王　艷

(北京龍威發(fā)電技術(shù)有限公司，北京100044)

200 MW級(jí)汽輪機(jī)噴嘴組技術(shù)改造

王艷

(北京龍威發(fā)電技術(shù)有限公司，北京100044)

摘要：針對(duì)200 MW級(jí)汽輪機(jī)噴嘴組在設(shè)計(jì)、制造、安裝方面存在的問(wèn)題，在研究其調(diào)節(jié)級(jí)熱力特性的基礎(chǔ)上，通過(guò)全三維氣動(dòng)建模分析調(diào)節(jié)級(jí)各項(xiàng)損失產(chǎn)生的原因及影響因素，同時(shí)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，尋求減少各項(xiàng)損失的途徑，提出了噴嘴組優(yōu)化改造的技術(shù)措施與方案：在動(dòng)、靜葉片的速度系數(shù)近似保持設(shè)計(jì)值不變的情況下，若調(diào)節(jié)級(jí)的密封情況良好，調(diào)節(jié)級(jí)的實(shí)際運(yùn)行效率主要取決于壓比、閥門開(kāi)度和部分進(jìn)汽度。調(diào)節(jié)級(jí)壓比熱力設(shè)計(jì)已確定，故認(rèn)為在噴嘴組的改造設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從減少調(diào)節(jié)閥門節(jié)流損失、降低調(diào)節(jié)級(jí)的部分進(jìn)汽損失、減小調(diào)節(jié)級(jí)靜葉柵的流動(dòng)損失、完善調(diào)節(jié)級(jí)密封結(jié)構(gòu)、改進(jìn)噴嘴組加工精度等方面采取措施，提高調(diào)節(jié)級(jí)效率。實(shí)踐證明，應(yīng)用200 MW級(jí)汽輪機(jī)噴嘴組改造技術(shù)對(duì)噴嘴組實(shí)施改造，改造后設(shè)計(jì)工況下，調(diào)節(jié)級(jí)效率均高于未實(shí)施噴嘴組技術(shù)改造機(jī)組的10%～15%，部分負(fù)荷工況下的熱力性能明顯改善，節(jié)能效果顯著。

關(guān)鍵詞：200 MW級(jí)汽輪機(jī)；噴嘴組；技術(shù)改造；節(jié)能效果

中圖分類號(hào)：TK264

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.08.013

收稿日期：2015-05-22。

作者簡(jiǎn)介：王艷(1984-)，女，工程師，從事汽輪機(jī)節(jié)能改造的研發(fā)、設(shè)計(jì)、技術(shù)支持等方面的工作，E-mail:wangyan@longwei.cn。

Abstract：To solve the existing problems with the 200 MW steam turbine nozzle set in aspects of design, manufacture and installation, this paper, on the basis of studying its thermodynamic properties, analyzed through three-dimensional aerodynamic modeling the reasons and influence factors about each loss on governing stage. Meanwhile, combined with the actual operation condition, the paper proposed technological measures and schemes on the optimal retrofit for nozzle set to reduce the loss: the speed coefficient of the moving and static blade approximately remaining unchanged, and the governing stage’s seal in good condition, the actual running efficiency of the governing stage is mainly determined by such factors as the pressure ratio, the open degree of valve and the degree of partial admission. The pressure ratio of governing stage having been determined during the thermal design, the retrofit design of the nozzle set should take measures to boost the efficiency of the governing stage from the reduction of the throttling loss of adjusting valve, of the loss of partial admission, of the flow loss of the static cascade, and the improvement of the seal structure of governing stage and of the processing precision of nozzle set. Practice showed that the governing stage efficiency for the reformed nozzle set for the 200 MW steam turbine, in the design conditions, was increased by 10%～15%, and that the thermal performance on part load conditions improved significantly with remarkable energy-saving effect.

Keywords：200 MW generic steam turbine; nozzle set; retrofit technology; energy-saving effect

0引 言

國(guó)內(nèi)200 MW級(jí)機(jī)組在經(jīng)歷國(guó)家“上大壓下”的節(jié)能環(huán)保政策后，目前在運(yùn)機(jī)組均不同程度擔(dān)任供熱等任務(wù)，短期內(nèi)不會(huì)關(guān)停，該等級(jí)機(jī)組在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)會(huì)長(zhǎng)期運(yùn)行。各電力試驗(yàn)研究單位對(duì)國(guó)內(nèi)多臺(tái)在運(yùn)200 MW級(jí)汽輪機(jī)做出的熱力性能試驗(yàn)結(jié)果表明，受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)水平和投運(yùn)年限等不同因素的制約，該等級(jí)汽輪機(jī)普遍存在熱耗偏高(未實(shí)施通流改造的機(jī)組高于設(shè)計(jì)水平300 kJ/kW·h以上)、高壓缸效率低(低于設(shè)計(jì)值3%～5%)以及機(jī)組性能隨負(fù)荷減少下降過(guò)快的問(wèn)題。

1200 MW級(jí)汽輪機(jī)運(yùn)行性能

國(guó)內(nèi)帶尖峰負(fù)荷的小機(jī)組普遍采用有調(diào)節(jié)級(jí)的噴嘴配汽方式，通過(guò)控制與噴嘴組相連的調(diào)節(jié)閥門的開(kāi)度，調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的進(jìn)汽流量。實(shí)踐證明，汽輪機(jī)的實(shí)際運(yùn)行性能與噴嘴組的通流能力、流動(dòng)效率等特性密切相關(guān)。

根據(jù)汽輪機(jī)原理并結(jié)合N200-12.75/535/535型凝汽式汽輪機(jī)熱力特性可知，高壓缸效率主要取決于調(diào)節(jié)級(jí)效率和高壓缸各壓力級(jí)的效率水平，在不同負(fù)荷工況下高壓缸各壓力級(jí)的效率變化相對(duì)較小(見(jiàn)表1)。

表1　某200 MW機(jī)組設(shè)計(jì)工況下壓力級(jí)效率

結(jié)合表1、表2數(shù)據(jù)得出結(jié)論(其中表2未考慮重?zé)嵝?yīng))：

(1)不同負(fù)荷工況下高壓缸效率降低的主要原因是調(diào)節(jié)級(jí)效率偏低；

(2)調(diào)節(jié)級(jí)功率占高壓缸功率份額大，且在部分負(fù)荷工況下，調(diào)節(jié)級(jí)功率占高壓缸功率份額進(jìn)一步增大。

表2　某200 MW機(jī)組調(diào)節(jié)級(jí)效率對(duì)機(jī)組熱力性能影響

注：計(jì)算發(fā)電煤耗取鍋爐效率為0.92，管道效率為0.99。

調(diào)節(jié)級(jí)的效率是以主汽門前的蒸汽狀態(tài)為膨脹起點(diǎn)、調(diào)節(jié)級(jí)后的蒸汽狀態(tài)為膨脹終點(diǎn)計(jì)算得到的，包含閥門節(jié)流損失和調(diào)節(jié)級(jí)的級(jí)內(nèi)損失[1]。調(diào)節(jié)級(jí)的級(jí)內(nèi)損失主要包括靜葉損失(包括葉型損失和端部損失)、動(dòng)葉損失(包括葉型損失和端部損失)、余速損失、部分進(jìn)汽損失、漏汽損失和葉輪摩擦損失。上述兩大類損失的大小決定了調(diào)節(jié)級(jí)效率的高低。

目前，我國(guó)在運(yùn)的200 MW級(jí)汽輪機(jī)的原制造廠家基本上沒(méi)有采取有效的技術(shù)措施來(lái)消除噴嘴組設(shè)計(jì)、制造、安裝環(huán)節(jié)存在的不合理因素，積極開(kāi)展200 MW級(jí)汽輪機(jī)噴嘴組改造技術(shù)研究，對(duì)提高機(jī)組運(yùn)行效率，降低機(jī)組發(fā)電煤耗具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

以某型200 MW汽輪機(jī)為研究對(duì)象，從技術(shù)原理上分析調(diào)節(jié)級(jí)各項(xiàng)損失產(chǎn)生的原因及影響因素，同時(shí)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，尋求減少各項(xiàng)損失的途徑，提出了噴嘴組優(yōu)化改造的技術(shù)措施與方案，開(kāi)發(fā)了200 MW級(jí)汽輪機(jī)噴嘴組改造技術(shù)。

2200 MW級(jí)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)存在的主要問(wèn)題

2.1　噴嘴組通流面積過(guò)大

噴嘴組原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為：四閥，每閥控制一段噴嘴組；噴嘴組由靜葉片、隔葉件、噴嘴組外環(huán)焊接而成。根據(jù)各制造廠提供的各種不同參數(shù)、型號(hào)的200 MW級(jí)汽輪機(jī)的熱力特性書(shū)，由噴嘴流量公式計(jì)算可知，國(guó)內(nèi)在役200 MW級(jí)汽輪機(jī)VWO工況下的通流能力普遍比設(shè)計(jì)通流能力大7%～10%。各試驗(yàn)研究單位的熱力性能試驗(yàn)報(bào)告，以及對(duì)200 MW級(jí)汽輪機(jī)運(yùn)行情況的調(diào)研結(jié)果，均表明國(guó)內(nèi)在役200 MW級(jí)汽輪機(jī)VWO工況下的實(shí)際通流能力比設(shè)計(jì)通流能力大7%以上。如某型200 MW級(jí)汽輪機(jī)，VWO工況下設(shè)計(jì)通流能力為670 t/h，實(shí)際通流能力可達(dá)754 t/h；再如，某型200 MW級(jí)汽輪機(jī)噴嘴組設(shè)計(jì)通流面積為227.53 cm2，將其通流面積縮小約10%后，汽輪機(jī)的通流能力仍然滿足通過(guò)與之配套的鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量，并有一定裕量。200 MW汽輪機(jī)噴嘴組出汽側(cè)視圖如圖1所示。

圖1　200 MW汽輪機(jī)噴嘴組出汽側(cè)視圖

如某廠200 MW級(jí)汽輪機(jī)，在背壓較好的情況下，不同負(fù)荷對(duì)應(yīng)的閥門開(kāi)度明顯偏小。在負(fù)荷216 MW，主汽流量667.1 t/h(接近設(shè)計(jì)鍋爐最大蒸發(fā)量670 t/h)工況時(shí)仍然只有GV1PZ，GV2PZ，GV3PZ 3個(gè)閥門開(kāi)足，GV4PZ開(kāi)度很小；在179 MW負(fù)荷工況下，只有GV1PZ和GV2PZ兩個(gè)閥門開(kāi)足；在159 MW負(fù)荷工況下，在機(jī)組采用滑壓運(yùn)行、主汽壓力偏離設(shè)計(jì)值較多的情況下，也只有2個(gè)閥門開(kāi)足。噴嘴組通流面積過(guò)大，使得汽輪機(jī)始終處于偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)較大的運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性下降；而在部分負(fù)荷工況下，噴嘴組通流面積過(guò)大將導(dǎo)致閥門開(kāi)度減小，節(jié)流損失增大，調(diào)節(jié)級(jí)效率和高壓缸效率降低。

2.2　氣動(dòng)設(shè)計(jì)相對(duì)落后

調(diào)研表明，國(guó)內(nèi)在役大部分型式的200 MW級(jí)汽輪機(jī)，原噴嘴組靜葉片型線和子午面型線是采用氣動(dòng)設(shè)計(jì)落后的層流葉型，屬于20世紀(jì)80年代的設(shè)計(jì)技術(shù)，氣動(dòng)分析表明，噴嘴組的葉型損失和端部二次流損失較大，葉型效率低。目前在噴嘴組葉片設(shè)計(jì)方面，大部分設(shè)計(jì)者仍然停留在相對(duì)傳統(tǒng)定常流設(shè)計(jì)理念下，未考慮時(shí)間對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)流場(chǎng)分布的影響，葉型設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)靜葉片型線、出汽角、葉片高度、子午面型線等配合不夠合理，靜葉二次流損失、尾跡損失、端部附面層摩擦損失仍較大，葉型效率不高。

2.3　制造工藝相對(duì)落后，加工精度較差

大部分型號(hào)的200 MW級(jí)汽輪機(jī)噴嘴組原設(shè)計(jì)為焊接結(jié)構(gòu)，由靜葉片與隔葉件、噴嘴組外環(huán)焊接而成，焊接量大，且制造工藝相對(duì)落后，加工精度較差。由于焊接變形、焊接熱影響區(qū)、焊接殘余應(yīng)力等因素不完全可控，導(dǎo)致焊接后噴嘴組的節(jié)圓直徑、汽道節(jié)距及喉口尺寸與設(shè)計(jì)尺寸均會(huì)偏差較大。例如，某型200 MW級(jí)汽輪機(jī)噴嘴組采用材質(zhì)為1Cr11MoV-5的焊接結(jié)構(gòu)，因焊接量大、焊接變形難以控制，導(dǎo)致整體加工精度差，其汽道節(jié)圓直徑、靜葉節(jié)距等參數(shù)與設(shè)計(jì)偏差較大。

3200 MW級(jí)汽輪機(jī)全三維氣動(dòng)分析

200 MW級(jí)汽輪機(jī)噴嘴組原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)均為：四閥，每閥控制一段噴嘴組，噴嘴組由靜葉片、隔葉件、噴嘴組外環(huán)焊接而成。

對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)整級(jí)的額定工作狀態(tài)進(jìn)行全三維的氣動(dòng)分析，調(diào)節(jié)級(jí)部分進(jìn)汽為非定常流動(dòng)。采用商業(yè)軟件Fluent，以RNG方程模型及結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建帶有蒸汽室的調(diào)節(jié)級(jí)計(jì)算模型，分析流動(dòng)的周向分布，對(duì)100%額定工況點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化[2]。

對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)靜葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得靜葉片型面的壓力分布更為合理，減少流動(dòng)損失，提高調(diào)節(jié)級(jí)的效率[3]。按照以下約束條件進(jìn)行優(yōu)化分析：

(1)調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片保持不變，即調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片型線、葉高、葉片數(shù)、安裝角等幾何尺寸均保持不變。

(2)對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)靜葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，應(yīng)確保調(diào)節(jié)級(jí)靜、動(dòng)葉片匹配良好。

(3)噴嘴組與噴嘴室的接口尺寸不變，優(yōu)化設(shè)計(jì)后噴嘴組與噴嘴室配合的外形尺寸不能改變。

(4)噴嘴組弧段數(shù)也不可改變，噴嘴組與調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉之間的靜、動(dòng)間隙滿足機(jī)組運(yùn)行的脹差要求。

(5)噴嘴組通流能力。 噴嘴組閥門全開(kāi)時(shí)，噴嘴組極限流量(堵塞流量)接近銘牌功率下的流量(注：原型機(jī)極限流量大于銘牌流量)。

(6)工作條件不變。包括進(jìn)口總壓、進(jìn)口總溫、出口背壓、轉(zhuǎn)速。

3.1　模型建立

采用三維非定常雷諾時(shí)均N-S方程描述調(diào)節(jié)級(jí)內(nèi)部流場(chǎng)，直角坐標(biāo)系下三維黏性可壓縮非定常流動(dòng)控制微分方程組的通用式：

式中：ρ為流體密度；t為時(shí)間；U為速度矢量；φ為通用變量，可以代表u，v，w，T，k和ε等求解變量；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義源項(xiàng)，將上式對(duì)不同變量展開(kāi)，可以得到連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程，采用IAPW IF97[4]公式擬合的水蒸氣狀態(tài)方程可封閉方程組[5]。

控制方程離散采用基于單元中心(即內(nèi)節(jié)點(diǎn)法)的有限容積法進(jìn)行，方程中的擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)離散采用二階中心差分法進(jìn)行，對(duì)流項(xiàng)離散采用Barth和Jesperson提出的高精度離散格式進(jìn)行，時(shí)間項(xiàng)離散采用Jameson的雙時(shí)間步隱式時(shí)間迭代方法進(jìn)行。

紊流計(jì)算模型采用了RNG方程[6]紊流模型，RNGk-ε湍流模型理論是將非穩(wěn)態(tài)N-S方程相對(duì)于一個(gè)平衡態(tài)做Gauss統(tǒng)計(jì)展開(kāi)，用脈動(dòng)瓶譜的波數(shù)濾波消除小尺度渦，將影響歸并到渦黏性之中，從而改善耗散率ε的模擬結(jié)果。RNGk-ε模型與k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型的不同之處是，ε方程源項(xiàng)中加入了一個(gè)非線性的附加項(xiàng)Rε，該項(xiàng)對(duì)于提高大應(yīng)變率流動(dòng)計(jì)算的精度非常重要，附加項(xiàng)的表達(dá)式：

式中：η=Sφk/ε；η0=4.377；β=0.012。

由于RNGk-ε模型采用了高Re數(shù)k-ε方程，因而葉片近壁面需要采用壁面函數(shù)來(lái)處理。

3.2　模擬分析

對(duì)某型200 MW級(jí)汽輪機(jī)進(jìn)行模擬分析，其調(diào)節(jié)級(jí)采用部分進(jìn)汽結(jié)構(gòu)，部分進(jìn)汽度為0.781 3(50/64)。額定工作狀態(tài)下，3個(gè)閥門全開(kāi)時(shí)部分進(jìn)汽度為0.562 5。部分進(jìn)汽結(jié)構(gòu)會(huì)引起鼓風(fēng)損失和弧段損失，通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)額定工況建模計(jì)算，分析鼓風(fēng)損失和斥汽損失在調(diào)節(jié)級(jí)部分進(jìn)汽時(shí)帶來(lái)的影響。

在對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)額定工況進(jìn)行全周計(jì)算時(shí)，計(jì)算域包含噴嘴組的3個(gè)弧段(36個(gè)汽道)和轉(zhuǎn)子全周94個(gè)汽道。由于額定工況時(shí)，對(duì)于不進(jìn)汽的噴嘴弧段的轉(zhuǎn)子汽道內(nèi)存在很大的漩渦區(qū)。為保證計(jì)算收斂，將出口位置沿Z軸向下游延伸3倍動(dòng)葉弦長(zhǎng)，如圖2所示。

圖2　調(diào)節(jié)級(jí)全周計(jì)算域

對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)額定工況下的三維流場(chǎng)進(jìn)行模擬，三維網(wǎng)格如圖3所示，邊界條件設(shè)置如下：

圖3　三維網(wǎng)格

(1)出口邊界：給定流量為173.89 kg/s；

(2)進(jìn)口邊界：氣流方向?yàn)檩S向，總壓和總溫沿徑向的分布按照計(jì)算的蒸氣室出口的總溫總壓給定，如圖4、圖5所示。

(3)固壁：無(wú)滑移固壁，絕熱。

(4)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：3 000 r/min。

圖4　總溫沿徑向的分布規(guī)律

圖5　總壓沿徑向的分布規(guī)律

在調(diào)節(jié)級(jí)三維流場(chǎng)計(jì)算中，判斷算例收斂的準(zhǔn)則為：總殘差降低至一定水平后不再降低；總參數(shù)隨迭代步數(shù)增加不再改變，總參數(shù)包括等熵效率、總壓比、總溫比等；總參數(shù)隨迭代步數(shù)增加呈周期性波動(dòng)。

經(jīng)過(guò)3 000次迭代計(jì)算后，全局殘差、總壓比、等熵效率以及進(jìn)出口流量呈周期性波動(dòng)，停止迭代計(jì)算。周期性波動(dòng)的收斂曲線，表明流場(chǎng)存在很強(qiáng)的非定常流動(dòng)現(xiàn)象，如圖6～圖11所示。

圖6　總壓比周期波動(dòng)

圖7　總溫比周期波動(dòng)

圖8　等熵效率周期波動(dòng)

圖9　進(jìn)出口流量周期波動(dòng)

圖10　靜葉出口絕對(duì)氣流角周期波動(dòng)

圖11　靜葉出口相對(duì)氣流角周期波動(dòng)

通過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn)，高損失區(qū)主要集中在弧段4(如圖1所示)，由于該區(qū)域無(wú)蒸汽流過(guò)，充滿大量的低速的湍流團(tuán)。故調(diào)節(jié)級(jí)在部分進(jìn)汽工況時(shí)，弧段損失和鼓風(fēng)損失較大。

總壓比、總溫比、等熵效率、進(jìn)出口流量、靜葉出口絕對(duì)汽流角等參數(shù)隨時(shí)間周期變化規(guī)律，計(jì)算得出100%額定工況調(diào)節(jié)級(jí)等熵效率時(shí)均值為0.379，表明部分進(jìn)汽結(jié)構(gòu)帶來(lái)的鼓風(fēng)損失和斥汽損失占調(diào)節(jié)級(jí)總損失的很大一部分。

結(jié)合以上模擬分析結(jié)果和200 MW級(jí)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)熱力特性可知，在動(dòng)、靜葉片的速度系數(shù)近似保持設(shè)計(jì)值不變的情況下(即動(dòng)、靜葉片在運(yùn)行中不出現(xiàn)結(jié)垢、破損、變形等導(dǎo)致葉型發(fā)生較大改變時(shí))，若調(diào)節(jié)級(jí)的密封情況良好，則調(diào)節(jié)級(jí)的實(shí)際運(yùn)行效率主要取決于壓比、閥門開(kāi)度和部分進(jìn)汽度。調(diào)節(jié)級(jí)壓比熱力設(shè)計(jì)已確定，故在噴嘴組的改造設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從減少調(diào)節(jié)閥門節(jié)流損失、降低調(diào)節(jié)級(jí)的部分進(jìn)汽損失、減小調(diào)節(jié)級(jí)靜葉柵的流動(dòng)損失、完善調(diào)節(jié)級(jí)密封結(jié)構(gòu)、改進(jìn)噴嘴組加工精度等方面采取措施，提高調(diào)節(jié)級(jí)效率。

4200 MW汽輪機(jī)噴嘴組改造技術(shù)方案與措施

針對(duì)200 MW級(jí)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)存在的問(wèn)題，結(jié)合調(diào)節(jié)級(jí)熱力特性的研究結(jié)果，提出了噴嘴組改造方案及技術(shù)措施。

4.1　改造方案

由前面分析可知，噴嘴組在設(shè)計(jì)、制造方面存在諸多不合理因素是導(dǎo)致200 MW級(jí)汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行熱力性能差的主要原因之一。為提高改造的可靠性、節(jié)約改造成本，200 MW級(jí)汽輪機(jī)噴嘴組改造采用不更換調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片的技術(shù)方案。即調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片仍采用原葉片，僅更換噴嘴組及相關(guān)附件，改造后應(yīng)確保調(diào)節(jié)級(jí)靜葉與動(dòng)葉匹配良好。

4.2　改造采取的主要技術(shù)措施

(1)噴嘴組通流面積優(yōu)化設(shè)計(jì)

以汽輪機(jī)VWO工況能夠通過(guò)鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量為主要設(shè)計(jì)原則，應(yīng)用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)熱力計(jì)算程序計(jì)算確定噴嘴組通流面積。在確定通流面積時(shí)，采用定制式設(shè)計(jì)方法，綜合考慮了擬改造汽輪機(jī)的閥門與管道壓損、調(diào)節(jié)級(jí)反動(dòng)度(隨動(dòng)靜面積比變化而改變)、調(diào)節(jié)級(jí)后壓力(相同機(jī)型因不同機(jī)組第一壓力級(jí)靜葉通流面積不同而略有不同)等多種因素。按照該設(shè)計(jì)方法可以精確確定汽輪機(jī)噴嘴組需要的通流面積，在不更換高壓進(jìn)汽閥門的情況下，能夠最大程度地減小在役汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥門的節(jié)流損失。

由汽輪機(jī)原理可知，噴嘴組的通流面積由有效汽道數(shù)、出汽邊葉高和喉口3個(gè)參數(shù)確定[1]，因此，可以采取減少有效汽道數(shù)、縮短出汽邊葉高、減小喉口等方案縮小噴嘴組的通流面積，理論上可供選擇的典型方案如下：a.在有效汽道數(shù)和喉口保持不變的情況下，縮短靜葉出汽邊高度；b.在有效汽道數(shù)、葉高、節(jié)距保持不變的情況下，將喉口縮??；c.在葉高和喉口保持不變的情況下，將有效汽道數(shù)減少；d.綜合采取縮小喉口、縮短葉高、減少有效汽道數(shù)的方案。若減少靜葉片的有效汽道數(shù)，一方面調(diào)節(jié)級(jí)的部分進(jìn)汽度將減小，部分進(jìn)汽損失增大；另一方面，在相同主汽流量下，調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉受到的蒸汽作用力將增大。從安全性、經(jīng)濟(jì)性方面綜合考慮，不建議采用減少汽道數(shù)的方案。在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)擬改造汽輪機(jī)的實(shí)際情況，對(duì)調(diào)整葉高、喉口、安裝角等各種技術(shù)方案進(jìn)行氣動(dòng)分析和熱力計(jì)算，經(jīng)綜合比較后確定相對(duì)最優(yōu)的方案[7，8]。

(2)噴嘴組氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué)和有限元結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，在設(shè)計(jì)方面有了較大進(jìn)步。新技術(shù)氣動(dòng)設(shè)計(jì)相對(duì)傳統(tǒng)定常流設(shè)計(jì)理念，同時(shí)考慮非定常因素，數(shù)值模擬并優(yōu)化汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)流場(chǎng)分布，依據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化噴嘴組葉片型線和子午面收縮型線及通道收縮比，合理配置沿靜葉葉高的氣動(dòng)載荷分布，從而降低進(jìn)汽汽流攻角敏感性，減少葉片型線損失、尾跡損失，提高流動(dòng)效率。圖12為某型200 MW汽輪機(jī)優(yōu)化前后的噴嘴組子午面型線圖。

圖12　某型200 MW汽輪機(jī)優(yōu)化前后噴嘴組子午面型線

(3)優(yōu)化噴嘴組汽道電火花加工工藝

200 MW調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴組原設(shè)計(jì)為焊接結(jié)構(gòu)。由于焊接變形、焊接熱影響區(qū)、焊接殘余應(yīng)力等因素不完全可控，導(dǎo)致200 MW噴嘴組實(shí)際加工產(chǎn)品與設(shè)計(jì)存在不小偏差。采用整體電火花加工(以下簡(jiǎn)稱EDM：Electrical Discharge Machining)成型，改進(jìn)加工制造工藝，有效提高噴嘴組加工、制造、安裝精度，減小流動(dòng)損失，提高調(diào)節(jié)級(jí)效率。

圖13為采用優(yōu)化工藝加工后的噴嘴組，其中影響噴嘴組EDM加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素包括電加工參數(shù)、電極材料與型式、汽道加工時(shí)的定位精度。為保證汽道加工時(shí)的精確定位，確保汽道節(jié)距滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了噴嘴組EDM整圈加工工裝。采用紫銅制作EDM加工的電極材料，通過(guò)多次工藝試驗(yàn)，確定了合理的電加工參數(shù)，在保證靜葉型線加工精度的同時(shí)，最大程度地降低EDM加工對(duì)靜葉出汽邊的淬硬。為便于噴嘴組端部汽道的加工，并保證端部汽道的加工精度，設(shè)計(jì)制作了異型電極。

圖13　采用優(yōu)化工藝加工的噴嘴組

5改造效果

機(jī)組運(yùn)行情況表明，改造后汽輪機(jī)各軸承振動(dòng)、推力瓦與各徑向軸承的金屬溫度、各監(jiān)視段壓力等安全性指標(biāo)均在優(yōu)良范圍內(nèi)。并且在相同的主進(jìn)汽流量、主蒸汽和再熱蒸汽參數(shù)下，調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)后溫度及高壓缸排汽溫度將比改造前有所下降，使得改造后高壓缸效率和調(diào)節(jié)級(jí)效率更接近于設(shè)計(jì)值，甚至超過(guò)設(shè)計(jì)值。表3為某廠6號(hào)汽輪機(jī)實(shí)施噴嘴組技術(shù)改造后與改造前的熱力性能數(shù)據(jù)對(duì)比[9]。

表3　某廠6號(hào)汽輪機(jī)噴嘴組改造前后熱力性能對(duì)比

本次大修6號(hào)機(jī)高壓葉頂及隔板汽封僅進(jìn)行了汽封間隙調(diào)整，由于葉頂及隔板均為可退讓式汽封，調(diào)整前后汽封間隙值變化很小，且壓力級(jí)在不同負(fù)荷下級(jí)效率變化非常小，故該項(xiàng)大修內(nèi)容對(duì)高壓缸效率的影響很小，高壓缸效率提升主要?dú)w于噴嘴組優(yōu)化改造。

綜合6號(hào)機(jī)高壓部分本次大修內(nèi)容及大修后試驗(yàn)參數(shù)情況，保守估算6號(hào)機(jī)噴嘴組改造帶來(lái)的收益如表4(其中標(biāo)煤價(jià)格按照600元/t，機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)5 000 h)。

項(xiàng)目的實(shí)施極大地提高了機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)性能，機(jī)組的無(wú)煤耗功率增加，單位發(fā)電成本降低，發(fā)電企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力得以大大提高。同時(shí)由于燃煤量的減少，CO2，NOx等有害氣體及煙塵實(shí)現(xiàn)大量減排，社會(huì)環(huán)境得到有效改善，符合我國(guó)節(jié)能、環(huán)保的宏觀能源產(chǎn)業(yè)政策，對(duì)我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的現(xiàn)代化發(fā)電企業(yè)具有重要意義。

表4　某廠6號(hào)機(jī)組噴嘴組改造效益

注：上述計(jì)算為保守計(jì)算，僅計(jì)算了改造后節(jié)約煤耗獲得的收益，未計(jì)及由于改造獲得的增容、減排等方面的收益。

6結(jié)論

調(diào)節(jié)級(jí)效率的高低對(duì)機(jī)組高壓缸效率乃至機(jī)組熱耗都有重要影響，200 MW級(jí)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)效率顯著低于設(shè)計(jì)值是高壓缸效率低的根本原因，也是機(jī)組熱耗偏高的重要因素。

本文主要分析了調(diào)節(jié)級(jí)各項(xiàng)損失產(chǎn)生的原因及影響因素，提出了噴嘴組優(yōu)化改造的技術(shù)措施與方案。截至2014年5月，已應(yīng)用該技術(shù)對(duì)近10臺(tái)200 MW級(jí)汽輪機(jī)實(shí)施了噴嘴組改造。熱力性能試驗(yàn)結(jié)果和機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況均表明，改造后設(shè)計(jì)工況下，調(diào)節(jié)級(jí)效率均高于未實(shí)施噴嘴組技術(shù)改造機(jī)組的10%～15%，部分負(fù)荷工況下的熱力性能明顯改善，節(jié)能效果顯著。

參考文獻(xiàn):

[1]沈士一，莊賀慶，康松，等，汽輪機(jī)原理[M].北京：中國(guó)電力出版社，1992.

[2]徐克鵬,蔡虎,崔永強(qiáng),等.600MW汽輪機(jī)高壓聯(lián)合進(jìn)汽閥內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2001,22(5):555-558.

[3]李克儉,張揚(yáng)軍,陶德平.預(yù)估蒸汽輪機(jī)葉片顫振的三維方法[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),1995,(1):37-40.

[4]Wagner W, Cooper J R, Dittmann A, et al. The IAPWS industrial formulation 1997 for the thermodynamic properties of water and steam [J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2000, 122(1): 150-184.

[5]張文杰,戚飛虎,鄒文進(jìn),等.汽輪機(jī)建模和仿真研究的一種新方法[J].計(jì)算機(jī)工程,2001,29(9):175-177.

[6]Yakhot V,Orzag S A.Renormalization group analysis of turbulence:basic theory[J]. Journal of Scientific Computing, 1986, 1(1):3-51.

[7]史新剛.汽輪機(jī)閥序問(wèn)題的研究與改進(jìn)[J].電力科學(xué)與工程,2010,26(4):75-78.

[8]李前敏,柏毅輝.汽輪機(jī)閥門流量特性優(yōu)化分析[J].電力科學(xué)與工程,2012,28(9):47-52.

[9]閻順林,郭佳雷.汽輪機(jī)熱力性能考核指標(biāo)的通用方程[J].熱能動(dòng)力工程,2009,24(1):65-67.

Retrofit Technology for the 200 MW Steam Turbine Nozzle Set

Wang Yan

(Beijing Longwei Power Generation Technology Co. Ltd., Beijing 100044, China)