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1、全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 节能与环保 651 3 号汽轮机通流部分技术改造及效果评价 张发明 许文培 （湖北汉川电厂 湖北 汉川 431614） 【摘 要】湖北汉新发电有限公司 3 号机组由于生产年代早，受当时设计、制造技术限制，其经济性低下、 热耗率过高。通过采用现代化技术对通流部分进行改造，提高了机组经济性和使用寿命，其节能降耗，经济效益显 著。 【关键词】汽轮机 通流改造 增容 经济性 0 前言 国产引进型 300MW 汽轮机组，是 80 年代初我国引进美国西屋公司汽轮机制造技术，分别由上海 汽轮机有限公司和哈尔滨汽轮机有限公司制造。早期投运的机组
2、，由于受设计技术、制造水平的局 限，机组的技术经济指标已明显落后于当今先进的技术指标。因此目前国内外普遍的做法是在适当 的时期进行老机组的技术改造，把切实可行的新技术用上去，更换必要的部件使机组的热经济性、 可靠性以及出力都能提高，并能延长机组的寿命。 1 机组概况 湖北汉新发电有限公司 3 号汽轮机组是上海汽轮机厂生产的第三代引进优化型 300MW 汽轮机， 代号为 F156，型号为 N300-16.7/538/538，为反动式亚临界一次中间再热双缸双排汽凝汽式汽轮机， 该机组 1996 年 6 月投产。经过十多年的运行，汽轮机实际性能指标偏离设计值较大：改造前性能试 验经二类修正后的汽轮机
3、热耗率为 8818KJ/kW.h，比设计值 7921KJ/kW.h 增加了 897KJ/kW.h，高压 缸的实际缸效为 78.52%，比设计值 87.07%降低了 8.55%，影响机组发电煤耗率约 3.99g/kwh；中压 缸的实际缸效为 89.5%，比设计值 92.25%，降低了 2.75%。影响机组发电煤耗率约 1.56 g/kwh。同 时，3 汽轮机组一直存在 1 号轴振超标，瓦温高、6 号、7 号轴承振动大的设备隐患，机组安全可 靠性不高。为降低汽轮机热耗率，增加铭牌出力，解决机组存在安全隐患，有必要通过 3 号汽轮机 组通流改造提高机组效率，彻底消除机组安全隐患。 2 主要存在的问题
4、 2.1 本体结构设计不完善 2.1.1 本体结构设计是影响汽轮机性能水平的最基本、最关键的决定性因素。沿蒸汽流动的轨迹分 析，调节级的反流布置使高温高压蒸汽的流动损失较大，影响了高压缸的通流效率。 2.1.2 高中压部分级间焓降分配不合理，西屋原型机高压缸为 1+12 级，引进时，为增加一抽口， 将通流改为了 1+10 级，后经过制造厂优化改进，改为了 1+11 级，因此存在焓降分配不理想，速比 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 节能与环保 652 偏低的问题。 2.1.3 喷嘴与动叶不匹配，叶栅型线设计不合理， 喷嘴出口角较大， 相对节距较小， 气动性能不佳
5、， 型线损失较大；喷嘴面积不恰当，影响低负荷下机组的经济性；调节级汽封结构单薄，间隙设计偏 大，造成漏汽严重，调节级效率低。 2.2 动、静叶片型线设计落后 受上世纪 80 年代初的计算机辅助设计技术水平的限制，汽轮机叶片型线设计存在叶型损失、二 次流损失和攻角损失大等问题。通流设计和叶片气动热力设计技术水平低、不准确，高中压各监视 段普遍存在超压和超温现象。如下表： 项目 单位 额定工况设计值 3机额定工况试验值 试验电功率 MW 300.029 303.20 主蒸汽压力 Mpa 16.7 16.9 主蒸汽温度 538 530.94 主蒸汽流量 TH 907.030 1036.52 调节级压
6、力 Mpa 11.73 12.04 高排汽压力 Mpa 3.57 4.10 高排汽温度 317.6 333.92 再热汽压力 Mpa 3.21 3.62 再热汽温度 538 525.79 再热汽流量 TH 745.349 851.13 中排汽压力 Mpa 0.79 0.89 中排汽温度 335.1 326.61 一抽压力 Mpa 5.87 6.30 一抽温度 383.8 396.58 二抽压力 Mpa 3.57 4.04 二抽温度 317.6 339.19 三抽压力 Mpa 1.62 1.85 三抽温度 435.5 452.76 四抽压力 Mpa 0.79 0.89 四抽温度 335.1 32
7、2.89 排汽压力 Mpa 4.9 7.28 给水温度 273.8 280.47 2.3 汽轮机通流部分的蒸汽泄漏严重 2.3.1 中压缸平衡盘漏汽率较大，导致该机高压缸效率低和中压缸效率虚高。 2.3.2 汽轮机动叶叶顶汽封齿数少且为平齿，汽封间隙大，次末级和末级叶片顶部无围带，蒸汽泄 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 节能与环保 653 漏严重。 2.3.3 由于结构设计不合理，高压进汽插管， 高、 中压中间部分轴封、 高压缸夹层蒸汽泄漏量较大， 也是导致汽轮机经济性能差的原因。 2.4 汽缸、持环、隔板套变形 由于设计和制造原因同型汽轮机均存在高中压缸上下
8、缸温差和变形大、 低压内缸中分面变形大， 导致汽缸结合面漏汽和通流部分径向汽封磨损，使汽轮机的热力性能下降。该机高中压外缸严密性 超标、中压进汽平衡持环水平中分面间隙超标等问题一直存在。 2.5 通流部分的完整性受到损伤 机组经过十多年的运行,存在老化现象.包括叶片表面粗糙,固体粒子侵蚀,叶片出汽边吹损,汽 缸变形大导致中分面漏汽及汽封径向磨损使间隙变大,通流部分结垢等都会引起机组热经济性降低. 2.6 机组在安全性方面存在的问题 2.6.1 3 号汽轮机高压转子 1 号轴颈损伤严重：1 号轴颈整段磨损，表面形成密集的沟槽，用常规 方式进行修复困难，由于轴承油膜形成不好，轴承承载能力下降，轴承
9、工作稳定性及可靠性下降， 造成 1 号轴振超标。 2.6.2 末级叶片顶部出汽边水冲蚀严重、司太立合金片脱落。 3 技术改造思路 3.1 改造目标： 3.1.1 通过改造，纯凝工况机组额定功率增加到 315MW，铭牌功率为 330MW，机组具有良好的变负 荷性能和灵活的调峰运行能力。 3.1.2 通过改造， 降低机组热耗， 改造后机组在热耗验收 （THA） 工况下热耗水平不高于1880kCal/kWh （7871.2kJ/kWh） 。 3.1.3 通过改造，消除机组目前存在的缺陷，延长寿命，提高机组的可靠性、经济性。 3.2 改造范围 3 号汽轮机通流改造采用高、中、低三缸全改的整体方案，即高
10、中压缸除保留高压外缸和中压 内缸外，其余部套包括高中压转子全部更换，低压缸保留缸体及转子，仅更换动、静叶片和汽封。 3.3 改造主要技术措施 3.3.1 调节级由反流结构改为顺流结构（如图 1 所示） ，减小压损，提高高压缸效率。 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 节能与环保 654 图 1 高中压部分示意图 3.3.2 调整喷嘴面积；改变密封结构。全周当量喷嘴数 136 只，有效喷嘴数为 112 只。喷嘴出口增 加了汽封齿齿数，汽封齿密封间隙由原来的 2.5mm 减小至 1.00.2mm，减小了漏汽。 几何数据: 调节级 平均直径 mm 有效出口高 度 mm
11、叶片宽度 mm 有效出口 面积 cm 2 汽道数 面积比 Fd/Fp 喷嘴 1061.3 22.9 50.8 201.69 126/132 原设计 动叶 1064.3 27.94 63.50 311.20 72 1.543 喷嘴 33.6 34 215.01 112/136 新设计 动叶 1000.0 34.0 66.0 332.81 75 1.548 3.3.3 新设计的高压通流增加一级，即由 11 级增至 12 级；同时抬高各级根径。 新设计的中压通流增加一级，即由 9 级增至 10 级；中间再热第一级轴向倾斜，一是改善再热蒸 汽进汽流动工况；二是从改善抗 SPE 性能的角度，减少 SPE
12、。 3.3.4 采用四维技术对收缩子午面调节级叶栅的收缩规律、动静叶型匹配、轴向间距和叶片只数进 行优化，进一步减少了二次流损失，提高了调节级效率。 3.3.5 新设计的高、中、低压叶片均采用高效弯扭叶型。 3.3.6 动叶顶部汽封由平齿汽封改为了迷宫（高低齿）式汽封或蜂窝汽封。迷宫式汽封还增加了齿 数。高中压各平衡活塞和高中低压轴封部分采用了蜂窝汽封，减小了密封间隙。 3.3.7 新设计中高压进汽插管和一抽插管都采用高衰减的堆叠式密封结构降低漏汽量。 3.3.8 只对低压通流部件进行了更换， 通过对总体通流设计的优化和采用四维技术优化高效动静叶 片、先进的蒸汽泄漏控制技术、汽封型式的改进和原
13、有不合理结构的改进，低压缸性能可以得到较 大幅度的提升。 （如图 2 所示） 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 节能与环保 655 图 2 低压部分示意图 4 改造实施过程 湖北汉新发电有限公司 3 号汽轮机通流改造工程于 2009 年 9 月 15 日开始，11 月 26 日完工， 历时 71 天。在实施过程中主要把握以下几点： 4.1 把握设计环节，与设计人员加强沟通，不断优化设计方案。比如增加高压内缸上部定位键，优 化夹层冷却蒸汽流程。 4.2 把握制造环节，加强设备监造力度。及时纠偏制造过程中出现的加工质量偏差。监造过程中及 时发现了低压转子叶片装配间隙
14、超差、高压转子小轴对轮加工误差、高压内缸与喷嘴室装配误差三 项重大缺陷。 4.2 把握安装环节，严格控制通流部分装配间隙，精心调整汽缸及轴系找中，力求保证轴系的稳定 性及机组的经济性。 5 改造效果 5.1 机组带负荷能力 改造后机组最大运行负荷 348.5MW。 5.2 汽轮机主要运行参数 改造后汽轮发电机组轴承温度：推力轴承温度52，汽轮机径向轴承温度90，发电机、 励磁机轴承温度75，均合格。 汽轮发电机组 1-7 号轴振值0.05mm，优良。 5.3 设备缺陷消除 改造前存在的 1 号、4 号轴颈磨损严重、各径向轴承瓦面磨损，间隙超标、#1 轴振值超标严重 （120um 以上） 、高压
15、前轴封漏汽量大等一些影响机组安全经济运行的重大缺陷均得以消除。 5.4 改造后热力试验初步结果 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 节能与环保 656 未经修正的初步结果为：在 THA 工况下机组热耗率为 8050kj/kwh 左右，高压缸效率 84.83%， 中压缸效率 92.78%。通过改造 3 号汽轮机组目前的能耗水平基本达到了预期的目标。 6 改造的经济性评价 6.1 改造前汽轮机铭牌功率为 300MW，改造后汽轮机铭牌功率增加到 330MW。 6.2 改造前热力试验初步结果为：经二类修正后的汽轮机热耗率为 8818KJ/kW.h。高压缸的实际缸 效为 7
16、8.52%，中压缸的实际缸效为 89.5%；改造后不经任何修正，在 THA 工况下机组热耗率为 8050kj/kwh 左右,高压缸效率 84.83%，中压缸效率 92.78%。按热耗设计值计算，改造后热耗率降 低 768 KJ/kW.h，发电煤耗降低约 25g/kW.h。 7 结束语 国产引进型 300MW 汽轮机组实际运行能耗普遍偏高，通过采用一系列先进的技术，对汽轮机通 流部分实施现代化的改造。能够大幅提高汽轮机组的整体经济性水平，取得显著的经济效益，节能 效果十分明显。 作者简介： 张发明（1969- ）男，湖北云梦人，高级工程师，供职湖北汉川电厂生技部，主要从事热力设备及热力系统经 济性方面的研究。 许文培（1970- ）男，湖北武汉人，工程师，湖北汉川电厂热机检修部汽机专工，主要从事 300MW 火电机组的 汽机检修及技术管理工作。