电站汽轮机通流提效节能改造

杨超，，钟挺，王琦，赵玉伟

（1.中国石化巴陵分公司热电部，湖南岳阳414000；2.北京全四维动力科技有限公司，北京100095）

巴陵石化#7 机于1999 年投运，由于该机型设计年代早，通流设计和结构设计已明显落后，且这一机型目前普遍存在结构安全隐患、运行经济性差等问题。

1 汽轮机现状分析

1.1 汽轮机基本状况

#7机型号为C25-8.83/0.98-Ⅰ，额定主蒸汽压力8.83 MPa，温度535℃，最大进汽量210 t/h，设计排汽压力4.1 kPa。该机组为单缸结构，通流级数为1个双列调节级＋18个压力级，机组总级数为19级。

1.2 性能分析

由于该机型设计年代早，通流设计和结构设计已明显落后，且在运行中发现存在较大的安全性和经济性问题，具体包括：

1）部分叶轮和隔板出现变形

#7汽轮机累计运行时数约12万h，部分叶轮和隔板在长期热应力作用下存在一定变形，已没有安全裕量。为在开机过程中控制相对膨胀值在较低范围内以避免机组动静部分发生碰磨，往往只能采取延长开机时间等措施，不利于生产组织。

2）叶片表面有点蚀现象

后几级叶片由于长期老化、水蚀等造成损伤，通过以往检修发现叶片表面冲刷有多处点蚀现象，特别是第十七、十八和十九级叶片水蚀冲刷非常严重，存在叶片断裂的巨大风险，既影响安全运行，又严重降低了叶片效率。

3）通流部分一维叶片设计落后

通流部分采用的是传统一维叶片设计，蒸汽转化为机械能的效率低，与具有先进设计水平叶片的机组存在较大的差距。

4）传统疏齿式汽封阻汽效果差

传统疏齿式汽封阻汽效果差，造成级间以及前后轴封漏汽量比较大，一方面引起轴瓦温度高，影响机组安全运行，同时也造成机组效率低。

综合以上分析可以看出，#7机在安全性与经济性方面与同类型的改造机组和新投产机组有较大差距，亟需解决运行中存在的各种安全隐患，在效率方面有较大的提升空间。

1.3 影响机组经济性原因

致使机组实际运行煤耗偏高的主要原因是汽轮机通流效率较低，主要体现在以下几点：

1）该型汽轮机设计成型年代早，叶片型线设计技术已相对落后，叶片型线损失、二次流损失大，叶片级效率低；

2）汽轮机通流子午面光顺程度较差，流动损失大；

3）焓降分配和速比不合理，轮周效率偏低；

4）动、静叶片匹配不佳，叶片来流攻角偏大，增加了攻角损失；

5）部分级动叶顶部无围带或有拉金，增加了泄漏损失和绕流损失；

6）隔板根部汽封为轴向汽封齿，漏汽面积大、密封效果差；

7）叶片冲蚀严重，严重影响气动性能。

2 #7 汽轮机通流改造

2.1 改造目标

#7机经过技术改造后，可实现以下目标：纯凝30 MW工况下机组热耗率降到9 920 kJ/kW·h以内；在各抽汽工况下热耗率大幅降低；机组的安全可靠性提高，解决设备存在的安全隐患，降低运行检修费用，延长机组寿命。

2.2 改造原则

汽轮机通流部分技术改造采用成熟、先进的技术，最大程度地提高效率、降低热耗；改造后机组能适应变负荷和变工况运行，在50%～100%负荷范围内均具有较高的经济性；机组外形尺寸不变，旋转方向不变；汽轮机机组与轴承箱、发电机、主油泵、盘车装置的接口不变；改造后基础负载基本不变，设备满足现场安装要求；延长机组寿命；设计、制造、检验和改造后有关运行指标符合国家和国际有关标准要求。

2.3 改造方案

保留机组外缸，高压前轴承箱及轴承，低压后轴承箱及轴承等。更换转子、喷嘴组、隔板套、全部动叶片、全部隔板、隔板汽封、叶顶汽封、机组前、后汽封等。改造前后通流设计对比及改造部件见图1、2。

图1 改造前后通流设计对比

3 改造采取的先进技术措施

改造项目采用具有完全自主知识产权、国际领先水平的新一代汽轮机精确设计体系进行设计。改造后可以使汽轮机组的效率提高5%～8%，出力增加10%，同时大幅度提升机组安全可靠性。

3.1 通流结构优化

现代汽轮机通流改造设计中，小焓降、多级已成为发展的趋势。通过增加通流级数、降低级平均焓降、优化级焓降分配可降低根径、增加叶高，减少流动损失、漏汽损失，提高通流效率。

通流改造对通流结构进行优化设计，原机组采用双列调节级，由于双列调节级焓降占比较大且效率较低，改造后采用单列调节级并减小调节级焓降，以提高缸效率。同时，高压通流段优化焓降分布，通流级数由8 级增加到9 级，多级小焓降的技术措施可进一步提高整机效率。

图2 改造部件示意

3.2 叶片优化设计及变工况特性

通流改造后的经济性通过先进的叶片设计来实现，针对性措施如下：

1）采用具有自主知识产权的成熟高效叶片型线，该叶型具有宽负荷运行适应性，其攻角对来流变化的敏感度较低，在进汽攻角±25°的范围内叶片效率仍整体处于较高值[1]。

2）在通流级内的叶片设计上，通过在每一个截面上达到动叶与静叶内流场的最佳匹配，既有效提高静叶内的效率，又大大改善动叶内的流场，从而使整级效率最高。

3）通流内部流动具有强烈的非定常特征，即蒸汽参数和流动状态随着时间呈现明显的波动和变化，在进行叶栅通道的气动设计时，充分考虑其非定常因素，使叶片设计更接近真实的流动状态。

汽轮机的变工况特性主要措施有：

1）通过优化叶片型线，改善叶片的攻角适应性，从而提高变工况运行时各级的效率；

2）合理提高末级、次末级根部反动度，保证在小容积流量（低负荷或高背压）工况下，动叶根部不出现回流。这样，既保证了变工况运行时末级、次末级的高效率，又有效防止了动叶根部的水蚀现象，提高了末级、次末级动片的安全性和使用寿命。

3.3 调节级设计

原机组采用喷嘴调节，改造后进汽调节方式不变。部分进汽的汽轮机，由于调节级焓降大，出力份额高，对整机效率影响较大，同时调节级焓降大，工作温度高，工况复杂且受负荷波动影响大，工作环境恶劣，在提高调节级效率的同时必须高度重视其安全性。

喷嘴组静叶片采用高效叶片，同时采用子午面收缩技术以减小二次流损失。调节级动叶片采用变截面扭叶片，既能提高效率，又能降低应力，结构上采用安全可靠性高的单支外包菌型叶根的叶片结构。

3.4 分流叶栅

原设计分流叶栅中的大叶片采用隔筋结构，该结构仅能保证叶栅强度，与叶型叶片相比，由于其对主流的干扰、对流道的堵塞影响较大，导致叶栅的气动性能较差。

新设计的高压部分静叶采用优化设计的分流叶栅技术，新分流叶栅采用大小叶片结合的方式，见图3，既能增加隔板强度，又能减少流动损失，大幅度提高缸效率。

图3 分流叶栅气动设计

3.5 弯扭联合成型叶片

叶片的弯扭联合成型技术是广为采用的设计技术，通过对叶片积叠线、沿叶高角度分布两条曲线进行优化控制，一方面抑制端壁二次流动的生成和发展，一方面使得密流向流动效率更高的中部集中，从而使得整个叶栅的流动损失更小。动静匹配涉及叶片型线的匹配、叶片扭曲规律的匹配、泄漏流动控制、级与级匹配等，叶片弯扭复合成型优化设计（见图4）也是匹配设计的一个部分。通过每个环节的控制，使得整体级效率得以提高。

对不同工作条件下的叶片级进行多通道、多级联算，可得到包含动静干扰在内的详细流场特征，并针对不同的情况采取相应措施来改善整级以及多级的叶栅通道内部流动，提高通流效率。

3.6 蒸汽泄漏控制

蒸汽泄漏控制在汽轮机设计中主要包括静止部件之间密封和动静部件之间密封。动静部件之间密封主要为汽封圈与转子之间的密封，原机组部分结构处密封凸台和汽封齿数不足，通过重新设计通流尺寸，并考虑真实叶片顶部和根部以及动静干涉因素，对密封凸台和汽封齿数进行优化设计。主要技术手段包括：

图4 弯扭联合成型多级气动设计

1）将动静叶片的干涉、叶根和叶顶汽封纳入到叶片流场设计和分析中，通过控制汽封的泄漏流动提高汽轮机的通流效率[5]。

2）所有动叶片均设计为自带冠叶片，动叶围带和转子相关部位加工成凹凸台结构，通过增加叶顶汽封齿数减小叶顶的蒸汽泄漏[6]。

3）在隔板汽封设计时，充分考虑冲动式叶轮的平衡孔和隔板汽封之间的抽吸因素，并将平衡孔对流场的影响分析加入整级气动设计中，以确保与真实流动的高度吻合。

3.7 材料

对于亚临界参数以下的高压机组，关键部件的材料已全部实现国产化，成熟性和可靠性经过了长期的运行验证。主要改造部分材质见表1。

表1 通流改造部分关键部件材质

4 改造后机组运行情况

汽轮机稳定运行后振动指标优良，轴承双振幅振动值，无论是垂直、水平均小于0.025 mm，达到良好标准，各轴承在通过临界转速时双振幅振动值均小于0.10 mm。推力瓦的金属温度低于85℃，各径向轴承金属温度均低于85℃。

对机组改造前后相同运行工况进行性能对比测试，在25 MW 负荷纯凝工况下，汽轮机试验热耗较改造前降低1 301 kJ/kW·h，效率提高14.72%；在25 MW 负荷抽汽工况下，汽轮机试验热耗较改造前降低583 kJ/kW·h，效率提高7.42%；在30 MW负荷抽汽工况下，汽轮机试验热耗较改造前降低704 kJ/kW·h，效率提高7.06%。

5 结论

通过对#7汽轮机实施通流改造，并针对性的采用个性化定制冲动式改造方案，采用当前新型高效叶片，对转子等通流核心部件进行更换，显著提高了机组的结构安全性和运行经济性。