采用引進(jìn)技術(shù)的600 MW超臨界機(jī)組汽輪機(jī)通流改造

顧揚(yáng)彪，何志瞧

（浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 蘭溪 321100）

采用引進(jìn)技術(shù)的600 MW超臨界機(jī)組汽輪機(jī)通流改造

顧揚(yáng)彪，何志瞧

（浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 蘭溪 321100）

某國(guó)產(chǎn)600 MW超臨界機(jī)組汽輪機(jī)存在熱耗偏高、低壓第五級(jí)葉片易斷裂、高中壓內(nèi)缸變形等問題，該汽輪機(jī)采用國(guó)外先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)實(shí)施了通流改造，通過介紹改造的特點(diǎn)，從熱耗、缸溫、結(jié)構(gòu)、末級(jí)葉片適應(yīng)性等方面綜合分析了改造效果，表明機(jī)組通過通流改造在經(jīng)濟(jì)性、可靠性獲得了提高的同時(shí)，由于改造的局限性也存在部分不足，并提出了優(yōu)化措施。

超臨界；通流改造；特點(diǎn)；效果分析

0 引言

某國(guó)產(chǎn)600 MW超臨界機(jī)組汽輪機(jī)投產(chǎn)于2006年12月，為單軸、三缸四排汽、超臨界、凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為N600-24.2/566/566，設(shè)計(jì)背壓5.5 kPa，末級(jí)葉片高1 016 mm。該型汽輪機(jī)為引進(jìn)日立技術(shù)設(shè)計(jì)制造，與西門子、阿爾斯通等先進(jìn)機(jī)組相比，普遍存在著運(yùn)行效率偏低的問題。THA工況性能考核試驗(yàn)得出的汽輪發(fā)電機(jī)組熱耗率較大地偏離了設(shè)計(jì)值，分析認(rèn)為該型汽輪機(jī)的高、中、低壓缸效率都無法滿足設(shè)計(jì)要求，也達(dá)不到其它同類型汽輪機(jī)的先進(jìn)效率水平；除此之外汽輪機(jī)還存在高中壓內(nèi)缸變形、第五級(jí)葉片斷裂、三抽溫度偏低等問題。

為進(jìn)一步挖掘機(jī)組節(jié)能降耗潛力，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，在2014年作為國(guó)內(nèi)首次，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)對(duì)超臨界汽輪機(jī)進(jìn)行了通流改造，配合鍋爐、發(fā)電機(jī)、主變壓器等主/輔設(shè)備的擴(kuò)容改造，對(duì)機(jī)組進(jìn)行擴(kuò)容，額定工況下熱耗達(dá)到7 628 kJ/kWh，大幅提升了機(jī)組效率及經(jīng)濟(jì)性，有效降低了發(fā)電煤耗和污染物的排放，體現(xiàn)了高回報(bào)的企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。

1 機(jī)組存在的問題

1.1 經(jīng)濟(jì)性不佳

2006年該汽輪機(jī)投產(chǎn)后，性能考核試驗(yàn)結(jié)果和設(shè)計(jì)值的對(duì)比如表1所示；各缸缸效均比設(shè)計(jì)值低，尤其實(shí)際低壓缸缸效比設(shè)計(jì)值偏低較多，綜合高、中、低壓三缸偏差，影響整機(jī)效率的總和為2.79%，這與機(jī)組試驗(yàn)修正后熱耗率與合同保證值的偏差幅度基本吻合。由此可知，導(dǎo)致汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行性能偏離于設(shè)計(jì)值的主要原因在于汽輪機(jī)高、中、低壓缸通流效率的偏低。2014年3月，對(duì)該汽輪機(jī)進(jìn)行了熱力性能試驗(yàn)，結(jié)果顯示修正后熱耗為7 855 kJ/kWh，可見汽輪機(jī)運(yùn)行多年后，與設(shè)計(jì)值存在更大偏差。

1.2 存在葉片斷裂隱患

同類型汽輪機(jī)曾發(fā)生低壓第五級(jí)動(dòng)葉斷裂事故[4]，該機(jī)組第五級(jí)動(dòng)葉也發(fā)現(xiàn)葉片斷裂、裂紋、頁(yè)頂圍帶脫落等現(xiàn)象。分析認(rèn)為：機(jī)組長(zhǎng)期處于變負(fù)荷運(yùn)行，同時(shí)該級(jí)對(duì)應(yīng)八抽，抽汽導(dǎo)致不穩(wěn)定流動(dòng)，誘導(dǎo)汽流激振，該激振頻率與葉片組的軸向或扭振頻率發(fā)生共振，產(chǎn)生高動(dòng)應(yīng)力，超過設(shè)計(jì)許用動(dòng)應(yīng)力；同時(shí)長(zhǎng)期運(yùn)行的葉片表面產(chǎn)生腐蝕斑，葉片材料疲勞強(qiáng)度大幅降低，形成應(yīng)力腐蝕疲勞源；幾個(gè)因素的長(zhǎng)期作用導(dǎo)致了葉片產(chǎn)生裂紋，從而最終斷裂。

表1 汽輪機(jī)投產(chǎn)時(shí)性能與設(shè)計(jì)值對(duì)比

1.3 高、中壓內(nèi)缸中分面變形

2008年機(jī)組首次大修，合缸檢查中分面，發(fā)現(xiàn)自由狀態(tài)下最大間隙3.05 mm，冷緊后最大間隙2.35 mm。該問題在此類型汽輪機(jī)中普遍存在，是影響汽輪機(jī)安全運(yùn)行的隱患。在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于內(nèi)缸變形，對(duì)缸內(nèi)部件對(duì)中、通流間隙調(diào)整工作造成困難，難以保證安裝質(zhì)量，進(jìn)而影響到運(yùn)行效率。同時(shí)，運(yùn)行中高、中壓內(nèi)缸內(nèi)外壁溫差大，三抽溫度較設(shè)計(jì)值低，主要原因?yàn)椋焊吲牌魍ㄟ^內(nèi)外缸夾層流向中壓缸，導(dǎo)致高排冷汽流冷卻了內(nèi)缸外壁溫，內(nèi)外壁溫差大，使得高、中壓內(nèi)缸中分面產(chǎn)生變形；夾層冷氣流最終流向三抽，又導(dǎo)致三抽溫度偏低。原汽輪機(jī)設(shè)計(jì)內(nèi)缸定位環(huán)與外缸定位槽配合也起到密封作用，但金屬環(huán)與金屬槽配合，嚴(yán)密性差；大修中曾在該定位環(huán)處增加盤根，由于盤根安裝時(shí)總會(huì)存在斷點(diǎn)，密封面不連續(xù)，增加盤根的效果并不理想。

2 改造內(nèi)容

優(yōu)選國(guó)際先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行改造，保留汽輪機(jī)外缸，汽輪機(jī)軸系、轉(zhuǎn)子跨度尺寸不變，回?zé)嵯到y(tǒng)配置、參數(shù)不變，在節(jié)約投資資金的同時(shí)，最大程度地提效、降耗，并進(jìn)行擴(kuò)容。

高、中壓缸保留沖動(dòng)式設(shè)計(jì)，高壓由8級(jí)增加至10級(jí)，中壓保持6級(jí)；調(diào)節(jié)級(jí)后設(shè)置混合區(qū)，確保汽流均勻進(jìn)入第二級(jí)；改造后的通流設(shè)計(jì)優(yōu)化了葉片的節(jié)園直徑，增大了頂部/底部半徑的比值，葉片更長(zhǎng)，效率更高；動(dòng)葉采用先進(jìn)的葉型，整體圍帶，在葉片頂部形成平滑的喇叭形流道，此外也易于在葉頂采用迷宮式汽封。高壓和中壓的噴嘴大而寬，可降低固體微粒沖蝕；采用整體式圍帶，消除了鉚接圍帶可能發(fā)生的固體微粒沖蝕。高壓隔板采用了具有先進(jìn)的三維型線的靜葉，靜葉具有整體加工的根部和頂部圍帶，圍帶被焊進(jìn)隔板內(nèi)外環(huán)；中壓通流設(shè)計(jì)結(jié)合了自帶圍帶的靜葉和裝在單獨(dú)圍帶中的二維型線靜葉。

低壓缸采用RS37T末級(jí)葉片（37英寸帶鰭），由原來的7級(jí)更改為8級(jí)，改造后采用焊接式空心轉(zhuǎn)子。除了低壓末級(jí)動(dòng)葉，其它葉片都是具有整體圍帶的全三維設(shè)計(jì)，運(yùn)行時(shí)可緊密形成剛性的葉片組。除末兩級(jí)外的其它動(dòng)葉被安裝在轉(zhuǎn)子周向的葉根槽內(nèi)，葉根槽為成熟的雙T型設(shè)計(jì)，末兩級(jí)葉根采用從軸向安裝的縱樹型。所有的靜葉和動(dòng)葉（除了末兩級(jí)靜葉）采用12%～13%的鉻合金加工而成，該合金具有極好的抗水蝕性。低壓缸末級(jí)動(dòng)葉進(jìn)汽邊外緣采用感應(yīng)硬化處理，整個(gè)表面采用噴丸處理來進(jìn)一步提高其防水蝕、防應(yīng)力開裂的特性和抗腐蝕疲勞強(qiáng)度。

原轉(zhuǎn)子端部汽封保留，高、中壓隔板及過橋汽封采用了縮放式汽封，與最常見的背部彈簧式汽封不同，縮放式汽封彈簧周向布置在汽封塊上，如圖1所示；該汽封塊在啟動(dòng)階段由周向安裝的彈簧保持在張開狀態(tài)，隨著機(jī)組負(fù)荷上升，汽封塊背部受壓克服彈簧所形成的張力，使汽封塊閉合，既保證了啟動(dòng)的安全性，又保障了正常運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。在高壓隔壁汽封塊進(jìn)汽邊同時(shí)設(shè)計(jì)有阻汽齒塊，阻止汽渦流，起到防止汽流激振的作用，如圖2所示。

圖1 縮放式汽封彈簧布置

3 改造結(jié)果

3.1 汽輪機(jī)性能

圖2 氣封進(jìn)汽阻汽齒布置

汽輪機(jī)改造前后的參數(shù)對(duì)比如表2所示，可見改造后機(jī)組經(jīng)濟(jì)性得以大幅提高，改造后熱耗達(dá)到了設(shè)計(jì)值，相比改造前大幅下降，改造收益高。值得注意的是中壓缸缸效比設(shè)計(jì)值偏低約1.8%，主要原因是外缸中排口及中低連通管90°彎管后壓損偏高，導(dǎo)致測(cè)得的中排壓力比實(shí)際的中壓缸末級(jí)排汽壓力偏低，比四抽壓力低約2.5%，若采用四抽壓力代替中排壓力進(jìn)行計(jì)算，則中壓缸效率能夠達(dá)到設(shè)計(jì)水平。同時(shí)，改造后過橋汽封漏汽量比改造前降低了約12 t/h，這有利于提高整機(jī)的循環(huán)效率，但會(huì)使測(cè)得的中壓缸效率有所降低，因此認(rèn)為改造后中壓缸效率與改造前相比基本一致。低壓缸缸效基本達(dá)到了設(shè)計(jì)值，原機(jī)組最近的一次考核試驗(yàn)測(cè)得的低壓缸效率為86.7%，運(yùn)行幾年后通流改造前的低壓缸效率在86%左右，因此認(rèn)為改造后低壓缸缸效有了大幅提升。同時(shí)末級(jí)采用RS37T短葉片，較改造前40英寸葉片更能適應(yīng)低負(fù)荷工況。 改造后VWO工況修正后流量為2 038 t/h，超過了設(shè)計(jì)通流能力2%，在設(shè)計(jì)加工誤差范圍內(nèi)，實(shí)際通流正偏差有助于機(jī)組容量和供熱量提升，這符合既要考慮低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性又要考慮增容的預(yù)期；與原汽輪機(jī)投產(chǎn)時(shí)實(shí)測(cè)的2 046 t/h相比，反而稍有降低，體現(xiàn)出改造后汽輪機(jī)循環(huán)效率提高，無需過大的通流面積。

表2 汽輪機(jī)改造前后各參數(shù)情況

3.2 高中壓內(nèi)缸變形問題處理

本次改造在定位環(huán)處設(shè)計(jì)了一道周向密封圈，依靠彈簧將密封圈向外頂出形成密封面，如圖3所示；但如表3中3號(hào)機(jī)數(shù)據(jù)所示，改造后內(nèi)外壁溫差及三抽溫度問題無改善。

圖3 該汽輪機(jī)定位環(huán)處密封結(jié)構(gòu)

表3 2臺(tái)汽輪機(jī)改造前后高、中壓內(nèi)缸溫度數(shù)據(jù)℃

分析原因認(rèn)為：該汽輪機(jī)改造所實(shí)施的改造方案在設(shè)計(jì)密封圈時(shí)考慮了中壓缸啟動(dòng)因素，密封圈密封方向?yàn)橹袎焊走M(jìn)汽時(shí)形成密封，因此在高壓缸進(jìn)汽后，密封圈外圈受高壓排汽壓抵消彈簧力內(nèi)推，外圈密封效果差，導(dǎo)致夾層漏汽；從而該汽輪機(jī)內(nèi)外比溫差大問題未有效得到解決。

由于定位環(huán)密封圈密封方向存在問題，因此需對(duì)該密封圈方向進(jìn)行改變，如圖4所示，當(dāng)高壓缸進(jìn)汽時(shí)，密封圈內(nèi)圈受高排壓力與彈簧力形成合力，密封效果較佳；同時(shí)在高壓側(cè)隔熱環(huán)和中壓側(cè)隔熱環(huán)處各增加1道類似密封圈，減少夾層漏汽，后續(xù)機(jī)組經(jīng)優(yōu)化改造后目前內(nèi)外壁溫差為30℃左右，三抽溫度與設(shè)計(jì)溫度基本一致（見表3的4號(hào)機(jī)數(shù)據(jù)）。

3.3 低壓動(dòng)葉安全性

通過改造，更換了低壓動(dòng)葉，徹底解決了原來汽輪機(jī)第五級(jí)葉片斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。改造后采用的RS37T末級(jí)動(dòng)葉，由RS37U葉型改進(jìn)而來，該RS37T葉型在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用未見相關(guān)報(bào)道。

圖4 后續(xù)機(jī)組定位環(huán)處密封結(jié)構(gòu)

本次通流改造后，改造廠家在該汽輪機(jī)上進(jìn)行了BVM（末級(jí)葉片振動(dòng)測(cè)試）試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示末級(jí)葉片在低負(fù)荷低真空時(shí)顫振較大；改造前排汽壓力保護(hù)全程為 25.3 kPa，改造后根據(jù)BVM試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)排汽壓力要求更為嚴(yán)格，跳機(jī)值為12 kPa，要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原汽輪機(jī)的25.3 kPa，這對(duì)于某些南方內(nèi)陸發(fā)電廠夏季的可靠運(yùn)行造成較大風(fēng)險(xiǎn)。

可設(shè)定變曲線（如圖5所示）的排汽壓力邏輯保護(hù)，正常運(yùn)行區(qū)段中高負(fù)荷時(shí)保護(hù)壓力定值高，啟動(dòng)時(shí)初負(fù)荷保護(hù)壓力定值低，同時(shí)投入后缸減溫水控制排汽溫度；由于啟動(dòng)階段過程短，也避開了正常運(yùn)行階段，相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)較小，因此通過變曲線方式提高機(jī)組的可靠性。

圖5 排汽壓力保護(hù)曲線

3.4 機(jī)組啟動(dòng)優(yōu)化

改造后汽輪機(jī)為1 300 r/min中速暖機(jī)，暖機(jī)結(jié)束條件為內(nèi)下缸壁溫達(dá)到300℃，相比原暖機(jī)結(jié)束條件低，暖機(jī)時(shí)間節(jié)省約2 h。改造前，汽輪機(jī)做超速試驗(yàn)前需進(jìn)行25%～30%負(fù)荷暖機(jī)，改造后轉(zhuǎn)子可以直接進(jìn)行超速試驗(yàn)，無需二次并網(wǎng)，節(jié)約了啟動(dòng)時(shí)間及低負(fù)荷較高的燃煤消耗。

3.5 機(jī)組檢修調(diào)試改進(jìn)

改造后，低壓轉(zhuǎn)子平衡孔布置在輪轂上，在外缸軸承處打開手孔即可進(jìn)行平衡塊加裝，作業(yè)人員無需進(jìn)入低壓缸內(nèi)部，無需搭設(shè)腳手架作業(yè)，安全性及效率得到提高，減少了動(dòng)平衡作業(yè)時(shí)間。

改造前轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器雙頭剛性螺栓拉伸設(shè)置，過盈配合，在拆裝過程中螺栓很容易因咬死造成拆裝困難，嚴(yán)重時(shí)可能造成對(duì)輪螺栓空拉毛；對(duì)輪連接螺栓緊力控制難掌控，需長(zhǎng)時(shí)間調(diào)整對(duì)輪同心度。改造后對(duì)輪螺栓采用錐形銅套螺栓，利用液壓拉伸器控制緊力，對(duì)輪連接效率大幅提高。

3.6 其他思考

汽輪機(jī)改造后經(jīng)濟(jì)性、可靠性均得到了提高，也解決了原汽輪機(jī)潛在的部份問題，但仍有可再提升的空間，主要為：

（1）汽輪機(jī)改造后采用“2+1+1”的順序閥方式，調(diào)節(jié)級(jí)分4段，分別有4個(gè)噴嘴-調(diào)門組控制進(jìn)汽，4組噴嘴組面積較為接近；由于汽輪機(jī)通流較大，在較低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，兩閥節(jié)流運(yùn)行，節(jié)流損失較大?？稍谠O(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)化各段噴嘴組面積分配，將先進(jìn)汽的2個(gè)噴嘴組面積設(shè)計(jì)為較小，在順序閥方式下，“兩閥點(diǎn)”開度較大，同時(shí)可提高主汽壓力，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

（2）本次汽輪機(jī)通流改造中壓缸改造級(jí)數(shù)未變，一方面出于投資經(jīng)濟(jì)性目的，保留了原中壓末三級(jí)隔板套，中壓缸優(yōu)化的潛力未充分挖掘；另一方面，高中壓外缸未更換，中排壓損偏大這一普遍問題依然存在，影響了中壓缸效的提升[5]；后續(xù)可進(jìn)一步優(yōu)化中壓缸及中排的改造方案，核算投資及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比，盡最大努力提升通流改造效果。

4 結(jié)論

在國(guó)家提倡節(jié)能減排的大環(huán)境背景下，該汽輪機(jī)作為首臺(tái)600 MW超臨界汽輪機(jī)通過應(yīng)用國(guó)外先進(jìn)的通流改造技術(shù)，對(duì)汽輪機(jī)高、中、低壓缸通流實(shí)施優(yōu)化改造，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

（1）通過通流改造，汽輪機(jī)各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)均達(dá)到既定目標(biāo)，考核熱耗水平低于7 630 kJ/kWh，達(dá)到先進(jìn)水平，經(jīng)濟(jì)及環(huán)保收益顯著，符合國(guó)家綠色發(fā)展的理念。

（2）通過通流改造，解決了原機(jī)組高、中壓內(nèi)缸變形、三抽溫度低、低壓葉片易斷裂等安全性問題，優(yōu)化了調(diào)試、啟動(dòng)流程。

（3）通過定位環(huán)密封圈優(yōu)化和高、中壓兩側(cè)隔熱環(huán)密封圈增加措施，解決了該汽輪機(jī)改造后遺留的內(nèi)外壁溫差依然偏大問題。

（4）末級(jí)采用了RS37T短葉片，能更適應(yīng)汽輪機(jī)在高背壓、低負(fù)荷工況下經(jīng)濟(jì)性差的普遍狀況，在當(dāng)前煤機(jī)發(fā)電利用小時(shí)數(shù)大幅下降情況下，經(jīng)濟(jì)性更加突出；但是該葉型在低負(fù)荷高真空情況下動(dòng)葉顫振較大，可通過優(yōu)化背壓保護(hù)曲線進(jìn)行解決。

（5）汽輪機(jī)改造通流設(shè)計(jì)時(shí)未考慮實(shí)際運(yùn)行的情況，需要根據(jù)高壓調(diào)節(jié)閥的布置，合理設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴面積分配，提高后續(xù)運(yùn)行優(yōu)化的潛力。

[1]吳桐，李昕，黃揆.國(guó)產(chǎn)亞臨界600 MW汽輪機(jī)組通流改造技術(shù)方案介紹[J].機(jī)械工程師，2014（4）∶228-229.

[2]張豐.盤山電廠600 MW亞臨界機(jī)組通流改造[J].能源與節(jié)能，2013（9）∶91-93.

[3]蘇猛業(yè).平圩600 MW汽輪機(jī)通流改造實(shí)施方案[J].電力設(shè)備，2006，7（6）∶69-73.

[4]張勇海，肖俊峰，谷偉偉，等.600 MW機(jī)組汽輪機(jī)低壓第5級(jí)動(dòng)葉片斷裂故障分析[J].熱力發(fā)電，2013，42（11）∶130-133.

[5]孫永平，包勁松，許立敏.600 MW汽輪機(jī)中排壓損及五、六級(jí)抽汽溫度偏高的試驗(yàn)與分析[J].浙江電力，2008，27（5）∶30-32.

（本文編輯：徐 晗）

Throughflow Retrofit of 600 MW Supercritical Steam Turbine Based on Imported Technology

GU Yangbiao，HE Zhiqiao

（Zhejiang Zheneng Lanxi Power Generation Co.，Ltd.，Lanxi Zhejiang 321100，China）

∶For higher heat consumption，the breakable low-pressure fifth-stage blade，high-and-medium pressure cylinder deformation of a China-made 600 MW supercritical steam turbine，throughflow retrofit is implemented based on imported design and manufacturing technology.By introducing retrofit characteristics，the paper analyzes the effect in respect to heat consumption，cylinder temperature，structure and adaptability of last blade stage.After the retrofit，economy and reliability of the steam turbine are improved；meanwhile，there are shortcomings due to the limitations ofthe retrofit.The paper also presents some optimization measures.

∶supercritical；throughflow retrofit；feature；effect analysis

.201704011

1007-1881（2017）04-0045-04

：TK262

：B

2016-11-29

顧揚(yáng)彪（1981），男，工程師，從事火力發(fā)電廠汽機(jī)設(shè)備管理工作。