東方超臨界600 MW汽輪機通流改造及性能評價

陳顯輝，雷曉龍，鄧宇，張小波

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

0 前言

華潤電力常熟有限公司2號汽輪機為東方汽輪機有限公司引進技術(shù)生產(chǎn)制造的超臨界凝汽式汽輪機，原型號N600-24.2/538/566，產(chǎn)品編號為D600C。該機組于2005年6月投入商業(yè)運行，受當(dāng)時引進技術(shù)設(shè)計水平和手段的限制，在經(jīng)濟性方面與當(dāng)前國內(nèi)超臨界600 MW等級汽輪機的先進設(shè)計水平有較大差距。改造前，西安熱工院采用ASME標準對該機組進行的高精度性能試驗結(jié)果顯示，汽輪機組在600 MW工況下的熱耗率均約為7950 kJ/（kW·h），與目前國內(nèi)同型汽輪機先進水平相比，相差350 kJ/（kW·h）以上。

為響應(yīng)國家提出的 “節(jié)能減排”號召，華潤常熟電廠采用東方自主研發(fā)的第三代高效沖動式汽輪機通流技術(shù)，結(jié)合提升主蒸汽參數(shù)、進排汽流道優(yōu)化和密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化等措施，對超臨界600 MW汽輪機組進行了提效改造。提效改造后的熱力性能考核試驗結(jié)果表明，汽輪機的各缸效率和熱耗等經(jīng)濟性指標較改造前有大幅提升，達到了國內(nèi)先進水平，取得了良好的示范效果，可為后續(xù)在役機組提效改造及新建機組提供參考。

1 改造前機組狀況

華潤常熟2號汽輪機設(shè)計開發(fā)于20世紀90年代，但受當(dāng)時總體技術(shù)水平的限制，機組在經(jīng)濟性方面存在不足。導(dǎo)致汽輪機實際運行性能嚴重偏離設(shè)計值的主要原因是汽輪機高中低壓缸通流效率偏低。該汽輪機存在的主要問題如下：

（1）第一代葉型損失大，葉片流型設(shè)計不夠先進；

（2）宏觀熱力參數(shù)（速比、焓降）不在最佳范圍內(nèi)；

（3）進排汽流道（動靜葉以外）壓損偏大；

（4）動葉為鉚接圍帶型式，動葉葉頂汽封齒數(shù)少；

（5）中低壓缸分缸壓力和溫度偏高，低壓結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)落后，導(dǎo)致低壓內(nèi)缸變形；

（6）高壓內(nèi)缸材料檔次低，易造成內(nèi)張口，缸內(nèi)內(nèi)漏嚴重；

（7）中壓葉輪冷卻蒸汽、平衡孔、高排通風(fēng)閥、事故排放閥等存在內(nèi)漏。

2 改造方案

根據(jù)改造前機組實際情況，綜合考慮機組負荷率，經(jīng)各方論證，華潤常熟#2機通流改造采用無調(diào)節(jié)級、不更換高中壓外缸及高壓閥組、主蒸汽溫度恢復(fù)至566℃的沖動式改造方案。改造后汽輪機型號N650-24.2/566/566，額定負荷650 MW,主蒸汽溫度由538℃提升至566℃，主蒸汽壓力、再熱蒸汽壓力維持不變。

改造后，高壓通流級數(shù)：高壓為11級，中壓為6級，低壓為2×2×7級。與改造前相比，高壓通流部分取消了調(diào)節(jié)級，級數(shù)增加了3級。中低壓級數(shù)保持不變，改造后機組縱剖面圖見圖1。改造前后高中壓通流對比圖見圖2。改造前后低壓通流對比圖見圖3。

圖1 改造后機組縱剖面圖

圖2 改造前后高中壓通流對比圖 （改后為上半部分）

圖3 改造前后低壓通流對比圖 （改后為上半部分）

3 通流改造技術(shù)

（1）先進的葉型開發(fā)

采用 “高度后加載”靜葉和“大剛度”動葉的第三代葉型技術(shù)，新的葉型與改前第一代葉型相比，可以使級效率提高約0.72%。

（2）高效的通流級設(shè)計技術(shù)

小焓降多級數(shù)的設(shè)計理念，在軸承跨距不變的情況下，盡量增加級數(shù)，提高動靜葉片的絕對高度和相對高度，減少動靜葉頂部和根部二次流損失所占級損失的百分數(shù)。改造前后動靜葉片二次流損失示意圖見圖4。

圖4 改造前后動靜葉片二次流損失示意圖

（3）邊界層抽吸設(shè)計技術(shù)

合理布置平衡孔的大小，使沖動式汽輪機隔板漏汽盡量減小對主流的干擾，減少摻混損失，使級效率提高約0.5%。沖動式獨有的邊界層抽吸技術(shù)見圖5。

圖5 沖動式獨有的邊界層抽吸技術(shù)

（4）進、排汽流道優(yōu)化技術(shù)

對汽輪機各進、排汽流道進行優(yōu)化，可大幅降低進、排汽壓損。

·高壓進汽室優(yōu)化

高壓進汽室徹底改變原始結(jié)構(gòu)，采用全新設(shè)計的進汽室與內(nèi)缸合體結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后進汽腔室具有以下特點：進汽腔室流線光順，消除漩渦，壓損僅為原來的1/2～1/4；進汽腔室與汽缸合二為一，減少漏汽點；出汽口均勻，減小進汽腔室到高壓首級壓損。高壓進汽室優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型見圖6。

圖6 高壓進汽室優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型

·中壓進汽室優(yōu)化

中壓進汽室優(yōu)化主要集中在進汽口遮擋部分及腔室型線，優(yōu)化后的中壓進汽室壓損下降顯著，圖7為優(yōu)化前后的中壓進汽模型對比。

圖7 中壓進汽室優(yōu)化前后模型對比

·高壓排汽缸優(yōu)化

采用CFD軟件對高壓排汽缸優(yōu)化模型進行分析，其總壓損失系數(shù)大幅下降，圖8為優(yōu)化前后高壓排汽缸模型對比。

圖8 高壓排汽缸優(yōu)化前后模型對比

·中壓排汽缸優(yōu)化

采用CFD軟件對中壓排汽缸優(yōu)化模型進行分析，其總壓損失系數(shù)有大幅下降，圖9為中壓排汽缸優(yōu)化前后模型對比。

圖9 中壓排汽缸優(yōu)化前后模型對比

·低壓排汽缸優(yōu)化

采用全三元優(yōu)化技術(shù)對低壓導(dǎo)流環(huán)進行優(yōu)化，提高排汽缸靜壓恢復(fù)系數(shù)，優(yōu)化前后流場圖見圖10、 圖 11。

圖10 優(yōu)化前流線圖及速度矢量

圖11 優(yōu)化后流線圖及速度矢量

（5）高壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)采取如下措施進行優(yōu)化：

·進汽室與內(nèi)缸鑄為一體，相對于原來的獨立噴嘴室結(jié)構(gòu)，消除內(nèi)漏，提高高壓缸效率。

·優(yōu)化中分面法蘭結(jié)構(gòu)、螺栓大小和螺栓位置，減小熱應(yīng)力，增加汽密性，消除內(nèi)漏。

·高壓內(nèi)缸材質(zhì)由ZG15Cr1Mo1V提檔升級為ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，提高高溫下高壓內(nèi)缸的持久強度，保證高壓內(nèi)缸在使用壽命周期內(nèi)不發(fā)生變形。

· 高壓內(nèi)缸外壁增設(shè)隔熱罩 （見圖12），減小內(nèi)缸內(nèi)外壁溫差，防止出現(xiàn)內(nèi)張口。

圖12 高壓內(nèi)缸隔熱罩示意圖

（6）低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)優(yōu)化

低壓內(nèi)缸進汽采用斜置持環(huán)結(jié)構(gòu)，將進汽部分整體焊接到低壓缸上，取消單獨的進汽室。消除裝配結(jié)構(gòu)引起的蒸汽內(nèi)漏，從而有效解決低壓各級抽汽溫度偏高的問題。優(yōu)化后示意圖見圖13。

圖13 優(yōu)化后低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)示意圖

（7）汽封優(yōu)化

針對原高中壓過橋汽封齒數(shù)偏少，過橋汽封漏汽量偏大的現(xiàn)象，改后過橋汽封圈增加了3圈，共增加21個汽封齒。

根據(jù)汽輪機各缸運行參數(shù)及各類汽封型式的優(yōu)缺點，對高壓缸前四級采用DAS汽封和防旋相結(jié)合的組合汽封型式。

DAS汽封可在機組啟、停過程中，保護常規(guī)尖齒不被磨損，從而保證長期運行后，汽封間隙基本保持安裝初期水平，提高機組長期運行經(jīng)濟性。防旋汽封可以使流過的蒸汽在圓周方向更加均勻，防止轉(zhuǎn)子發(fā)生汽流激振的作用，具體結(jié)構(gòu)見圖14。

圖14 防旋汽封示意圖

針對動葉頂部汽封結(jié)構(gòu)，采用自帶冠結(jié)構(gòu)，冠部加工高、低城墻齒，減少漏汽、提高級效率。葉頂汽封示意圖見圖15。

圖15 葉頂汽封示意圖

（8）密封結(jié)構(gòu)

在汽輪機本體內(nèi)外缸結(jié)合面處，增加密封結(jié)構(gòu)，減少夾層內(nèi)漏。高壓1段抽汽管與內(nèi)缸連接方式，由插管改為法蘭連接。高壓內(nèi)缸定位肩胛、中壓內(nèi)缸定位肩胛處增加盤根和汽封齒密封。

（9）優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

取消高中壓外缸上半過橋汽封處動平衡裝置及中壓1級轉(zhuǎn)子葉輪冷卻裝置，具體取消部分見圖16。

圖16 原上半過橋汽封處動平衡裝置及中壓1級轉(zhuǎn)子葉輪冷卻裝置

取消高中壓外缸下半BDV閥，現(xiàn)場需進行封堵，具體取消部分見圖17。

圖17 原高中壓外缸下半BDV閥結(jié)構(gòu)

高排VV通風(fēng)閥前增設(shè)一道電動閥，在保護汽輪機安全啟動和停機的情況下，減少高排漏汽，具體取消部分見圖18。

圖18 高排VV通風(fēng)閥示意圖

4 改造效果

2016年3月和4月，電廠委托第三方 （西安熱工研究院蘇州分院）先后對2號汽輪機進行了通流改造后的焓降試驗和性能考核試驗。西安熱工研究院一直秉承嚴謹、細致的工作作風(fēng)，是國內(nèi)最為嚴格的考核試驗單位之一。

4.1 性能試驗結(jié)果

常熟2號汽輪機通流改造后，焓降試驗和兩次TMCR工況試驗結(jié)果見表1。

表1 改造后性能試驗結(jié)果

在TMCR工況下，性能試驗結(jié)果為：高壓缸效率平均值為90.30%，較設(shè)計值89.89%高0.41個百分點；中壓缸效率平均值為92.93%，比設(shè)計值92.35%高0.58個百分點；實測高中壓過橋漏汽占再熱流量的比例為1.9%小于設(shè)計比例2.2%；低壓缸效率容積流量修正后89.37%，比設(shè)計值89.2%高0.17個百分點；修正后熱耗率7572.8 kJ/（kW·h） 比設(shè)計值 7594 kJ/（kW·h） 少 21.2 kJ/（kW·h）。

4.2 經(jīng)濟性對比分析

對于超臨界600 MW等級高中合缸通流改造機組，國內(nèi)外廠家都有多臺實際投運業(yè)績，其典型改造后試驗結(jié)果見表2。

表2 國內(nèi)外廠家改造后性能試驗結(jié)果對比表

在高壓調(diào)節(jié)閥全開狀態(tài)下，東汽高壓缸效率優(yōu)于上汽，和ALSTOM相當(dāng)。東汽中壓缸效率92.93%，優(yōu)于ALSTOM中壓缸效率約1個百分點，與上汽中壓缸效率相當(dāng)。再考慮有、無調(diào)節(jié)級方案和初壓的不同，東汽熱耗值與ALSTOM同類型機組相當(dāng)， 優(yōu)于上汽約 30 kJ/（kW·h）。

5 總結(jié)

東方采用擁有獨立知識產(chǎn)權(quán)的第三代通流改造技術(shù)，對華潤常熟600 MW超臨界2號汽輪機進行了升參數(shù)通流改造，投運后性能試驗熱耗及缸效超過了設(shè)計值，達到了國家節(jié)能減排要求，贏得用戶好評。超臨界通流改造技術(shù)上的成功經(jīng)驗，對同類機組通流改造具有示范和借鑒作用，同時也充分說明了東汽第三代通流改造技術(shù)達到國際先進水平，機組高效運行必將給用戶帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。