摘要：為大力推廣節(jié)能新技術(shù)，汽輪機(jī)通流改造是節(jié)約能耗，提高發(fā)電設(shè)備利用效率的有效手段。本文通過對(duì)國(guó)電太原第一熱電廠#11機(jī)組通流改造方案、采用技術(shù)、改造效果及改造過程中的關(guān)鍵點(diǎn)的控制總結(jié)分析，并提出建設(shè)性意見。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī) 通流改造 方案 技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn) 效果 煤耗 收益 過程控制

為大力推廣節(jié)能新技術(shù)，挖潛增效、節(jié)約能耗，提高發(fā)電設(shè)備利用效率，針對(duì)機(jī)組的實(shí)際情況，經(jīng)過廣泛的技術(shù)論證， 2008年對(duì)國(guó)電太原第一熱電廠#11機(jī)組進(jìn)行汽輪機(jī)通流改造。該項(xiàng)目的實(shí)施改變了國(guó)電太原第一熱電廠#11汽輪機(jī)存在的結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)缺陷，使汽輪機(jī)熱耗達(dá)到先進(jìn)值，提高了機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，降低了煤耗。

國(guó)電太原第一熱電廠#11機(jī)是東方汽輪機(jī)廠90年代初生產(chǎn)的NC300/220-16.7/537/537型三缸兩排汽單抽供熱凝汽式汽輪機(jī)，屬東汽早期產(chǎn)品。由于設(shè)計(jì)成型年代較早，設(shè)計(jì)技術(shù)不成熟，通流設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已比較落后。機(jī)組運(yùn)行14年來，先后出現(xiàn)了安全可靠性差、機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性能水平低的問題：

機(jī)組可靠性方面：汽缸膨脹不暢、高、中壓缸前后軸封漏汽量大、油中帶水、機(jī)組軸系振動(dòng)大、高、中壓缸和低壓內(nèi)缸變形、機(jī)組次末級(jí)葉片和末級(jí)葉片沖刷和水蝕嚴(yán)重、末葉片開裂、隔板變形。

機(jī)組經(jīng)濟(jì)性方面：高、中壓缸前后軸封漏汽量大、機(jī)組通流部分效率低。

1 針對(duì)機(jī)組可靠性和經(jīng)濟(jì)性存在的問題確定改造方案

1.1 汽缸膨脹不暢問題解決方案 ①#1、#2軸承箱與臺(tái)板之間采用Deva合金自潤(rùn)滑滑塊結(jié)構(gòu)。②在高壓外缸與#2軸承箱及中壓缸與#2軸承箱間加裝H型定中心梁。③對(duì)#3軸承箱與中壓缸之間加裝H型定中心梁。④取消汽缸貓爪橫銷。⑤低壓內(nèi)缸上部加裝縱銷。⑥#1、#2、#3軸承箱更換，#1、#2箱增加自潤(rùn)滑滑塊。

1.2 高、中壓缸前后軸封漏汽量大問題解決方案 ①更換高、中壓缸的全部軸端汽封體。②軸端汽封和隔板汽封改為鐵素體汽封。③中壓缸外端汽封體結(jié)構(gòu)改造，前端汽封體由把合式改為嵌入式，后端汽封體加大把合螺栓。④對(duì)高、中壓缸兩端部分中分面法蘭螺栓加粗。⑤對(duì)高、中壓缸汽封體槽道軸向錯(cuò)位進(jìn)行加工修正。⑥高壓進(jìn)汽插管襯套、壓蓋進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。⑦對(duì)高、中壓缸汽封溢汽口核算后適當(dāng)加大。

1.3 通流部分改造方案 ①四維優(yōu)化的葉片型線。②收縮子午面調(diào)節(jié)級(jí)葉柵。③分流葉柵。④彎扭聯(lián)合成型靜葉柵。⑤通流子午面光順。⑥高中低壓各級(jí)動(dòng)葉片頂部增加徑向汽封齒齒數(shù)，由原設(shè)計(jì)的兩片增加為四片或三片，圍帶加工成帶有凸臺(tái)的結(jié)構(gòu)，與高低齒圍帶汽封相配合，減少頂部漏汽。⑦除末級(jí)保留一根拉筋外，其他各級(jí)葉片不加拉筋，減少繞流損失，提高通流效率。⑧高效的900mm末級(jí)葉片。⑨全部隔板均采用焊接隔板。

1.4 機(jī)組的軸系振動(dòng)大問題解決方案 ①更換高壓轉(zhuǎn)子，中、低壓轉(zhuǎn)子返廠后進(jìn)行探傷檢查和高精度的全速動(dòng)平衡。②對(duì)軸系中心、揚(yáng)度重新調(diào)整。③對(duì)頂隙和側(cè)隙較大的軸瓦進(jìn)行修復(fù)或更換。④對(duì)軸頸磨損部位進(jìn)行機(jī)加工修復(fù)，軸瓦重新澆鑄。⑤#1、#2、#3軸瓦改為可傾瓦，更換推力軸承，提高軸系和軸承的穩(wěn)定性。

1.5 機(jī)組葉片銹蝕、沖刷和水蝕嚴(yán)重問題解決方案 ①改進(jìn)末級(jí)、次末級(jí)葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)。②對(duì)于末級(jí)和次末級(jí)，充分考慮去濕措施。③末級(jí)和次末級(jí)葉片采用17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb）材料。④次末級(jí)葉頂汽封采用蜂窩汽封。

1.6 中、低壓缸中分面間隙大問題解決方案 ①中壓缸中分面間隙大、變形大的問題在中壓缸返廠改造時(shí)進(jìn)行機(jī)加工修復(fù)。②對(duì)低壓內(nèi)缸中部中分面間隙大、變形大問題，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)焊加工處理。

1.7 主油泵改剛性連接 主油泵推力瓦在運(yùn)行中頻繁磨損，對(duì)主油泵與高壓轉(zhuǎn)子的齒聯(lián)器連接方式改為剛性連接。

2 通流改造中采用的關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)

通流改造技術(shù)方案采用目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的汽輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用的先進(jìn)技術(shù)如下：

①優(yōu)化后的葉片型線：利用先進(jìn)的優(yōu)化方法對(duì)葉片型線進(jìn)行優(yōu)化，降低型線損失，并降低葉片應(yīng)力，提高葉片的安全可靠性和機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。②收縮子午面調(diào)節(jié)級(jí)葉柵：調(diào)節(jié)級(jí)的性能對(duì)汽輪機(jī)整體效率以及出力具有較大影響。采用子午面收縮可以降低葉柵通道前部的氣動(dòng)載荷，大幅度減小二次流損失。在本機(jī)改造方案中采用經(jīng)過優(yōu)化后的收縮子午面調(diào)節(jié)級(jí)葉柵來代替機(jī)組中簡(jiǎn)單收縮型的調(diào)節(jié)級(jí)葉柵。③分流葉柵：本次技術(shù)改造采用先進(jìn)的汽輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)行多通道、多級(jí)聯(lián)算，對(duì)葉片型線、動(dòng)靜葉片數(shù)量、動(dòng)靜葉片間距以及各級(jí)葉片的相對(duì)位置進(jìn)行優(yōu)化，可以進(jìn)一步提高高壓缸和中壓缸的通流效率。④彎扭聯(lián)合成型靜葉柵：采用彎扭聯(lián)合成型靜葉柵可以比直葉片的損失降低25%以上，從而大幅提高汽輪機(jī)的級(jí)效率，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)后還可提高級(jí)效率1%左右。⑤通流子午面光順：在本次改造中：高、中、低壓缸各級(jí)動(dòng)葉片均采用自帶圍帶整圈聯(lián)接，動(dòng)葉圍帶加工為內(nèi)斜外平結(jié)構(gòu)，按流道形狀進(jìn)行光順設(shè)計(jì)，動(dòng)葉片根部及相鄰靜葉片根部與頂部也進(jìn)行光順設(shè)計(jì)，通流部分子午面十分光順，可大幅提高通流效率。⑥高壓轉(zhuǎn)子更換為不帶中心孔的整段轉(zhuǎn)子，采用先進(jìn)的有限元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析方法進(jìn)行計(jì)算分析并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以降低轉(zhuǎn)子的應(yīng)力水平和應(yīng)力集中。轉(zhuǎn)子及軸系的振動(dòng)特性設(shè)計(jì)還將采用先進(jìn)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)軟件SamcefRotor對(duì)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、質(zhì)量不平衡響應(yīng)和扭振進(jìn)行計(jì)算。確保轉(zhuǎn)子及軸系的臨界轉(zhuǎn)速避開2700～3300rpm（即-10～15%的避開率），轉(zhuǎn)子及軸系的扭振頻率與50HZ和100HZ有足夠大的避開量。

技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)如下：

作為典型的高速葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械，汽輪機(jī)葉柵通道蒸汽流動(dòng)具有典型的非定常效應(yīng)。迄今為止，傳統(tǒng)制造廠對(duì)汽輪機(jī)通流部分的設(shè)計(jì)依然停留在定常階段，在對(duì)汽輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬時(shí)靜葉、動(dòng)葉各計(jì)算一個(gè)通道，靜葉和動(dòng)葉之間的交界面采用混合面法進(jìn)行處理，前排葉片的尾跡被均勻化了，無法反映出動(dòng)靜葉柵流動(dòng)的相互干擾，偏離了真實(shí)的物理流動(dòng)。為了對(duì)汽輪機(jī)通流進(jìn)行優(yōu)化，首先必須要真實(shí)全面的模擬出通流部分汽體流動(dòng)狀態(tài)，準(zhǔn)確分析，進(jìn)而整體優(yōu)化。本次改造采用全四維精確設(shè)計(jì)技術(shù)，是在總結(jié)我國(guó)葉輪機(jī)械氣動(dòng)熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)材料力學(xué)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展的。真正實(shí)現(xiàn)了真實(shí)全面的模擬汽體流動(dòng)狀態(tài)，準(zhǔn)確分析，全面優(yōu)化。微觀體現(xiàn)在于動(dòng)、靜葉片的型線、動(dòng)、靜葉片的合理匹配、級(jí)間優(yōu)化、多級(jí)聯(lián)合優(yōu)化、多部件耦合的整體設(shè)計(jì)。全四維技術(shù)相比全三維技術(shù)而言，其技術(shù)先進(jìn)性更進(jìn)一步的得以發(fā)展，使機(jī)組性能得以更進(jìn)一步的優(yōu)化，汽輪機(jī)效率在其全三維技術(shù)的基礎(chǔ)上再提高1.5%左右，供電煤耗再降低3～4g/kWh（針對(duì)300MW機(jī)組而言，多節(jié)省的3～4g/kWh，每年可使電廠進(jìn)一步節(jié)約發(fā)電成本240萬(wàn)元以上）。全四維精確設(shè)計(jì)技術(shù)將有限元分析技術(shù)應(yīng)用于汽輪機(jī)高中壓缸的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算和蠕變分析、低壓排汽缸的應(yīng)力分析和剛度分析、葉根強(qiáng)度分析、葉片強(qiáng)度分析和振動(dòng)分析、隔板變形分析、閥門的溫度場(chǎng)計(jì)算和應(yīng)力分析、推力盤、軸瓦安裝環(huán)應(yīng)力分析，根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)汽輪機(jī)關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)，提高了汽輪機(jī)的安全可靠性。

3 通流改造后的效果

國(guó)電太原第一熱電廠#11機(jī)組于11月6日開啟后運(yùn)行平穩(wěn)，機(jī)組各軸瓦振動(dòng)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，主機(jī)帶330MW負(fù)荷，主蒸汽流量為944噸，比原預(yù)計(jì)的975還降低31噸，達(dá)到了改造目的，同時(shí)11#機(jī)組成功的改造也給其它同類機(jī)組提供了成熟的改造經(jīng)驗(yàn)。

改造后主要參數(shù)變化如下表：

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改造后可節(jié)標(biāo)煤：

344.7-325.8=18.9g/kwh

以年發(fā)電量20億度測(cè)算，則改造后僅節(jié)標(biāo)煤總量為：

18.9g/kwh×20億kwh=3.78萬(wàn)噸/年

改造后節(jié)煤收益為：

540元/噸×3.78萬(wàn)噸/年=2041.2萬(wàn)元/年

同時(shí)作為供熱電廠，機(jī)組通流改造后，機(jī)組安全性大大提高，煤耗降低，污染物減少，能保證城市冬季集中供熱，維護(hù)和諧的社會(huì)環(huán)境。此外，機(jī)組改造后容量增加了10%，增容收益也非?？捎^。

4 通流改造過程中關(guān)鍵點(diǎn)控制

4.1 在項(xiàng)目管理方面 ①在改造前期就應(yīng)在業(yè)主、承包方、及安裝單位之間建立具有操作性的高效協(xié)調(diào)機(jī)制。在改造過程中發(fā)生的問題能夠及時(shí)有效的反饋給各方，使問題能夠得以迅速找到解決途徑。②在各個(gè)主要部件的加工期間，業(yè)主方應(yīng)對(duì)通流改造主要部件進(jìn)行全過程的現(xiàn)場(chǎng)督察和監(jiān)造，及早地發(fā)現(xiàn)了一些承包方和設(shè)計(jì)方疏忽的問題，確保了通流改造前期準(zhǔn)備工作的順利完成，減少改造過程中的二次加工量。③在改造開工前根據(jù)提供的供貨時(shí)間制定改造工期計(jì)劃。嚴(yán)格控制各重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)度。并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到貨情況及安裝進(jìn)度實(shí)際情況及時(shí)進(jìn)行合理調(diào)配工序。確保各環(huán)節(jié)之間進(jìn)行無縫銜接，提高工作效率，縮短改造工期。④在改造過程中，進(jìn)行圖紙、設(shè)備證明文件、試驗(yàn)文件的整理收集，并歸檔保存。會(huì)議紀(jì)要、技術(shù)變更及與各方之間的聯(lián)系均應(yīng)行正式文件并作為改造正式文件留存歸檔。

4.2 在技術(shù)管理方面 ①在質(zhì)量控制上，必須嚴(yán)格遵守驗(yàn)收程序，三方見證簽字。加強(qiáng)過程驗(yàn)收，對(duì)改造全過程進(jìn)行監(jiān)督。②機(jī)組改造前解體記錄及安裝過程中數(shù)據(jù)記錄務(wù)必全面、準(zhǔn)確、規(guī)范。方便在啟動(dòng)過程及日后運(yùn)行、檢修掌握第一手資料。③由于是舊機(jī)組改造，設(shè)備存在新配舊問題。因此在安裝過程中應(yīng)根據(jù)本機(jī)的特殊性與設(shè)計(jì)方進(jìn)行充分溝通。根據(jù)每臺(tái)機(jī)機(jī)組的特殊性，綜合安全性及經(jīng)濟(jì)性兩方面考慮，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及機(jī)組改造前運(yùn)行參數(shù)、檢修記錄進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，在安全性與經(jīng)濟(jì)性二者之間找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn)。④改造設(shè)備到廠后盡快安排試裝，及早發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)或制造時(shí)存在的問題。⑤由于通流改造一般都隨機(jī)組大修同時(shí)進(jìn)行，因此在工期進(jìn)度安排上應(yīng)與相關(guān)輔機(jī)設(shè)備的檢修進(jìn)度進(jìn)行統(tǒng)一考慮，合理安排，盡量避免交叉作業(yè)及發(fā)生相互影響的現(xiàn)象。

綜上所述，#11機(jī)組通流改造后機(jī)組安全性及經(jīng)濟(jì)性得到了很大的提升。因此作為運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性安全性差的機(jī)組通過通流改造來延長(zhǎng)機(jī)組壽命，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性是切實(shí)可行的方式之一。

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作者簡(jiǎn)介：王曉明（1974-），男，山西陽(yáng)泉人，副主任，工程師，研究方向：電力檢修。