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[摘要] 黄埔电厂#5、#6 机给水泵汽轮机由上海汽轮机厂制造，设计于上世纪七八十年代，出厂于1986 年，受限于当时的设计、制造和安装水平，该机在性能上落后于当前科技水平,且经过多年的运行，机组还暴露出一些安全上的隐患及经济性的下降，我们将在文中论证该机组给水泵汽轮机通流改造的必要性，为改造工作论证和铺垫。
[关键词] 汽动给水泵、机组效率、通流改造
一、改造项目概况：
黄埔电厂 330MW 汽轮机,厂内编号为#5、#6 机，系上汽厂生产的亚临界、单轴、一次中间再热、四缸、四排汽、冲动、凝汽式汽轮机。每台 330MW主机各配备两台 50%容量的汽动给水泵组，给水泵汽轮机为上汽制造的：G6-7(165)-3型凝汽式小汽轮机，配套沈阳水泵厂引进KSB技术生产的50CHTA/7 主给水泵,前置泵由电机单独驱动。正常工况下小汽轮机用汽由主机四段抽汽供给，一般情况下不使用备用汽源，主机低于30%负荷时启动电泵上水；排汽经过下排汽接管进入主机凝汽器。
G6-7(165)-3 型小汽轮机设计参数
该小汽轮机汽缸为单层缸结构，共 1 个调节级和 6 个压力级，主机 4 抽蒸汽经 1 个主汽阀后通过一组6 个提板式调节阀从前缸上半分别进3 个蒸汽室，对应喷嘴数分别为 5、14、5，其中中间 4 个调节阀对应同一个蒸汽室。蒸汽室蒸汽通过调节级进入小汽轮机的 6 个通流压力级，最终排汽通过下排汽接管进入主机凝汽器。 前后缸皆为铸造结构，隔板直接安装在高低压缸上，低压末级动叶片长255mm，调节级和 2~5 级压力级叶根为单倒 T 型叶根，第6、7 级为双倒 T 型叶根。转子为整锻带中心孔转子，后输出采用油润滑齿式联轴器与主给水泵联接，盘车电机通过皮带传动从排汽端驱动转子，测速齿轮设在转子推力盘前，而推力盘设置在前轴承箱内。转子前后轴承跨距2560mm，前轴承为推力径向联合轴承，前后径向支撑轴承均为φ160mm 可倾瓦轴承。
二、泵组目前存在的问题与改造的必要性
1、泵组运行经济性差
湖北青山电厂有 4 台小汽机与当前黄埔电厂的完全相同。 按 2009.08.26 西安热工院在青山电厂 12#机上试验的结果，12#主机的 1、2 号汽泵组平均效率 56.27%，其中前置泵和主泵总效率达到了 79.13%，而两台小汽轮机的平均效率仅为70.34%，进行进排汽参数修正后折合到额定工况效率仍然<71%。
2、小汽机安全性差
（1）该型小机有明显的设计缺陷，末 3 级叶片容易断裂。 同型机组在沙 A 电厂、马二电厂和青山电厂都曾经发生过小机末叶片断裂事故。从该型机组近 100 台运行情况来看，该问题具有普遍性。黄埔电厂次末级叶片已经断裂、水蚀后经过更换，但未从根本上解决问题。
（2）该型小机后两级动叶片水蚀严重，影响效率的同时存在安全隐患。
（3）后 3 级动叶无围带设计。 既不能形成有效阻尼抑制叶片振动，又导致叶尖漏汽损失增大。
3、小汽轮机通流改造必要性
影响该汽轮机性能的原因经分析主要有以下几点：
（1）该小汽轮机叶片型线设计技术比较落后，通流叶型损失、二次流损失较大，压力级效率低；
（2）汽轮机子午面通流光顺程度较差，流动损失较大；
（3）焓降分配和速比不合理，轮周效率偏低；
（4）末 3 级动叶无围带设计，其叶顶漏汽损失大；
综上所述，为保证锅炉给水泵组的安全性和经济性，有必要对小汽轮机进行相应的通流改造。
三、通流改造的可行性
锅炉给水泵小汽轮机作为电厂发电的主要辅机，其安全性、可靠性与经济性同等重要，需要采用不同于电站汽轮机设计的驱动用工业汽轮机设计技术，目前国内已具备这类技术条件。
四、改造的主要技术措施
在改造中采取GE 给水泵汽轮机设计制造中成熟先进的技术，在小汽机缸体不做更换的基础上，对BFPT 的内部通流进行优化设计。为保证机组安全稳定性，全部设计及生产都将按GE 的工业汽轮机标准严格执行。
1、通流结构优化
按最优速比设计原则调整通流几何尺寸、叶片高度和角度优化，合理优化各级焓降分配。
2、通流光顺
高低压各级动叶片均采用自带围带整圈联接，动叶围带设计为内斜外平结构，光顺设计流道、动叶片根部及相邻静叶片根部与顶部，使小汽机通流子午面形成几何光滑的锥形膨胀通流截面，锥形扩张角按GE 的BFPT 设计准则设计使流动损失减少。
3、动叶型线优化
机组改造后效率的提高主要是靠 GE 改进型的 SCHLICT 叶片设计来实现的。前 4 级动叶使用 SCHLICT 系列的 SC 直叶型，其余长叶片级选用 SCHLICT 系列的L-0 和 L-1 型三维可控涡弯扭叶型，该叶型除具有很小的型损外，还具有很好的攻角适应性，叶型效率在很宽的攻角范围内变化很小，因而能使机组在很大的负荷变化范围内都具有高效率。
动叶型线优化后，汽轮机可以在较大的变工况运行范围内保持较高的效率，并且能够降低动叶的激振力水平，提高机组的安全性。
4、分流叶栅
短叶片级采用GE 的A4C 系列截面叶型，该叶型专门为工业汽轮机的高雷诺数低膨胀比级设计。改造后的小汽轮机短叶片级静叶采用经全四维技术优化的分流叶栅技术，并针对工业汽轮机变工况复杂的特性进行专门设计，合理选取大小叶片结合的方式和比例，不仅能增加隔板强度还能减少流动损失，且将变工况攻角损失控制在一定范围内，继而提高机组的变工况级效率。
5、弯扭叶片
长静叶级采用GE 的N系列低雷诺数大膨胀比的三维弯扭联合成型叶片，能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，并采用四维技术进行非定常优化，减小二次流损失，提高级效率。
6、蒸汽泄漏控制
在GE 原设计的基础上，采用全四维精确设计方法，将隔板汽封、围带汽封以及平衡孔结构真实纳入到叶片流场设计和分析中，进行多通道、多级联算，可对蒸汽泄漏通道部件进行优化，不仅保证最小的蒸汽泄漏量，还使得泄漏蒸汽对主流的干扰最小，提高通流效率。可根据电厂需要选用蜂窝汽封、刷式汽封或迷宫式汽封。此外，全部动叶片均为自带冠结构，加密叶顶汽封齿数；采取适当措施减少动叶根部蒸汽泄漏。
7、材料
本次通流改造的材料选用GE在330MW、600MW等级别锅炉给水泵汽轮机中已广泛使用的材料，下表为通流改造部分关键部件的材质。
8、动叶强度
改造后短叶片级动叶根均采用 GE 的 FG 系列双菌型叶根，长叶片级采用 FM系列双菌型和 FA 系列枞树型叶根。先进的气动设计和结构强度设计、合理的选材和良好的工程应用将避免末级叶片的水蚀问题，叶根选用 GE 高强度 FA-3 枞树型叶根（GE 600MW 50%容量末叶片叶根）。
（1）次末级和末级叶片选用高性能的 17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb），该叶片材料强度与 GE 原设计强度相当，且抗水蚀性能更好，内阻尼大；
（2）自带冠动叶设计，运行时自动连接成整圈，降低叶片动应力，减少漏汽损失；
（3）控制末级叶片沿叶高的反动度分布提高叶片的气动性能，根部采用高反动度设计，消除低负荷时根部倒流引起的根部出汽边水蚀，提高叶片安全性。
9、转子与轴系
转子为整锻无中心孔转子，在强度方面采用先进的有限元结构设计分析软件进行转子的强度设计、分析和校核。
转子动力学设计方面，采用专业的转子动力学软件Samcef/Rotor 对转子静态特性、临界转速、轴系稳定性、不平衡质量响应进行分析，保证机组临界转速避开率>15%；制造过程中，转子的动平衡遵循API 612-2003 质量控制标准，将不平衡量降到最小，按 API 标准进行的高速动平衡轴振动速度<1.2mm/s；运行过程中，在机组前轴承与后轴承处分别安装轴振测点，适时监测机组振动情况，保证机组安全运行。
轴系与轴承性能方面，采用美国 RBTS 公司先进的 ARMD-Bearing 软件对轴承的静态特性与动态特性进行详细的计算分析，保证轴系各项静特性与动态特性均满足运行要求。
10、焊接钢隔板
隔板全部采用新设计的焊接钢隔板。焊接钢隔板具有材质好、叶栅部分加工和装配精度高等优点，中分面为斜切式，通道精加工能确保静叶栅达到设计气动热力性能，并可延长隔板使用寿命。在隔板设计方面采用有限元方法对隔板的强度和挠度进行计算，彻底解决机组存在的隔板变形问题和强度问题，保证其安全可靠性。由于静叶出口汽道的误差将对动叶产生激振力，生产质量控制按 GE 特定准则来控制静叶出口汽道误差的相对集中度，从而控制变转速工业汽轮机的低阶激振力，保证动叶安全。
五、达到的技术指标和效益分析
给水泵小汽轮机改造后经济性可以达到同类型机组的先进水平。主机额定纯凝汽工况下小汽机汽效率提高到 83%。小汽轮机改造后主机额定工况下减少抽汽 6.17t/h，减少的抽汽量折合主机功率 1365.9KW，折合主机发电煤耗降低 1.49g/Kwh，按年发电 7000 小时计算，每年节约燃煤 3126 吨，年效益为 250 万元。按改造总费用 560 万元计算，约 2.2年即可收回全部投资。同时，通过技术改造，解决了汽轮机目前存在的叶片水蚀、断裂等安全隐患问题及其他缺陷。
从上述分析来看，对该机通流部分进行改造是必要和可行的，符合国家节能减排提效的政策。
作者简介：钟坤明（1971年10月），男，电力运行助理工程师，现从事电厂运行工作。
论文作者:钟坤明
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/13
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