低負(fù)荷運(yùn)行條件下提升汽輪機(jī)效率的研究

溫茂森

（國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

0 引言

隨著國內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)的不斷推進(jìn)，對能源的需求也在不斷增加。汽輪機(jī)作為一種重要的能源設(shè)備，設(shè)備質(zhì)量的好壞會直接影響到燃煤電站的電力供給穩(wěn)定性。在高參數(shù)大功率火電機(jī)組參與調(diào)峰的情況下，汽輪機(jī)常常需要在低負(fù)荷的情況下運(yùn)行，而這種運(yùn)行狀態(tài)容易導(dǎo)致汽輪機(jī)效率的下降和運(yùn)行安全性的降低。因此，如何在低負(fù)荷運(yùn)行條件下提高汽輪機(jī)的效率，成為當(dāng)前亟需解決的問題之一。

1 低負(fù)荷運(yùn)行對汽輪機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的影響分析

1.1 導(dǎo)致末級槳葉失水

實(shí)踐結(jié)果表明，在低載條件下汽化系數(shù)降低，汽化系數(shù)降低，汽化過程中汽化系數(shù)增大，會導(dǎo)致葉片被水侵蝕。

1.2 末級葉根對葉輪載荷影響大

在低負(fù)荷的情況下，渦輪末端會產(chǎn)生顫振，從而導(dǎo)致整個渦輪的振動，并使其產(chǎn)生疲勞損失。其中，葉頂間隙和二次流動是葉輪氣動損失的主要形式。

1.3 負(fù)壓漏失的增加

在低負(fù)荷階段，由于部分位置的負(fù)壓增加，使得漏氣率相應(yīng)增加，導(dǎo)致蒸汽側(cè)真空漏氣率增加，水側(cè)凝結(jié)水溶氧增加，且負(fù)壓系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)容易超標(biāo)。主要表現(xiàn)為機(jī)組出現(xiàn)異常振動，氣體壓力異常下降，水套水溫過高等。

1.4 對加熱爐的影響

在低負(fù)荷工況下，高、低壓加熱器難以保持水位，且由于疏水壓力差過小，更易引起疏水不順暢及疏水閥氣穴，致使加熱器失水，嚴(yán)重影響加熱器的工作效率，并對機(jī)組的安全運(yùn)行構(gòu)成了潛在的威脅。這將導(dǎo)致供水管網(wǎng)的滲漏，直至供水管網(wǎng)損壞，從而對供暖產(chǎn)生一定的影響。

1.5 對除氧器的影響

為改善機(jī)組經(jīng)濟(jì)性、增加裁減載機(jī)動，常以滑壓方式操作，但在降載時，由于抽汽量與設(shè)計(jì)偏差，脫氧效率會下降。其中，熱態(tài)溫度是一個重要因素，過高的熱態(tài)溫度會引起汽缸壁面過熱、進(jìn)氣不暢等問題，同時還會導(dǎo)致潤滑失效，增大壓氣機(jī)的能耗[1]。

2 汽輪機(jī)噴嘴組的優(yōu)化改造

由于燃煤發(fā)電機(jī)組在實(shí)際電力系統(tǒng)中會受現(xiàn)有電力系統(tǒng)的負(fù)荷分配的制約，無法實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷高效率長期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，必須進(jìn)行大量的能源調(diào)峰，造成了電力市場中的峰谷差值越來越大，負(fù)荷的變化也越來越劇烈，加大了汽輪機(jī)設(shè)備對電力市場的影響，在這種情況下，其經(jīng)濟(jì)效益就會下降。并且，蒸汽透平的動力與其經(jīng)濟(jì)性能密切相關(guān)，因此，其經(jīng)濟(jì)性能的降低與蒸汽透平調(diào)整層的噴射單元密切相關(guān)。為了減少汽輪機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下造成的負(fù)面影響，必須通過對各循環(huán)體系全面特性的對比與研究，選取出更優(yōu)的循環(huán)體系及優(yōu)化的熱工參數(shù)，以達(dá)到節(jié)能增效的目的（圖1）。

圖1 汽輪機(jī)設(shè)備

在技術(shù)改造過程中，重點(diǎn)對旋風(fēng)筒、連接管路等重要工序的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。雖然受到有關(guān)條件的限制，但總體上還是要遵守如下原則：①采用現(xiàn)代蒸汽透平機(jī)的技術(shù)思想，對其高壓過流段進(jìn)行技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，提高經(jīng)濟(jì)性；②按照現(xiàn)行的國際、國內(nèi)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及檢驗(yàn)；③最大限度減少技術(shù)更新的費(fèi)用，同時增加單元的工作效率。這種方法既能防止設(shè)備改造過頭，降低設(shè)備的投資費(fèi)用，又能激發(fā)企業(yè)進(jìn)行設(shè)備改造的積極性。

噴嘴組與相對應(yīng)的高壓調(diào)節(jié)汽閥相通，是高壓調(diào)節(jié)汽閥的延伸，與高壓調(diào)節(jié)汽閥一起，共同參與流量調(diào)節(jié)過程。允許各噴嘴組建立不同的壓力，通過不同的流量，以降低氣流的節(jié)流損失。由于噴嘴內(nèi)、外環(huán)都與噴嘴腔相連接，因此，與隔離腔相比，靜葉片的應(yīng)力狀態(tài)更佳。噴嘴組可采用整體銑削或精鑄成型，也可采用電脈沖鍛造或鉆削成型，制成整體式噴嘴組的弧段。該型號的噴嘴組與蒸汽腔之間不是以螺釘固定，而是以凸臺安裝的形式與蒸汽腔相連。本機(jī)內(nèi)裝全不銹鋼，可避免因長時間接觸水蒸汽流體而產(chǎn)生銹蝕，外裝固定架，可確保本機(jī)的穩(wěn)定性。新的蒸汽流體經(jīng)過主氣門的調(diào)整后，流入了蒸汽室內(nèi)，其中一部分經(jīng)過加熱爐加熱后，進(jìn)入一個較高的分汽缸，用于分配和利用，另外一部分從汽包中抽出，進(jìn)入較低的分汽缸。在此過程中，空氣通過蒸汽流體腔流向噴嘴群，并通過調(diào)整級動葉片對空氣進(jìn)行加熱，使空氣中的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯恿ΑＴ谶@種情況下，如果有大量的高溫、高壓蒸汽泄漏，將會對機(jī)組的運(yùn)行造成很大的影響。以往的純凝結(jié)單元，其噴嘴的徑向汽封間隙是2.5 mm，而本招標(biāo)型號則將其降低到1 mm，并且盡可能地在受限空間中設(shè)置更多的齒形，從而大幅度地降低空氣的泄漏。該噴嘴群在結(jié)構(gòu)上使用了三聯(lián)式、三叉戟、三針插腳等先進(jìn)的結(jié)構(gòu)，大大增加了其安全性和可靠性[2]。

3 改造后的調(diào)整措施

3.1 噴嘴組的最佳葉型和子午縮徑型線

將原JZ-81（層流式）改為JZ-343（后負(fù)荷式），以提高調(diào)整級動、靜葉片的空氣動力負(fù)荷分配，降低葉柵槽的二次流動損失。為了減小靜葉片前緣的載荷，減小葉片的末端損耗，對葉片的收縮型線和槽道收縮率進(jìn)行優(yōu)化。對過電流保護(hù)作再整定，增設(shè)定向元件，避免繼電器的誤動，并在需要的情況下，采取其他無指導(dǎo)方式，以保證繼電器的“四性”。在此基礎(chǔ)上，對該裝置進(jìn)行改進(jìn)，將調(diào)質(zhì)池改為溢流池，將UASB 改為UBF，增加了均衡池、納濾池。在此基礎(chǔ)上，對發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使用一種新的耐熱合金，并改善發(fā)動機(jī)的冷卻方式，從而達(dá)到減重的目的。

3.2 新增先進(jìn)的蒸汽泄漏治理新技術(shù)

增大葉頂汽封齒的數(shù)量，從1 個汽封齒增至3 個，使葉頂汽封漏氣的損耗大為減少；為了降低噴嘴群中間分面上的泄漏，在中分面增設(shè)一個門形密封條。采用以上方法，可使蒸汽最大限度地流向管道，使其在管道中做功。將Ovation 的安全儀器系統(tǒng)用于鍋爐的防護(hù)系統(tǒng)和燃燒設(shè)備的管理系統(tǒng)。利用PLC 控制技術(shù)，在下位機(jī)控制系統(tǒng)中，對多個泵、閥門等設(shè)備的啟停、開/關(guān)進(jìn)行控制，從而使得系統(tǒng)可以根據(jù)工藝的要求，完成對其的自動控制。

3.3 適當(dāng)減小噴嘴組的出風(fēng)口

300 MW 發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時，由于噴嘴組出口面積過大，會對其工作性能造成很大的影響。為此，在提高設(shè)備輸送負(fù)荷的前提下，對噴嘴組的容量做適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，同時適當(dāng)縮小噴嘴組出口面積，將噴嘴導(dǎo)葉的數(shù)目從148只減到133 只，將導(dǎo)葉型線的安裝角由原來的6925′33″縮小至67935′54″，因此，導(dǎo)葉出口面積從245 cm2減到195 cm2。將調(diào)整升級后壓強(qiáng)提高至7 atm（1 atm=0.101 MPa），優(yōu)化調(diào)整級速比，適當(dāng)提高級后壓，既提高了調(diào)整級的效率，又將熵值降至較高的壓強(qiáng)，同時對加力燃燒器、尾噴管等進(jìn)行優(yōu)化，使用新的耐熱合金，改善冷卻方式，達(dá)到減重的目的。

3.4 使用高性能材料，改善噴嘴組氣路的加工技術(shù)

噴嘴組的材料使用2Cr11MolVNbN 鍛造，其抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性變形等都超過了常見的材料（強(qiáng)度超過常規(guī)鋁鎂合金的5 倍，鋁7 系的5 倍，不銹鋼的3 倍，鈦合金的2 倍）。在加工制造尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能要求高的零件時，具有加工周期短、材料節(jié)省、加工方便等優(yōu)勢，可以提高噴嘴組的機(jī)械性能和使用壽命。對噴嘴組氣路進(jìn)行優(yōu)化，采用電解腐蝕的方法對其進(jìn)行紫銅電極的處理，提高了氣路的加工精度和對固體粒子的侵蝕能力。

4 改造效果

2009 年8 月14 日—9 月6 日，在某公司7 號汽輪機(jī)組完善化大修期間，對靖遠(yuǎn)7 號汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級噴嘴組實(shí)施了優(yōu)化改造。圖2 為2300 MW 噴嘴組結(jié)構(gòu)示意。

圖2 2300 MW 噴嘴組結(jié)構(gòu)示意

主要優(yōu)化措施如下：

（1）對噴嘴組的葉形進(jìn)行優(yōu)化，以增加射流的波浪系數(shù)。對調(diào)整級動、靜葉片的空氣動力負(fù)荷進(jìn)行改進(jìn)，降低葉柵槽內(nèi)的二次流動損耗；為了減小靜葉片前緣的載荷，減小二次流損失，對葉片的二次流損進(jìn)行優(yōu)化。

（2）為了減小閥的節(jié)流損耗，增加調(diào)節(jié)段的效率，應(yīng)適當(dāng)減小噴嘴組的出風(fēng)口區(qū)域。在決定噴嘴組出口面積時，要對汽輪機(jī)、凝汽器等裝置的實(shí)際性能進(jìn)行全面的調(diào)查和掌握，并結(jié)合機(jī)組的負(fù)荷率和夏季工況的背壓，選取一個合適的噴嘴組出口面積。

（3）為了減少汽封的漏氣損耗，減少汽封的齒數(shù)，減小汽封的徑向間距，以減少汽封的漏氣和汽封對主流的干涉。隨著漏氣體積的減小，漏氣對主流的干涉作用也明顯減弱。選擇更為合理、精確的噴嘴形式、壓力、流量等設(shè)計(jì)參數(shù)，可使過程設(shè)計(jì)更加精確、高效，從而達(dá)到節(jié)水的目的。

（4）在介質(zhì)溫度、壓力較高、波動較大的情況下，夏季外界溫度升高時，進(jìn)氣門的開啟要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

測試結(jié)果顯示，改造后在額定狀態(tài)下（5 閥全開狀態(tài)），調(diào)節(jié)級的效率從改進(jìn)前的52.8%提升至69.3%，同時，機(jī)組的發(fā)電煤耗率降低了2.3 g/（kW·h）（取鍋爐效率為92%，管道效率為99%）。在局部負(fù)載條件下，該系統(tǒng)的改造費(fèi)用及改造效果均得到控制。改進(jìn)后，通過減少噴嘴組出口面積，使進(jìn)氣閥節(jié)流損耗減少，提高系統(tǒng)低負(fù)荷性能。

5 結(jié)束語

通過對汽輪機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行適應(yīng)性最優(yōu)的改造實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在低負(fù)荷運(yùn)行模式下，噴嘴組的改造是一種適合于汽輪機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行模式的最優(yōu)方案，該方案既能防止改造量過多、降低公司在大型改造中的投資費(fèi)用，還能激發(fā)企業(yè)改造的積極性和主動性。并將其與蒸汽分配規(guī)律相結(jié)合進(jìn)行優(yōu)化，從而較好地解決了由于噴嘴組的改變所引起的不利影響，為國內(nèi)大型機(jī)組的節(jié)能、最優(yōu)運(yùn)行和改造提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。