淺論長周期服役小型汽輪機組節(jié)能降耗改造及效果

譚波 等

摘要：資源綜合利用、熱電聯(lián)產(chǎn)為主的小型機組在長周期運行后，整體效率下降，熱耗增加，利用現(xiàn)有設計理念、方法對汽輪機通流部分進行優(yōu)化改造是提高機組效率、降低煤耗的有力措施之一。本文介紹了長周期服役小型汽輪機優(yōu)化改造思路、方法及改造效果，可為國內(nèi)同類型機組的改造和試驗提供借鑒。

關(guān)鍵詞：長周期服役 小型汽輪機組 節(jié)能改造

鑒于在緩和供電矛盾、改善生活環(huán)境、降低生產(chǎn)成本、提高資源利用率等方面的優(yōu)勢，及受熱負荷大小和供熱經(jīng)濟半徑限制，以資源綜合利用、熱電聯(lián)產(chǎn)為主的小型機組在節(jié)能降耗方面的作用仍具有不可替代的優(yōu)勢。但大部分機組由于多年運行，整體效率降低，運行能耗遠遠偏離設計值。能耗增大不僅提高運行成本，壓縮企業(yè)利潤空間，而且導致“三廢”排放量增大，這在環(huán)保要求越來越高，且力度仍不斷增強的今天，已對企業(yè)的生存構(gòu)成威脅。因此，長周期服役小型汽輪機的節(jié)能降耗改造已勢在必行，而汽輪機通流部分的優(yōu)化改造是提高機組效率、降低煤耗的有力措施之一。

1 改造可行性

由于建立時間較早，電廠部分機型是我國50年代最早設計的機型，通流部分設計多基于一維、準二維或二維設計，存在葉柵型線落后、各級焓降分配不合理等問題，在投運若干年后，隨著老化其性能逐漸下降變差無法避免。盡管后來做過一些局部改動，但整體效率仍然非常低，在實際運行中常常很難達到設計指標，很多已超過5.5 kg/kWh，甚至更高，機組總體內(nèi)效率僅為75%左右，因此機組存在提高效率的很大空間。同時，隨著計算機運算速度的提高和CFD三維流場求解精度的完善，已能成功模擬汽輪機葉柵內(nèi)部邊界層分離、回流、動靜葉排相互干涉流動等復雜的流動現(xiàn)象，[1，2]且已步入工程應用與實施的新型葉型不斷增多。這為尋找現(xiàn)有汽機主要能量損失點，合理分配級間焓降，提高機組性能成為可能。

2 葉片優(yōu)化改造

眾所周知，汽輪機內(nèi)部流場非常復雜，由于旋轉(zhuǎn)失速、喘振、葉片排間的相互干擾等現(xiàn)象存在，使在三維葉柵總損失中占有很大比例的二次流動就不可避免，其產(chǎn)生的根本原因是端壁附面層和葉片附面層里的不平衡的壓力梯度場。為了減小二次流損失，只要削弱上述二種因素中的任一因素，就能取得成效，借助當今高度發(fā)展的計算機技術(shù)，人們提出了可控渦設計、新型葉型、邊界層控制等方法。[3]

另外，根據(jù)不同葉型各自的特點，不同葉型在不同場合可相輔相成，有效降低能量損耗。如雖然葉型的后加載性能差，型線和二次流損失較大時，若靜、動葉型均采用后加載性較強的葉型，則可利用高的后加載性使葉片表面的邊界層的流態(tài)絕大部分處于層流狀態(tài)，從而減小型線損失。而且由于端壁處葉片表面的壓力分布的強后加載性，減輕了端壁橫向二次流的強度，減小了端壁二次流損失。為了使動葉片排的相對柵距沿徑向變化均勻一些，各截面均處在最佳相對柵距范圍內(nèi)，同時保持葉型的壓力分布曲線具有較好的后加載性，以便于整個葉柵獲得良好的氣動性能，還可通過計算改變動出氣角沿徑向分布規(guī)律，使其靜葉出氣角的徑向變化的趨勢更強烈些，也就是說靜葉片反扭的更厲害些，從而實現(xiàn)它們沿徑向分布更均勻些，以利于各級靜、動葉片的設計，減小二次流損失。

本次優(yōu)化改造采用新型葉型法，葉型主要為后加載葉型、層流葉型。后加載葉型主要是讓汽流加速區(qū)集中在葉柵出口附近，使得整個葉柵通道內(nèi)的平均汽流速度降低，減少了邊界層損失，同時，葉柵流道前段壓力面與吸力面的壓差和橫向壓力梯度較小，推遲了根、頂部端壁二次流的生成和發(fā)展，降低了二次流損失。層流葉型是在后加載葉型的基礎(chǔ)上開發(fā)出的新一代葉型，克服了后加載葉柵易引起流動分離的缺點。其主要是通過控制葉型表面邊界層從層流態(tài)向紊流態(tài)的轉(zhuǎn)捩點，減小葉型損失。

從降耗效果、投入資金對比分析后，確定優(yōu)化改造主要內(nèi)容為：調(diào)節(jié)級噴嘴采用層流葉型、子午收縮和全三維優(yōu)化，轉(zhuǎn)向?qū)~環(huán)葉片更換為新一代后加載型靜葉，復速級一、二列葉片全三維技術(shù)設計更換。優(yōu)化后，葉柵吸力面內(nèi)伸斜激波的強度及喉部附近的壓力突跳明顯降低，減小了激波損失，另外，吸力面進口曲率變得連續(xù)，消除了葉柵吸力面進口處壓力的突跳，有利于降低葉型損失。

3 汽封更換

汽封裝置密封性能的優(yōu)劣對葉輪機械性能有相當大的影響。[4]電廠改造汽輪機組汽封原采用梳齒式汽封，漏汽現(xiàn)象的存在導致機組經(jīng)濟性較差。熱耗值較高。分析認為，梳齒式汽封是利用節(jié)流效應、熱力學交換效應、磨阻效應起到密封作用，這就要求汽封齒尖越尖越好、齒數(shù)越多越好、汽封與轉(zhuǎn)子的間隙越小越好。前二者受加工工藝、空間位置等因素影響在現(xiàn)實中很難達到完全理想的效果，當汽封與轉(zhuǎn)子的間隙越小時，汽封齒尖與轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨的幾率增加，碰磨在高速轉(zhuǎn)動下產(chǎn)生很高的熱量使齒尖磨損降低密封效果，而且齒越尖越容易被破壞，使得機組在運行一段時間后，漏汽量增加，熱耗值增高。

現(xiàn)有新型汽封較多，無論是哪種新型汽封，均能達到較好效果，對于電廠小型中溫中壓汽輪機組，本著間隙可調(diào)、安裝方便、不會出現(xiàn)掉臺和被拉彎的現(xiàn)象的考慮，本次改造采用了蜂窩式汽封。

4 改造效果

汽輪機流通部分改造后：在純凝工況下的汽耗率由5.51kg/kWh降低為4.74kg/kWh；額定工況下的汽耗率由5.7kg/kWh降低為5.33kg/kWh；內(nèi)效率由改造前的73%提高到89%。按此測算，汽輪機節(jié)能優(yōu)化后，在純凝工況下，單臺汽輪機年降低新蒸汽耗量27720噸以上，節(jié)約標準煤2848噸左右。年可減少SO2生成量40.11噸，NOx生成量14.05噸，有效減少了廢氣排放。

5 結(jié)論

①改造結(jié)果表明，汽輪機通流部分優(yōu)化改造可大幅降低汽輪機組熱耗率、提高機組效率，減少廢氣排放，是長周期服役小型汽輪機節(jié)能降耗有效措施之一。

②機組改造應根據(jù)自身設備實際情況，查找能量損失點，利用現(xiàn)有優(yōu)化軟件優(yōu)化改造方案是實現(xiàn)效益最大化的有效途徑之一。

③汽輪機組改造后的性能雖然與設計值相比還有差距，但已達到資金投入與產(chǎn)出的最大化。

參考文獻：

[1]隋永楓，孫義岡，葉鐘，等.汽輪機葉片改型及三維氣動優(yōu)化設計[J].熱力透平，2011，40（1）：28-32.

[2]謝永慧，藍吉兵，樊濤.透平級三維粘性非定常流動及氣流激振力研究[J].中國電機工程學報，2008，28（5）：78-83.

[3]林奇燕.透平級葉柵流動性能分析[D].哈爾濱工程大學，2007.

[4]蔡虎，朱斌，蔣洪德，等.汽封泄漏流動對透平葉片級通道主流影響的數(shù)值研究[J].工熱物理學報，2001，22（3）：290-293.

作者簡介：譚波（1973-），男，山東萊蕪人，專工，碩士研究生學歷，現(xiàn)在山東華聚能源有限公司興隆莊礦電廠安技室工作，主要從事熱動力設備技術(shù)工作。