300MW汽輪機(jī)噴嘴組改造

1、300MW汽輪機(jī)噴嘴組改造肖官和，趙麗華，薛飛，曾榮鵬北京龍威發(fā)電技術(shù)有限公司，北京市海淀區(qū)中關(guān)村南大街乙56號(hào)方圓大廈，100044Retrofit of Nozzle Group for 300MW Steam TurbineXiao Guanhe，Zhao Lihua，Xue Fei，Zeng RongpengFang Yuan Building Second 56 Zhongguancun South Street Haidian District，Beijing 100044 PRCAbstract: It is a common problem that the efficienc

2、y of governing stage is significantly lower than the design value in 300MW steam turbine worked in china. This paper introduced the optimization retrofit technology for nozzle group of 300MW steam turbine from the design, manufacturing and installation. The technology was adopted for retrofit of noz

3、zle group in more than 20 300MW steam turbines. After retrofit, acceptance test shows that the efficiency of governing stage was increased by 10%15% at rated conditions. The effect of energy-saving was significant.KEY WORD: 300MW steam turbine; nozzle group; retrofit; energy-saving摘 要：我國(guó)在運(yùn)300MW汽輪機(jī)普遍

4、存在調(diào)節(jié)級(jí)效率遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值的情況，嚴(yán)重影響了汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。本文從設(shè)計(jì)、加工制造和安裝等方面介紹了汽輪機(jī)噴嘴組優(yōu)化改造技術(shù)，該技術(shù)已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)20余臺(tái)300MW汽輪機(jī)的噴嘴組改造。改造后的性能測(cè)試結(jié)果表明，額定工況下，調(diào)節(jié)級(jí)效率提高了約15%20%，節(jié)能效果顯著。關(guān)鍵詞：300MW汽輪機(jī); 噴嘴組; 改造; 節(jié)能1 引言 300MW汽輪機(jī)組是我國(guó)電力生產(chǎn)的主力機(jī)組，目前國(guó)內(nèi)在運(yùn)的300MW汽輪機(jī)組已有500多臺(tái)1。噴嘴組是汽輪機(jī)的關(guān)鍵部件之一，與調(diào)節(jié)閥相連，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)主蒸汽流量的調(diào)節(jié)。受設(shè)計(jì)、制造和安裝等方面不合理因素的影響，我國(guó)在運(yùn)300MW汽輪機(jī)普遍存在調(diào)節(jié)級(jí)效率遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值的情況。額

5、定工況下，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)的功率約占高壓缸功率20%，占整機(jī)功率約6.2%，調(diào)節(jié)級(jí)效率遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值將嚴(yán)重影響高壓缸效率，顯著降低汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。北京龍威發(fā)電技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱龍威公司）技術(shù)人員，從調(diào)節(jié)級(jí)的特點(diǎn)和影響其效率的因素著手，提出了噴嘴組優(yōu)化改造的技術(shù)措施，開(kāi)發(fā)了300MW汽輪機(jī)噴嘴組改造技術(shù)。截至2010年6月，已應(yīng)用該技術(shù)對(duì)國(guó)內(nèi)20余臺(tái)300MW汽輪機(jī)噴嘴組進(jìn)行了改造。改造后汽輪機(jī)的熱力性能試驗(yàn)結(jié)果表明，額定工況下，調(diào)節(jié)級(jí)效率相對(duì)改造前提高了約15%20%，節(jié)能效果顯著。2 300MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)的特點(diǎn)調(diào)節(jié)級(jí)的工作特點(diǎn)是部分進(jìn)汽和變工況時(shí)焓降變化大，調(diào)節(jié)級(jí)承擔(dān)的焓降比中間級(jí)大。表1為

6、某型號(hào)300MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)的設(shè)計(jì)特性。表1 某型號(hào)300MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)的設(shè)計(jì)特性2序號(hào)項(xiàng)目單位工況1工況2工況3工況41全開(kāi)閥門(mén)數(shù)/65432部分進(jìn)汽度%95.4579.5463.6347.723調(diào)節(jié)級(jí)效率%77.771.867.160.44調(diào)節(jié)級(jí)功率MW16.91718.62520.36221.680由表1可見(jiàn)，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)的特點(diǎn)可以進(jìn)一步總結(jié)如下：（1）設(shè)計(jì)級(jí)效率低，額定工況下的設(shè)計(jì)效率通常比中間級(jí)效率低約15%20%，隨著全開(kāi)閥門(mén)數(shù)和部分進(jìn)汽度的減少而降低；（2）功率大，且隨機(jī)組功率的降低而增大；（3）功率份額大，在額定工況下，調(diào)節(jié)級(jí)功率約占整機(jī)功率的6.2%，且隨著機(jī)組功率的下降顯

7、著增大，在30%額定工況下，調(diào)節(jié)級(jí)功率可占整機(jī)功率的11%以上。3 300MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)存在的問(wèn)題及其影響3.1 300MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)存在的問(wèn)題（1）實(shí)際運(yùn)行效率遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。根據(jù)西安熱工研究院等電力試驗(yàn)研究單位對(duì)國(guó)內(nèi)在運(yùn)多臺(tái)300MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)效率的實(shí)測(cè)結(jié)果，額定工況下調(diào)節(jié)級(jí)效率僅為40%-50%左右，比設(shè)計(jì)值低出約20個(gè)百分點(diǎn)。（2）運(yùn)行一段時(shí)間后，噴嘴汽道存在不同程度的磨損，出汽邊尤為嚴(yán)重。噴嘴出汽邊破損后，一方面降低了調(diào)節(jié)級(jí)的運(yùn)行可靠性；另一方面改變了靜葉型線，增大了流動(dòng)損失，同時(shí)增大了噴嘴出汽面積和部分負(fù)荷下的進(jìn)汽節(jié)流損失，嚴(yán)重降低了調(diào)節(jié)級(jí)效率。圖1 調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴組出汽邊破損3.

8、2 300MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)存在問(wèn)題的原因分析（1）噴嘴組的設(shè)計(jì)存在不合理因素。1）、國(guó)內(nèi)在運(yùn)300MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)設(shè)計(jì)汽封齒數(shù)少、間隙大，一方面增大了蒸汽泄漏損失；另一方面，泄漏蒸汽以不正確的方向進(jìn)入調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉，對(duì)主流蒸汽產(chǎn)生一定程度的干擾，增加了流動(dòng)損失。2）、噴嘴組設(shè)計(jì)出口面積過(guò)大，以H156型300MW汽輪機(jī)為例，若汽輪機(jī)內(nèi)效率能夠達(dá)到設(shè)計(jì)性能，鍋爐和發(fā)電機(jī)及輔機(jī)出力可以滿足汽輪機(jī)連續(xù)出力達(dá)到350MW以上3。噴嘴組設(shè)計(jì)面積過(guò)大將導(dǎo)致機(jī)組在部分負(fù)荷下經(jīng)濟(jì)性能差，尤其是70%負(fù)荷及以下工況性能下降幅度較大。目前，我國(guó)在運(yùn)的大部分300MW汽輪機(jī)組在絕大部分時(shí)間內(nèi)都是帶部分負(fù)荷運(yùn)行， 噴嘴組

9、設(shè)計(jì)面積過(guò)大已對(duì)機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生了不利影響。3）、部分300MW汽輪機(jī)噴嘴組設(shè)計(jì)汽道數(shù)過(guò)少，靜葉柵的相對(duì)節(jié)距偏離最佳節(jié)距較大，靜葉對(duì)汽流的導(dǎo)向作用不佳。（2）噴嘴組材質(zhì)選用不當(dāng)。國(guó)內(nèi)在運(yùn)的300MW汽輪機(jī)噴嘴組材質(zhì)大多采用1Cr12Mo或1Cr11MoV，這些材料的性能等級(jí)較低，高溫持久強(qiáng)度較差，抗固體顆粒的沖蝕性能差。（3）噴嘴組的加工工藝相對(duì)落后。目前國(guó)內(nèi)在運(yùn)的300MW汽輪機(jī)噴嘴組主要采用以下兩種加工制造工藝：1）、靜葉采用組焊方式，由于存在焊接定位誤差及變形等因素，焊接后汽道節(jié)距及喉口尺寸難以精確控制；2）、以石墨為電極，采用EDM（電溶解）加工方式加工汽道，受石墨材質(zhì)性能的影響，

10、加工精度較差。（4）噴嘴組的安裝、檢修方面也存在一定問(wèn)題，導(dǎo)致調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)、靜葉片之間匹配不佳，降低了調(diào)節(jié)級(jí)效率。圖2 調(diào)節(jié)級(jí)葉頂汽封結(jié)構(gòu)3.3 調(diào)節(jié)級(jí)存在的問(wèn)題對(duì)汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響4圖3 噴嘴配汽高壓缸的熱力過(guò)程線圖3為某300MW汽輪機(jī)4閥全開(kāi)、5閥部分開(kāi)啟工況下高壓缸的熱力過(guò)程線。新蒸汽壓力為，第I-IV噴嘴組（調(diào)門(mén)全開(kāi)）前的壓力為，第V噴嘴組（調(diào)門(mén)部分開(kāi)啟）前的壓力為，調(diào)節(jié)級(jí)后壓力為，高壓缸的排汽壓力為。調(diào)節(jié)級(jí)效率按式（1）進(jìn)行計(jì)算： （1） 高壓缸的內(nèi)效率按式（2）進(jìn)行計(jì)算： (2)式（2）中、分別是調(diào)節(jié)級(jí)的蒸汽流量和高壓缸其它級(jí)的蒸汽流量；、分別為調(diào)節(jié)級(jí)效率和高壓缸其它各級(jí)的平均效率。

11、設(shè)， 則式（2）可寫(xiě)為： （3）若忽略重?zé)嵝?yīng)，則可以視為與調(diào)節(jié)級(jí)效率無(wú)關(guān)的常數(shù)。汽輪機(jī)的熱耗率按式（4）進(jìn)行計(jì)算： （4）式（4）中為理想蒸汽動(dòng)力循環(huán)效率，為汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率，為機(jī)械效率，為電機(jī)效率，與可以近似看作常數(shù)，設(shè)，則 （5）由圖3及式（1）-（5）可以得出以下結(jié)論：1）調(diào)節(jié)級(jí)效率受閥門(mén)節(jié)流損失影響較大，且隨著閥門(mén)開(kāi)度和主汽流量的減小而降低；2）當(dāng)降低時(shí)，將導(dǎo)致 及降低。在低負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，即當(dāng)/比值較大時(shí)，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值將導(dǎo)致及的顯著下降，從而導(dǎo)致明顯增加；3）在低負(fù)荷工況，如果噴嘴組出口面積過(guò)大，將導(dǎo)致增大。若提高主汽壓力，則需減小調(diào)門(mén)開(kāi)度，一方面將導(dǎo)致節(jié)流損失增大、調(diào)節(jié)級(jí)效率下

12、降，另一方面將使調(diào)節(jié)級(jí)功率份額增大，進(jìn)一步降低及；若降低主汽壓力，增大調(diào)門(mén)開(kāi)度，將導(dǎo)致下降。4 300MW汽輪機(jī)噴嘴組改造原則與技術(shù)措施針對(duì)300MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)存在的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)認(rèn)真研究和科學(xué)分析，提出了汽輪機(jī)噴嘴組改造原則及技術(shù)措施，在此基礎(chǔ)上成功開(kāi)發(fā)了300MW汽輪機(jī)噴嘴組改造技術(shù)。4.1 改造原則為提高改造的可靠性、降低改造成本，300MW汽輪機(jī)噴嘴組改造遵循以下原則：（1）高壓內(nèi)缸及噴嘴室保持不變，噴嘴組與原噴嘴室的接口保持不變，僅更換噴嘴組及相關(guān)附件；（2）調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片仍采用原葉片，噴嘴組改造后應(yīng)確保調(diào)節(jié)級(jí)靜葉與動(dòng)葉匹配良好。4.2 采取的主要技術(shù)措施（1）優(yōu)化噴嘴組葉片型線，改善調(diào)

13、節(jié)級(jí)動(dòng)、靜葉片的氣動(dòng)載荷分布，減少葉柵通道的二次流損失；優(yōu)化子午面收縮型線及通道收縮比，降低靜葉通道前段的負(fù)荷，減少葉柵的二次流損失，提高流動(dòng)效率。圖4 噴嘴組葉片型線優(yōu)化 圖5 噴嘴組子午面收縮型線優(yōu)化（2）適當(dāng)縮小噴嘴組出口面積，減少閥門(mén)節(jié)流損失，提高調(diào)節(jié)級(jí)效率。在確定噴嘴組出口面積時(shí)，需要充分調(diào)研并掌握汽輪機(jī)、凝汽器等設(shè)備的實(shí)際性能，根據(jù)機(jī)組的負(fù)荷率情況及夏季工況的背壓情況，選擇合理的噴嘴組出口面積。（3）增加汽封齒數(shù)、減小汽封徑向間隙，降低漏汽損失及泄漏蒸汽對(duì)主流蒸汽的干擾。由圖7可以看出，當(dāng)泄漏蒸汽量減少后，泄漏蒸汽對(duì)主流的干擾也大為減弱。圖6 改進(jìn)后的調(diào)節(jié)級(jí)汽封圖7 泄漏流動(dòng)與主流

14、相互作用流場(chǎng)（4）噴嘴組材質(zhì)采用綜合性能明顯優(yōu)于1Cr12Mo和1Cr11MoV的1Cr12WMoV鍛件，優(yōu)化噴嘴組汽道加工工藝，應(yīng)用紫銅電極電溶解加工噴嘴汽道，改善汽道加工精度及固體顆粒沖蝕的能力，提高調(diào)節(jié)級(jí)的可靠性和效率。（5）通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)揭缸后的調(diào)節(jié)級(jí)有關(guān)尺寸進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次設(shè)計(jì)和加工，調(diào)整噴嘴和動(dòng)葉蓋度及節(jié)圓直徑等，確保動(dòng)、靜葉片匹配良好。改進(jìn)噴嘴組的加工及其與內(nèi)缸的裝配工藝，優(yōu)化高壓內(nèi)缸安裝工藝，確保高壓內(nèi)缸安裝后噴嘴組與轉(zhuǎn)子具有良好的同心度。圖8 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)調(diào)節(jié)級(jí)的有關(guān)尺寸5 工程應(yīng)用及改造效果2009年8月14日2009年9月6日，在靖遠(yuǎn)第二發(fā)電有限公司7號(hào)汽輪機(jī)

15、組完善化大修期間，龍威公司對(duì)靖遠(yuǎn)7號(hào)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴組實(shí)施了改造。2009年10月10日2009年10月23日，甘肅省電力科學(xué)研究院（技術(shù)負(fù)責(zé)）與西安熱工研究院（技術(shù)鑒證）對(duì)7號(hào)汽輪機(jī)機(jī)組進(jìn)行了大修完善改造后的性能（安全性、經(jīng)濟(jì)性、出力能力）試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，改造后額定工況（5閥全開(kāi)工況）下調(diào)節(jié)級(jí)效率由改進(jìn)前52.8%提高到69.3%，提高了16.5個(gè)百分點(diǎn)，機(jī)組發(fā)電煤耗率下降約2.3g/(kW·h)（取鍋爐效率為92%、管道效率為99%）。在部分負(fù)荷工況下，改造后由于噴嘴組出口面積的減小，降低了進(jìn)汽閥門(mén)的節(jié)流損失，改善了機(jī)組的低負(fù)荷特性3。6 結(jié)語(yǔ)龍威公司已經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)20余臺(tái)300MW汽輪機(jī)噴嘴組成功實(shí)施了改造，改造后的汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)可顯著提高300MW汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)級(jí)效率，提高汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，具有良好的推廣價(jià)值。參 考 文 獻(xiàn)1 中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)電力可靠性管理