某发电机组凝汽冲动式汽轮机通流部分技术改造经济性分析

神华神东电力山西河曲发电有限公司 冯小刚

近年来，由于现代热力学的深度研究和工程流体力学理论的实用创新，结合计算机模型计算技术的高速发展和完善，复杂工业零部件热传导和流体计算领域的三维设计和制造技术趋于成熟，尤其在高级燃机、汽机部件设计与制造方面得到了广泛研究和应用。同时，随着国内高端精密加工工艺和设备的进步和升级，国产汽轮机、燃机部件的设计和制造工艺及质量大为提高，也使得原来热传导理论研究和设计模型的工业化应用成为现实，如在理论热力计算和流场改造模型理论的基础上，实现现役汽轮机按其理论设计理念进行异种改造成为现实。鉴于汽轮机通流部分的改造一般建立在其原有热力计算基础上的要求，通过加持先进技术更有效地提高其出力可靠性和降低改造费用，同时降低自身生产能耗的改造方案和技术将获得大力发展，并趋于成熟可靠。

某发电有限公司4号发电机组采用哈尔滨汽轮机厂20世纪九十年代初技术设计和制造的汽轮机，型号为N55-8.83/535凝汽冲动式。受该机组设计制造时代工业制造水平的限制，实际生产运行中其热耗率达不到设计值9448kJ/(kWh)，经机组多次大修技术改进和调整依然得不到提升。以其历史最成功的2007年改造为例，其热力试验报告显示热耗率为9949kJ/(kWh)。该机组汽轮机通流节能改造已成为该发电公司亟待解决的现实难题。经过多方考察和论证，该机组最终采用北京全三维动力工程有限公司先进的全三维模型设计和改造技术，结合先进的高精度加工工艺对汽轮机通流部分和打孔抽汽进行再次改造。改造后通过热力试验和负荷验证，机组额定出力增加5MW并提高了其热电联产灵活性能，较大提高了机组整体经济性、安全可靠性和参与深度调峰的特性。

1 项目改造的技术先进性

1.1 机组改造原则和目标

机组改造以安全可靠性为第一原则和目标。改造方案、设计和制造、检验标准必须符合现行行业标准和国家标准，达到技术可靠、工艺先进、结构部件安全可靠等；项目改造范围内设备寿命不减，范围外设备寿命无不良影响为必须条件。要求改造范围内的设备寿命在改造后经评估须不低于30年，范围外整机设备寿命须无不良影响；改造技术指标严格控制在设计范围内。将纯凝汽式汽轮机通过改造须可靠适应热电联产，且确保机组负荷稳定55MW值时抽汽压力达到1.2MPa，抽汽量达到35T/h，热电比达到54.5%的性能指标。

1.2 叶片采用全新一代“后加载”式高效静叶型

叶片表面的最大气动负荷点变为叶栅流道后部（传统叶片设计在前部）；叶片流型改良为双面高阶连续光滑曲线面，即吸力面和压力面均由高阶连续光滑曲线构成；改良叶片流型，提高叶栅低损失特性。即新型叶片前缘为小圆半径，具有更好的流型，使得来流攻角大范围调整和变化时仍能保持叶栅低损失；优化叶片流型，降低尾缘损失。即叶片设计和制造尾缘为小圆半径，达到减少尾缘损失的目的；提高叶片最大厚度，增强刚性指标[1-2]。

通过建立计算机三维流体和传热模型，计算新老叶型及其表面速度分布的比较表明，“后加载”叶型在来流方向攻角±30°的变化区间内均可保持其低损失性能，而改造前老叶型的这一区间值仅约为±20°，也证明在通流改造后负荷变化区间增大时仍具有较高的换热和流通效率，即提高了机组调峰范围和适用特性。

1.3 改造采用弯扭联合式全三维成型静叶栅

研究和大量改造案例表明，弯扭联合式全三维成型静叶栅是目前汽轮机先进改造技术的研究热点和集中体现，且通过大量理论研究与实践证明该工艺和技术可使汽轮机级的热效率和通流效率提高1.5～2%[2-3]。通过大量计算和实践证明，弯扭叶栅总损失比传统直（扭）叶栅下降达25%。

1.4 其他相关改造

高压级改造采用高压隔板分流。机组改造前静叶栅高压静叶采用窄叶片加强筋型结构，静叶片叶栅损失较大，其原因主要为加强筋的型线与叶型匹配度较低，且受限于加工工艺水平较低，加强筋的制造工艺粗糙且与叶型对齐尺寸偏差较大。本文所述项目改造采用分流式叶栅结合新进的高精度加工工艺，使得叶栅损失大幅度降低。文献表明，由机械部上海成套所和电力部西安热工研究院对分流式叶栅进行实验研究和计算，高压级分流叶栅可使高压缸效率提高至4%以上[3-4]。

调节级改造采用子午面收缩静叶栅。子午面收缩型静叶栅具有降低静叶栅通道前段负荷、减少叶栅二次流损失等优点。由于调节级静叶栅相对叶长高度较短（一般设计制造值L/b≤0.4），导致静叶栅二次流的损失占叶栅总损失的比例较大，实验和实践证明因调节级采用子午面收缩静叶栅对提高高压缸效率十分重要和可观，可使得调节级效率提高达1.7%[2-3]；动叶采用自带围带整圈联接方式。机组旧叶片顶部围带采用铆接联接方式，振动应力较大且存在铆接应力集中，安全可靠性较低。文章改造方案采用叶片与顶部围带设计制造整体式，且采用预扭装配工艺将动叶片形成整圈联接的整体结构方式，较大程度降低或消除动叶片的振动和应力，具有更高的高速转动安全可靠性。

优化通流子午面光顺度提高流通效率。机组旧通流子午面受设计和加工精度的限制，呈现较为明显的阶梯状，通流面局部微涡流现象严重，限制通流效率和增大局部振动值。本技改通过建模计算和精度加工，设计优化各流道，使得动叶片自带围带的内侧按流道形状设计制造成圆锥面，同时动叶片根部及相邻静叶片根部与顶部也设计制造成圆锥面，从而使得通流部分的子午面匹配严密，整体流通面光洁顺滑无阶梯扰流，较大程度上提高流动效率。

通过计算和优化汽封齿数。通过流场计算，优化增加整体式自带围带动叶片顶部外圆的汽封齿数量，以最大程度减少叶顶的漏汽损失；优化取消动叶片调频拉筋。新型自带围带整圈联接型动叶片的机构特点使得其具有优良的抗振动特性，通过理论验证和实验表征，完全取消旧机组用于调频用的动叶片拉筋，同时也避免了由于拉筋造成的绕流阻力和通流损失。研究表明，取消一条拉筋可提高级效率1%[4]。

2 改造后经济性分析与结论

本项目机组通流部分改造后即并网发电，运行情况良好，实现56MW负荷条件下连续运行，抽汽量连续达到20T/h，各项参数指标均在设计范围内且汽轮机振动值降低，各轴承垂直振动值均在0.025mm优秀范围内。按照ANSI/ASMEPTC6.0-1976《汽轮机性能试验法规》的标准条件，项目改造后由国内某电力试验研究院对该汽轮机进行热力特性试验。试验结果表明，机组在额定工况下（3VWO）汽轮机通流部分效率提高至89.3%，经过计算修正后的热耗率平均值达到9085kJ/(kWh)，相比改造前降低864KJ/(kWh)，热效率提高比例达到8.68%，计算单位发电量降低消耗折合标准煤30g/(kWh)。

以该机组年运行时数按6000h计算，年均消耗标准煤节约9900t，以标准煤单价按1000元/吨计算年均可节约折合标准煤燃料费约990万元人民币。同时机组实现连续稳定的抽汽供热，抽汽供热量稳定均值达到20T/h，按年均供热时长2000h计算，供热每吨蒸汽利润按15元计算，该机组年均可增加收益60万元。按以上两项经济指标计算，该机组通流改造后每年可实现利润增收1050万元，具有巨大的直接经济效益和间接社会效益。

结论：某电力有限公司4号机组装配为型号N55-8.83/535凝汽冲动式汽轮机，通过通流部分技术改造解决了机组本身的振动大、通流效率低下等缺陷，并实现了热电联产，并在稳定供热状态下实现节能降耗标煤30g/(kWh)左右，带来巨大的直接节能减排经济效益，同时通过供热联产改善了当地生活供热条件，也解决了当地工业用汽的直接困难，且助力当地上大压小的节能减排政策，淘汰一批高能耗高排放小型工业锅炉，产生较为客观的社会效益。此次改造成功为国内同类型机组通过通流改造达到节能降耗和减排目标提供了经验，也为现行环保政策下火力发电小机组通过灵活性改造寻求生存和发展机遇提供可供参考的理论和实践经验。