摘要：通过对非OEM汽轮机组研究，应用最新通流改造技术整体结构设计技术对非OEM机组进行通流改造，达到节能降耗要求。
关键字：非OEM机组，通流改造
1 引言
2014年9月12日国家发展改革委、环境保护部、国家能源局联合下发了《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020）》文件，火电机组的汽轮机通流改造项目进入了快车道。随着近十年来汽轮机通流技术的快速发展，S公司在引进吸收国外先进汽轮机技术的基础上不断自主创新开发出了新一代的具有自主知识产权的先进的通流整体叶片设计技术，该技术的先进性、高效性已在超超临界600MW～1000MW大功率机型得到了实际验证。并将这些先进的技术推广应用到国内已投运的S公司生产的超临界及亚临界300MW～600MW等级机组通流改造中，根据已改造情况，实际效果十分明显。
2 项目简介
河北省某电厂安装有两台超临界600MW燃煤机组，汽轮机为国内H汽轮机厂有限公司生产的CLN600-24.2/538/566型超临界、一次中间再热、三缸四排汽、单轴、凝汽式汽轮机，制造产品代号CH01，两台机组均于2006年投产，汽轮机额定功率600MW，设有八段回热抽汽，分别供给3台高压加热器、4台低压加热器、除氧器和给水泵汽轮机。
汽轮机原设计额定工况下热耗为7577.5 kJ/kW.h，高压缸设计缸效率为87.56%，中压缸设计缸效率为93.96%，低压缸设计缸效率为92.03%。在实际运行中汽轮机各缸通流效率均低于设计值，其经济性明显落后于同级别机组的先进水平，各缸效率明显偏低的事实反应出机组实际性能较差，导致汽轮机热耗率偏高。为此，电厂拟对其实施技术改造，以期提高机组的经济性，实现节能减排，同时对机组进行增容，提高企业的市场竞争力和经济效益。原制造厂家在此类型机组的改造虽然有技术上的更新，但对机组改造后的能耗下降及缺陷处理方面仍存在一定问题，该厂联系S公司技术人员分析。经初步勘测、调研后确定机组主要存在以下问题：
1)通流级数偏少，各级焓降分配不尽合理。
该机型为三缸四排汽结构，高压I+9级，中压6级，低压2×2×7级。从机组通流设计的角度看，高、中压缸通流级数偏少，级平均焓降较大，相应通流损失增大，影响机组通流效率。
2)静叶、动叶气动性能不佳。
3)高中压内部套结构设计落后，内部套数量较多，接合面较多，发生变形后内漏严重。
4)缸体变形、泄漏，5、6抽超温问题突出。
根据实际运行情况，汽轮机低压五抽、六抽蒸汽温度明显超温，低压内缸结构设计上刚度不足，导致低压内缸中分面变形较大，前面级蒸汽经中分面漏入后级，从而导致五抽、六抽温度超温。
5)汽封间隙偏大，汽封系统漏汽量大。
3 非OEM机组通流改造前期准备工作
对于汽轮机通流改造设计需要机组全部准确的数据，而非OEM生产制造的机组，则需要到现场针对机组实际情况进行测绘和收资。不同的技术流派，不同的生产厂家，不同的电力公司，如果机组之前已经有过改造，或者机组大部件有过返厂检修情况、现场打磨修正等情况，会使得情况更加复杂。对所需改造汽轮机进行有效的、精确的实际测绘工作，对后期的技术设计、生产都非常重要。
对于非OEM设计制造的机组测绘的尺寸应尽量全面，需覆盖到所有改造部套与非改造部套的配合尺寸和一些关键的定位尺寸（例如轴承跨距、进汽插管中心线距离、转子长度等）以及基本的布置尺寸（例如回热抽汽口口径和布置、高、中压进汽口的布置、低压外缸上与中低压连通管配合的法兰螺孔布置、各温度压力测点的布置等等）。同时，考虑到机组的相关配合改造要求，高、中、低压外缸可能也需要进行改造，因而高中低压外缸的定位及配合尺寸也需要进行测绘。
4 非OEM机组通流改造设计方案
通过机组全面的测绘，收集到一手的数据资料，结合机组存在的问题，应用最新通流改造设计技术，对该机组重新进行全面的设计，其主要内容有：
1）调节级部分
由于原机组存在实测喷嘴流量较设计值偏大的现象，对调节级进行调整设计，将调节级设计流量减少2%，调节级后压力也减少2%。
2）高中压通流部分
根据原机组的结构形式分析计算，采用新通流技术优化设计高中压各级，在不更换机组外缸的情况下高压缸通流设计为I+12级，中压8级，以提高通流效率。采用动、静叶片均为整体围带型式弯扭马刀叶型，变反动度的设计原则、以最佳的气流特性决定各级的反动度，大量使用T型叶根，减小叶根蒸汽泄漏。
高、中压通流部分的优化改进详见下图所示：
图4.1高中压通流改造前—高中压缸装配示意图
图4.2 高中压通流改造后—高中压缸装配示意图
3）高中压本体部分：
高压内缸，蒸汽室，高压静叶持环做相应新的结构设计，中压静叶持环全新设计满足新通流需要。
采用新设计的高中压整体内缸，将原高压内缸与高压静叶持环、蒸汽室、中压隔热罩、中压#1持环合并，形成新的高中压内缸，通过原有结构设计与外缸轴向定位，支承键实现垂直方向的定位，顶部与底部的键槽实现横向定位。减少结构性内漏，降低现场安装调整时间。
新设计配以优化设计的高中压内缸，提高通流效果的同时兼顾原有缸体支撑配合固定结构，并满足原有抽气需求。同样对高压中内缸采用三维实体建模进行强度及密封性能计算。按照设计标准进行考核，满足机组设计运行方面的要求。
4）低压通流部分：
根据原机型的低压缸跨度，在保证外缸不更换的情况下适当调整低压通流级数，共9级叶片，Ⅰ缸、Ⅱ缸相同，每个缸左右不对称布置。
为解决#7低加疏水不畅问题，提高#7抽回热抽汽压力，并分别将抽汽口前移1级，抽汽口位于第2级（调阀端）、第4级（电机端）、第6级（两侧）、第8级（两侧）后，各加热器温度分布相对比较均匀。
对于末三级叶片的选用，则根据机组年运行负荷率的分布状况及背压条件，可以有多种末叶片选型，主要推荐形式有如下两种：
1)对于负荷率较高，运行在90%以上负荷小时数较多，平均背压在5.4kPa以下的电厂建议末级叶片仍采用1050mm长叶片系列。
2)对于负荷率偏低，运行在90%以下负荷小时数较多，平均背压在5.4kPa以上的电厂建议末级叶片采用915mm长叶片系列。
5）低压本体部分：
原有内缸结构复杂，较多的中封面螺栓布置安装检修费时费工，局部密封效果不是很好，长期运行带来一定的中封面、焊接件变形，漏汽。
新设计运用有限元计算手段对机组进行三维模拟仿真分析，采用了一种新型四边形的抽汽腔室结构和新的螺栓法兰布置方法，将传统的垂直径向隔板向进汽中心线倾斜，通过一块有孔的覆板连接径向隔板的内侧端部，组成一个可以满足抽汽要求的封闭四边形腔室。通过中分面少量的法兰和螺栓布置，利用汽缸的热胀以达到其运行状态自行密封的效果。从而解决传统螺栓密封技术存在的问题，是一种先进的利用特殊结构达到自密封的技术，此新型结构与原结构相比主要有以下两方面不同：
1）抽汽腔室型式的不同
新型结构的低压内缸抽汽腔室为一个封闭的整圈四边形构成，腔室的轴向尺寸增长，内部结构相对简单。整个结构恰似一个放大了的加强筋。其他的低压内缸抽汽腔室径向隔板和法兰的端部并不封闭，在进汽腔室旁的第一个抽汽腔室两侧隔板间甚至没有加强筋相连。
2）径向隔板的设计
新型低压内缸的径向隔板为斜向布置，而其他的低压内缸的径向隔板垂直于中分面法兰。斜向布置的隔板在轴向方向上的投影增长，能使轴向的温度梯度分布更均匀。
鉴于低压缸的功率在整个机组中占比较大，因而低压缸效率的高低对整个机组的效率影响也较大。原机组低压进汽部分由一斜段和一长直段组成，而新设计此部分采用三段渐缩结构。经建模后，通过CFD计算分析，得出三段渐缩结构的紊流度明显减小，速度分布更加均匀，气动性能明显改进。
图4.3 改造前低压内缸纵剖图
图4.4改造后低压内缸纵剖图
5 改造效果
针对该非OEM机型的测绘、重新设计、项目实施，将最新的通流改造设计技术应用到了该机组改造项目中，改造后解决了高压内缸变形、低压缸变形等问题，机组运行的安全可靠性得到了明显提升，同时降低机组发电煤耗及污染物排放，提高了机组运行的经济性，经过第三方试验单位的性能试验验证，该机组在改造后的各项性能试验指标（缸效、热耗等）及重点监视测点均能达到设计要求，100%THA负荷下的热耗率为7668.1 kJ/kW.h，低于保证值7670 kJ/kW.h；高压缸效率为87.66%，高于保证值87%；中压缸效率为93.95%，高于保证值93%；低压缸效率（UEEP）为89.56%，高于保证值87.3%
6 结论
试验结果表明，针对非OEM机组通流改造技术成熟，改造后机组的安全性及经济性得到了显著提高，机组各项指标达到设计要求，达到了国家节能减排的要求，处于同类型机组的先进水平，机组高效运行给用户带来了巨大的经济和社会效益。
论文作者:李春峰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/5/6
标签：通流论文; 机组论文; 低压论文; 汽轮机论文; 中压论文; 隔板论文; 叶片论文; 《电力设备》2018年第31期论文;