（大唐陕西发电有限公司 陕西省西安市 710032）
摘要：大唐宝鸡热电厂1号机汽轮机热耗偏高、效率偏低，性能显著低于目前300MW机组的先进水平。大唐宝鸡热电厂依托多年来运行、检修经验，多次与北京北重汽轮电机有限责任公司进行交流，通过采用先进、成熟的通流改造技术措施，取得了显著地节能效果，为国内其他亚临界三缸两排汽机组的通流改造起到了良好的借鉴作用。
关键词：亚临界；汽轮机；密封；通流改造；热耗；效率
一、前言
大唐宝鸡热电厂1号机组于2009年6月投产，汽轮机为北京北重汽轮电机有限公司采用法国ALSTOM公司技术制造，型号为NC330-17.75/0.4/540/540，型式为亚临界、单轴、三缸、两排汽、冲动式、一次中间再热、采暖抽汽凝汽式汽轮机。
大唐宝鸡热电厂在1号机组经性能考核试验测试时发现，机组在330MW工况下，试验热耗率为8262.2 kJ/（kW•h），经过一、二类修正后的热耗率为8165.5 kJ/（kW•h），比热耗率设计值7935.4 kJ/（kW•h）高230.1 kJ/（kW•h），2011年3月份大唐宝鸡热电厂委托西安热工院对1号汽轮机组进行性能诊断试验，结果发现：大唐宝鸡热电厂1号汽轮机组，高压缸效率比设计值偏低2.67个百分点左右，中压缸效率比设计值偏低2.71个百分点左右，机组的高中压轴封漏汽量是设计值的1.4倍左右，机组的内外泄漏量偏大，系统不明泄漏率为1%左右。为了彻底解决以上问题，需对汽轮机通流间隙进行改造
二、原因分析
1号机组经性能考核试验和1号汽轮机组性能诊断试验表明，影响汽轮机热经济性能的直接因素是通流效率，而通流效率的高低则主要受级效率的影响，若提高级效率，需要从根本上降低级的各项附加损失。北重公司亚临界330MW机组属引进原ALSTHOM公司冲动式技术生产，通流技术年代相对较早，与目前全三维设计等主流通流技术相比，主要有以下几点不足：
1. 该汽轮机设计成型年代较早，叶片型线设计技术属于上世纪80年代准三维设计技术，已落后于国内外先进水平；
2. 通流各级焓降与通流尺寸配比，即各级速比U/C0偏离最佳值；
3. 高压喷嘴组为平直汽道，三维效应损失偏大；
4. 高、中压各级叶轮未开设平衡孔，隔板汽封漏汽通过叶片根部间隙进入叶片通道，对主流造成扰动，尤其对高压各级影响较大；
5. 原叶顶汽封结构型式决定无法进一步压缩汽封间隙，叶顶漏汽损失偏大；
6. 传统隔板加工工艺造成隔板汽道变形量难于控制，尤其影响高压缸效率。
7. 轴封设计不合理，漏气量大。
另外，影响机组热耗率的其它因素则是在汽轮机系统配置方面，北重公司亚临界330MW机组原设计思想定位于调峰机组，要求启停灵活，因此在启动方式、旁路配置、回热系统、给水泵驱动型式方面都以“发挥调峰性能”为先决条件。在回热系统配置上，为了保证高压缸受热均匀，启动快捷，取消了原有的回热抽汽口，减少了一级回热，将回热级数减少为7级回热，如此给水温度较同类型机组偏低约20℃左右，使得汽轮机系统循环效率偏低，一定程度上影响了机组设计热耗水平。
三、330MW机组通流改造方案
1．改造原则
1.1 用先进的、成熟的技术措施进行技术改造，提高机组运行经济性；
1.2 尽可能利用原有设备，以减少改造工程量，节约改造费用；
1.3 与发电机的连接方式和位置不变；跨距不变；汽轮发电机组的基础不变；
1.4 汽轮机各管道接口与汽缸的相对位置不变，各抽汽参数基本不变；
1.5 改造后汽轮发电机组的轴向推力方向不变，推力变化在允许值范围；
1.6 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. 330MW机组通流改造方案
2.1高压通流改造方案
2.1.1 重新设计高压通流，高压级数增加为12级，即1个单列调节级和11个压力级，根据最佳速比设计原则，优化各级焓降分配；
2.1.2 对整个通流部分子午面进行光顺、合理匹配动、静叶盖度以减少流动损失；
2.1.3 优化设计调节级子午通道的收缩型线，使调节级的效率更高；
2.1.4各级动静叶采用高效叶型，减小叶型损失、尾迹损失、二次流损失；
2.1.5 叶顶汽封采用弹簧支撑可退让式汽封环，进一步减小径向间隙，并增加有效齿数；
2.1.6 隔板汽封环及高压前后轴端汽封采用新型汽封，进一步减小漏汽损失；
2.1.7 叶轮增加平衡孔，减小隔板汽封漏汽对主流的干扰。
2.2 中压通流改造方案
2.2.1 中压各级静叶采用高效后加载叶型，减小叶型损失、二次流损失；
2.2.2 增加隔板汽封齿数，减小漏汽损失；
2.2.3 叶顶汽封采用弹簧支撑可退让式汽封环，以进一步减小径向间隙；
2.2.4 隔板汽封环及中压前后轴端汽封采用新型汽封，减小漏汽损矢；
2.3 低压改造方案
2.3.1 更换隔板及叶顶汽封进行改造，改成蜂窝式汽封；
2.3.2 隔板汽封环及低压前后轴端汽封采用新型汽封。
四、汽轮机通流改造采取的技术措施
自2009年1号机组投产以来，大唐宝鸡热电厂多年来积累了丰富的运行、检修经验，北重对330MW汽轮机的不足之处有一定的了解。近年来，北重公司自主研发了超临界350MW机组、超超临界660MW机组，其中超临界350MW首台机组已于2012年初在国电电力大连开发区热电厂成功投运，机组实测热耗率7667.6 kJ/（kW•h），属国内领先水平。大唐宝鸡热电厂通过与北京北重汽轮电机有限责任公司的多次交流，结合自身机组特点，吸收了北重公司在100MW-600MW冲动式汽轮机通流改造方面积累的丰富经验，同时将北重自主研发的超临界350MW、超超临界660MW机组的先进通流设计技术应用于本次改造机组中，吸收了形成了此次北重330MW汽轮机通流改造技术方案。
1. 本体改造优化技术
1.1 通流级数与汽道的优化
根据最佳速比设计原则调整通流几何尺寸，优化各级焓降分配，在原有的跨距空间内，适当增加通流级数，降低根径，增加叶高，减小通流端部损失及二次流损失。
利用三维计算软件优化通流子午面流道，通过等根径设计，光顺子午面流道，合理匹配动静叶盖度，靠近排汽的部分级通流采用斜气道，降低流动损失。
1.2喷嘴室优化
喷嘴室原为四瓣牛腿结构，与内缸固定于进汽管口处，机组运行时喷嘴室受热向机组中分面膨胀，而动叶片由中心向四周膨胀，导致调节级动叶叶顶围带汽封径向间隙预留较大。
改进后喷嘴室分为上下半结构，水平中分面螺栓把合，类似于常规隔板，通过中分面两侧搭子及底键定位于内缸，机组运行时喷嘴室受热由中心向四周膨胀，这样就与动叶片膨胀方向一致，以至于改后调节级动叶叶顶围带汽封径向间隙由原来2.6mm降至1mm。并且还将镶片式汽封改为可退让式汽封环，可进一步控制叶顶汽封间隙，同时喷嘴室内径处增加的两道汽封齿也起到了阻汽的作用，达到减小漏汽损失提高效率的措施。
另外，为了解决内缸与喷嘴室之间的密封与自由相对运动，二者间在管口处采用了堆叠式密封环。
1.3 叶型的优化
1.3.1静叶
优化后各级静叶采用高效后加载叶型，有效避免二次流过早的发生，减小损失。其中调节级喷嘴为整体铣制，采用子午面收缩型线；第二级隔板采用分流叶栅，由于二级隔板处蒸汽参数高，容积流量小，强度要求高，叶片往往既短又宽，损失较大。而一大两小的分流叶栅，提高了叶片的高宽比，在兼顾了强度同时，有效降低了端部附面层及二次流损失。
末两级静叶片经过吹风实验适度弯曲，建立C形静压分布，将壁面的汽流压向中间的主流，从而有效减少二次流损失，提高级效率。同时静叶采用整体铣制，镶入隔板内外环之间，有效保证了型线的加工精度和隔板的装配精度。
1.3.2动叶
各级动叶片延用叉形叶根，整体围带预扭安装，安全性经过多年验证。部分动叶为与静叶匹配，采用扭叶片。
1.4 密封结构的优化
1.4.1动叶顶部汽封优化
叶顶围带汽封漏汽损失在级总损失中占很大比例，通过优化，将原镶片式汽封改为可退让汽封环。其目的，一是减小汽封径向间隙，二是增加汽封齿数。
1.4.2叶轮增加平衡孔和级间汽封
随着近些年气动数值计算及实验手段的发展，对于隔板汽封漏汽对主流的影响有了一定的分析与认知，本次优化作为一次成功的工程应用，取得了很好效果。具体为：在叶轮开设平衡孔，级间设置汽封，增加叶轮反动度，将隔板漏汽由平衡孔引出，避免干扰主流。
1.4.3隔板及高压后汽封优化
隔板汽封与高压后汽封在维持原轴向动静间隙的前提下，通过增加汽封环齿数，进一步减小漏汽损失。
1.5平衡孔设计优化
传统冲动式汽轮机叶轮开设平衡孔，主要目的是减小转子轴向推力，多缸机组便于平衡轴向推力。现代气动理论研究表明，平衡孔的有无及面积大小，对通流级效率也有一定影响。冲动式汽轮机叶轮开设平衡孔，并结合通流动静匹配，合理设定平衡孔面积可以起到改善动叶根部流动、减小泄漏损失及其与主流的掺混损失并提高透平级做功能力。
与无平衡孔的透平级相比，随着平衡孔面积的增大，级效率逐渐提高；在叶轮结构和强度许可的条件下，设计时平衡孔面积应以保证设计工况时级间根部保持不吸不漏或少量漏气状态为最佳。
1.6隔板制造工艺优化
经过多年研究，隔板制造工艺取得新的进展。其中，围带整圈成型后激光加工型孔，小应力的窄焊缝技术，板体内外环整圈下料，整圈焊接，线切割中分面，得到了一系列应用。
采用窄焊缝的焊接技术是有效控制隔板变形手段之一，为控制静叶叶高、喉宽和面积在设计允许范围内从而使得机组通流效率达到设计值提供了可靠保证。
传统隔板采用隔板内、外环单半焊接方式，隔板焊接后产生的应力很不均匀，整体变形量大，中分面喉部尺寸很难控制，严重影响通流级效率。现新工艺方法是隔板整圈焊接后线切割中分面，可有效解决隔板焊接变形问题，是机组实测缸效率能够达到设计值的又一有效手段。
五、改造过程
2015年8月利用1号机组Ａ修时机，历时65天顺利完成设备安装、调试工作，11月10日机组启动一次成功，并顺利带满额定负荷。改造后各轴瓦振动指标均达到优良水平，汽轮机运行平稳，各参数正常，1号汽轮机本体通流改造后，将高压缸效率提高至87%（VWO工况），中压缸效率提高至93%，低压缸效率提高至86.7%，改造后额定工况（THA工况）热耗率为7917.5 kJ/（kW•h），达到了预期效果。
六、经济性及安全性评价
1、改造前、后经济性的对比（每吨标煤约240元，改造前后煤耗降低10g，典型工况负荷率80%）
2、改造前、后安全性能的对比
改造前存在轴封漏汽等隐患严重影响周围的环境和其他部位的安全运行，给安全文明生产带来极大的隐患，易发生设备火灾及油中进水等不安全事故，严重影响设备安全；改造后提高了设备的健康水平，保证了设备长周期的安全运行。
七、结论
北重NC330-17.75/0.4/540/540型汽轮机通过改造，机组热力性能得到显著提高，其缸效率、热耗水平达到国内300MW机组的领先水平，取得了很好的社会效益和经济效益，为同类型机组的通流改造起到了良好的借鉴作用。
参考文献：
[1]康松、杨建明、汽轮机原理（M），中国电力出版社，2000.15（5）；16-22
[2]张零一，关于提高国产引进型300MW汽轮机高压缸效率的探讨（J）.热力发电，2001（3）.78-81
论文作者:魏东,吕生龙,张勇
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/12
标签：通流论文; 机组论文; 隔板论文; 汽轮机论文; 损失论文; 效率论文; 宝鸡论文; 《电力设备》2017年第30期论文;