給水泵汽輪機寬負荷高效技術方案研究與應用

摘要：以某熱電廠的給水泵汽輪機寬負荷高效改造工程為例，介紹改造的內容和具體方案，包括對低壓調節閥、轉子、隔板、動葉片、噴嘴組、汽封圈等的改造。對改造后給水泵汽輪機進行熱力性能試驗，證明此次給水泵汽輪機寬負荷高效改造達到了改造的目的，改造措施對于提高給水泵汽輪機寬負荷高效靈活運行性能具有較高的實踐意義。

關鍵詞：給水泵；汽輪機；寬負荷；高效；改造

中圖分類號：TK262 " "文獻標志碼：A " "文章編號：1671-0797（2023）02-0082-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.02.023

0 " "引言

為了貫徹落實2020年煤電平均供電煤耗降至每千瓦時310 g標準煤以下的要求[1]，一些投產較早、煤耗較高的燃煤發電廠通過對老舊機組進行提效改造來實現節能減排、提高效益。某熱電廠主機為2×300 MW燃煤供熱機組，給水泵汽輪機為某廠設計生產的TGQ10/6-1型鍋爐給水泵汽輪機，銘牌出力10 MW。根據該廠2018年進行的給水泵汽輪機性能試驗，一號機組給水泵汽輪機300 MW工況下效率為68.242%，二號機組給水泵汽輪機300 MW工況下效率為72.85%，都低于當前先進水平。

1 " "改造目標和原則

1.1 " "改造目標

本項目計劃對機組給水泵汽輪機通流部分進行深度定制提效改造，結合用戶真實運行邊界，采用最新的通流技術重新優化通流設計，以提高給水泵汽輪機性能，實現小汽機安全穩定運行和寬負荷高效的目標。

1.2 " "改造原則

在不影響安全和改造效果的前提下，盡可能利用原有設備，減少改造工作量；采用先進的汽輪機改造技術進行本汽輪機的技術改造；改造后的機組實現改造目標，降低維護成本。小汽機外缸不變，小汽機與給水泵連接方式和位置、現有汽輪機基礎等不變；設計、制造、檢驗符合標準要求；在保持現有熱力系統以及汽輪機冷再、四抽抽汽能力前提下，通過對小汽機通流部分進行改造，達到提高汽輪機熱效率的目的。

2 " "改造技術方案

本次改造有兩個主要目標：一是改造后采暖期不使用高壓汽源，避免高壓汽源引入造成小汽機轉速波動；二是要求寬負荷高效，在供暖期和非采暖期小汽機均保持高效。所謂“高效寬負荷汽輪機”即變工況下依然具有較高的經濟性，汽輪機的經濟性主要體現在汽輪機缸效率，而缸效率的高低直接與蒸汽流過葉柵通道損失的大小相關，很多文獻都對減小葉柵的能量損失進行了大量而細致的研究。葉型載荷特性與其氣動性能密切相關，葉片載荷特性不同，流經葉柵轉捩點位置不同，對端部二次流的影響程度差異明顯，從而影響葉柵損失。同時，汽輪機末級焓降大、流動速度高，尤其是動葉通道內的超音速汽流，很容易形成強激波，帶來無法避免的激波損失。末級靜葉按照自適應性成型規律能夠影響動靜之間參數的大小及其沿徑向的分布規律，從而改變末級的流場特性，降低損失。

小汽輪機在變負荷運行時，因流量、轉速發生變化，各級速度三角形會偏離設計值，導致變負荷性能下降。為解決高效寬負荷運行問題，本次改造主要從兩方面入手：其一，全面分析小汽輪機所有運行工況，評估各個工況的運行時長及其對電廠整個機組的經濟性影響權重，最終合理選擇一個最優工況點作為設計工況，使變工況對性能的影響降到最小。其二，優化小汽輪機葉片設計，精心設計進汽攻角、反動度，使葉片自身的變工況性能較原設計得到大幅提升。

2.1 " "確定機組熱力邊界

根據改造要求和機組實際運行情況現場調研，得到給水泵汽輪機實際熱力邊界和出力需求如表1所示。

從表1可以看出，給水泵汽輪機在變工況運行時，四抽壓力隨著主機負荷降低而降低，疊加抽汽供熱影響，降低幅度更大，導致在40%～75%低負荷時，四抽參數降低明顯，比容增加較多，反而超過了THA工況的容積流量，這是本項目機組實際運行的重要特點。

2.2 " "改造方案技術特點

本次改造主要從機組實際運行邊界和需求出發，實現寬負荷高效運行，同時解決原機組存在的問題。

2.2.1 " "多級流場計算

為準確獲得小汽輪機在各個運行工況下的整機性能，本次改造進行了多級、變工況、全三維黏性流場求解，計算通過求解雷諾平均的Navier-Stokes方程得到，控制方程如下：

其中，湍流模型采用基于SST模型的κ-ω方程，并結合自動壁面函數處理方法，空間離散采用有限體積法，方程采用基于壓力與速度耦合關系的方法進行求解；相鄰兩排葉片通過混合平面模型實現上下游流動數據的傳遞。多級計算每排葉片通道網格點數約30萬。變工況時，根據機組熱力邊界改變汽輪機進口總溫、總壓，改變工作轉速和出口靜壓。

2.2.2 " "新型通流葉型優化

在小汽輪機變工況時，流量、焓降、轉速的變化將造成速度三角形改變，使葉片進口氣流角偏離設計值，進而造成較大的攻角損失，甚至在葉片內背弧發生流動分離。針對小汽輪機變工況的運行特點，本次改造以氣動性能較好的后加載葉型為母型，優化出具有良好攻角適應性的高效葉型，以滿足機組寬負荷高效運行的要求。

（1）攻角適應性分析：

攻角適應性主要由葉片進汽邊附近的造型決定。基于小汽輪機變工況條件，選取根、中、頂3個典型截面進行分析。圖1～圖3給出了3個典型截面攻角與葉型損失的關系，從圖中可以看出，攻角在±30°范圍內，損失系數變化基本不超過0.5%。根截面葉型在+30°攻角時損失系數開始增大，但增加值不超過1%。從整體來看，中截面變工況性能最好（損失系數變化不超過0.2%），而葉片通道葉展中部流量占比較高，這將保證葉片具有較好的整體變工況性能。

（2）馬赫數適應性分析：

馬赫數適應性主要由葉片喉部之后的型線決定，本文計算了小汽輪機100%THA及常用工況75%THA下整個流場情況，以末三級葉片根、中、頂三個截面的馬赫數為例，計算結果如圖4～圖6所示。

精心設計優化葉片背弧喉部下游型線的彎曲變化，可使葉型在不同工況馬赫數條件下都具有較低的葉型損失系數。如圖7～圖9所示，在本文計算的小汽輪機變工況馬赫數范圍內，葉片根、中、頂三個截面的葉型損失系數變化較小。

2.2.3 " "給水泵汽輪機通流選型優化（最大出力）

由于給水泵汽輪機的出力用于驅動給水泵，故理論上小機最大的輸出功率對應給水泵的最大出力，而給水泵的出力可以由主機鍋爐的上水量、揚程等參數確定。在此基礎上考慮給水泵的效率、小機與泵之間的傳遞損失等功率損耗，并預留一定百分比的功率余量，即可確定給水泵汽輪機的最大功率。

原電廠設計時，給水系統的設計水量為1 165 m3/h，考慮了10%余量，給水泵容量在給水系統設計容量的基礎上再考慮10%的余量，故選定給水泵出口流量為1 280 m3/h，揚程為2 190 m，因此改造前小汽機最大出力定型為12 MW。本次改造對電廠實際運行情況進行了充分調研，改造后小汽機通流選型對應的最大出力優化為10 MW，實現與小機實際運行出力需求的最優匹配。

2.2.4 " "閥門優化設計

選用成熟且已優化完成的閥門型線，匹配好流動狀態，通過調節主蒸汽調節閥的開度和數量，可降低流動損失，減少調閥寬負荷工況的節流損失。

由表2可知，原設計低壓汽源調門為8個？準85的蒜頭閥，過流速度超過規范值，閥門節流損失大。改造采用8個？準100的球形閥，過流速度比改造前降低了27.7%，減少過流閥門損失約1%，汽機效率提升約1%。

2.2.5 " "變轉速末級葉片選型優化

低壓末級通流面積大、葉片高，葉片通流部分根部和頂部的流動差異非常大，因此末級動、靜葉片的型線以及彎扭規律的優劣相對于壓力級顯得更為重要。氣動設計上，需要保證額定工況和變工況整個運行范圍內都具有較高的氣動性能。在進行末級葉片設計開發時，對其變工況性能給予了特別關注。如圖10所示，選用的末級葉片余速損失在所有工況均優于改造前。

通常意義上來講，年平均負荷較大、背壓較低的機組可選擇末級葉片長一些，但是具體選擇何種末級葉片受多種因素影響，其中機組年平均負荷的影響較背壓的影響要大得多。因此對改造機組來說，在背壓一定的情況下，配合機組常年運行負荷區間選擇合適的末級葉片，對于改造機組保持寬負荷經濟性具有重要意義。

2.2.6 " "汽封技術優化

原有汽封是高低齒結構，且經過一段時間的運行，汽封間隙因汽封摩擦、變形而增大。本項目汽封采用鑲齒片的結構，配合獨特的轉子凸臺，具有良好的密封效果。通流葉頂汽封推薦使用常規梳齒結構，配合獨特的圍帶凸臺設計，具有良好的密封效果。

3 " "改造效果

本項目完成改造后，在整個供熱季高壓汽源均沒有參調，保證了機組的安全運行穩定。和改造前比，給水泵汽輪機效率有了較大幅度提升，限于現場條件目前只完成了THA工況性能試驗，給水泵汽輪機缸效高達83.9%，達到了本次改造的目標值，具體數據如表3所示。

4 " "結論

本文從多方面論述了為提高給水泵汽輪機寬負荷高效靈活運行性能所進行的研究工作和成果，總結如下：

（1）對于小型汽輪機的提效改造，調研和掌握其實際運行情況和確定數據十分重要，這是后續優化設計的依據和基礎。

（2）通過定制化高效通流設計，給水泵汽輪機實現寬負荷高效運行，缸效相對值提升10%以上，缸效絕對值（83.9%）也達到了國際先進水平，充分證明了電廠大型輔機設備給水泵汽輪機的節能潛力。

[參考文獻]

[1] 中國動力工程學會.火力發電設備技術手冊 第二卷 汽輪機[M].北京：機械工業出版社，1999.

收稿日期：2022-09-08

作者簡介：魏春生（1993—

），男，遼寧人，助理工程師，從事汽機輔機設備管理工作。