所示。該種葉型相比較傳統葉型不僅具有更好的氣動性能，而且在二次流損失方面有著較強的優勢。

圖1 葉片葉型模型

在模型建立完成后，利用ANSYS CFX 軟件對葉片模型進行氣動模擬，在模擬過程中確定靜葉片的進口總壓力和總溫度，并且確定動葉片出口壓力。經過模擬分析可以得出優化前后不同葉片表面的流線，如圖2 所示。

圖2 優化前后靜葉片表面的流線模擬

經過對圖2 的分析發現，相比較傳統葉片，優化后的靜葉片二次流損失更小。這也表明優化后的葉片損失更小，更符合提高汽輪機組運行效率需求。

2.2 靜葉柵優化設計

經過對某熱電廠汽輪機組拆解發現，原隔板主要為焊接結構，隔板厚度較大，這也使靜葉柵在設計時葉片級數相對較少，進而對動葉片產生較大的激振力。并且熱處理工序是在靜葉柵的隔板焊接完成后進行的，此種方式下容易導致靜葉片變形。針對此種情況，本次優化將原焊接式隔板更換為裝配式隔板，連接處采用榫卯結構，此種方式下不僅能夠有效提高靜葉柵的精度，同時也能夠降低隔板厚度，增加葉片級數。除此之外，該種裝配方式在后續維護保養過程中容易維修，如果靜葉柵中部分葉片出現故障，則可以單獨進行更換。

2.3 汽封優化設計

提高汽輪機組高、中、低壓缸體效率的首要方式便是汽封地改造，以此來降低汽封漏氣量，具體而言應當盡可能縮小汽封片與其他部分的間隙。經過測量發現，某熱電廠汽輪機組高中壓汽封部分的間隙為0.75 mm，并且該汽封片硬度較高，在運行過程中出現過因汽封片與轉子碰磨而導致出現損傷的情況。因此本次優化設計主要是選取一種硬度適中，能夠縮小汽封片間隙，同時在碰磨過程中不會對轉子產生影響的汽封片。根據高壓轉子材料和低壓轉子材料而言，本次汽封片采用2Cr12NiMo1W1V 材料作為汽封片主材，經過高轉速試驗研究發現，該種材料在碰磨過程中并不會對轉子本體產生影響，而且不會與轉子的高速摩擦而發生粘連。該材料所制成的汽封片在安裝完成后經過測量，高中壓流通間隙能夠達到0.3 mm以內，能夠有效降低漏氣損失量。

3 汽輪機通流優化改造經濟性

3.1 汽輪機性能分析

本次試驗目的是判斷改造后的機組性能是否滿足某熱電廠熱電廠相關規定。此次通流改造時間為2#汽輪機組年度大修時間，由于本次大修改造內容相對較多，因此所需要的時間相對較長，具體為2020年6 月1 日—2020 年6 月30 日。2#汽輪機組的測試是在XXMW 工況下進行的，所測得的試驗數據共計四組，在測試過程中分別測量高、中、低壓缸的效能。在實際測量過程中，共設置有113 個測量點，其中包含有60 個溫度測量點（測量設備：Pt100 熱電阻）、38個壓力測量點（測量設備：Rosemount3051 型變送器）、8 個水位測量點（測量設備：雙色水位計）、6 個流量測量點（測量設備：流量孔板進）以及1 個電氣測量點（測量設備：三相電功率表）。經過對試驗數據分析可知，高壓、中壓、低壓缸的通流效率試驗數值如表1所示。

表1 高、中、低壓缸通流效率試驗情況

由表1 可知，經過改造后，2 號汽輪機組在額定工況下高壓、中壓、低壓缸的通流效率均有不同程度地上升，其中低壓缸通流效率上升3.39%，由此可見，2 號汽輪機組在改造完成后具有良好的效果，對提高汽輪機組的運行效率有著重要的研究意義。

3.2 經濟性分析

據某熱電廠2020 年2 號汽輪機組的實測數據研究分析，發現其熱耗約為8 288 kJ/（kW·h），用電量占全廠電量的6.4%，供電標煤耗為329.71 g/（kW·h）。在本次汽輪機通流改造完成后，能耗有了極大的下降。經過對2021 年改造后的汽輪機組數據監測發現，其熱耗值約為7 904 kJ/（kW·h），能耗量降低約4.63%，標煤消耗量相比較改造前降低了13.1 g/（kW·h），降低幅度為4.63%。經過對改造前后2 號汽輪機經濟指標分析發現，具體指標如表2 所示。

表2 改造前后主要經濟指標情況

由表2 可知，改造前后機組每年的運行時間均為6 000 h，根據我國《關于開展燃煤電廠綜合升級改造工作的通知》[2]文件可知，燃煤電廠發電降耗的年節能量=機組運行時間×額定發電能力×（1- 廠內用電率）×改造前后供電標準煤耗差值，將上述數據代入其中能夠得出23 737 t。2020 年標煤價格約為835 元/t，經過計算改造后汽輪機組每年能夠節約成本835 元/t×23 737 t≈1 982 萬元。由此可見，改造方案在實施后具有良好的經濟效益。

4 結論

1）對某熱電廠2 號汽輪機組的問題進行剖析，由于該機組葉片線性、通流結構等設計不完善，導致機組高、中、低壓缸通流效率相對較低，供電煤耗較高。

2）對葉片、靜葉柵、汽封進行優化改造，其中葉片氣動形式為反動式通流設計；靜葉柵優化改造工作是將原焊接式隔板更換為裝配式隔板；汽封優化改造是將2Cr12NiMo1W1V 材料作為汽封片主材。

3）對某電廠2 號汽輪機組改造后的性能和經濟性進行分析，其中改造完成后2 號機組的高壓、中壓、低壓缸的通流效率均有不同程度的上升；從經濟角度分析，改造后2 號機組每年供電標煤消耗能夠降低23 737 t，能夠為電廠節約1 982 萬元成本。