汽轮机组通流部件改造情况

汽轮机组通流部件改造情况

一、汽机通流部件改造情况

汽轮机通流部分改造主要是指采用先进成熟的气动热力设计技术、结构强度设计技术及先进制造技术，对早期采用相对落后技术设计制造的或长期运行已老化，经济性、可靠性较低的在役汽轮机的通流部分进行改造，以提高汽轮机运行的经济性、可靠性和灵活性，并延长其服役寿命。自上世纪90年代中期始，国内在役的汽轮机开始进行改造，

目前国内200MW及以下功率等级的汽轮机已有数百台实施改造，改造后汽轮机的经济性和安全性均有得到提高，取得了良好改造效果。近两年内，早期投运或采用上世纪70年代～80年代技术设计制造的300MW功率等级的汽轮机也已有几十台进行了通流部分改造，为后续的汽轮机通流部分改造积累了诸多经验。任何机组都会因具体工作环境的影响而受到不同程度的损伤。最常见的损伤原因包括固体颗粒的冲蚀、积垢、间隙增大、锤痕、异物损伤等。其次，还有结合面或密封环的泄露和点蚀。静、动部件的摩擦将会增大泄露及其相关损失。引起摩擦的原因包括大的转子振动、静止部件的热变形、轴承故障、进水、固体颗粒冲蚀等。除了因表面粗糙度增大，反动度改变，正常级内压力分布混乱造成的损失以外，结垢亦可引起较大的出力下降。因为结垢后使喷嘴面积减小，限制了通流能力。锤痕和异物损伤也会同样引起损失。其它诸如进口密封环、内缸结合面及隔板间的泄漏可引起较大的损失，因为这些泄露流量中有的蒸汽旁通了若干级或整个通流部分。上述原因导致汽轮机各级损失较大，级效率及通流效率低下，多数机组缸效率及热耗率达不到设计值。

300MW等级汽轮机特别是上世纪90年代中期前汽轮机多数不同程度的存在喷嘴室变形、高压调节级及中压第一级固体颗粒冲蚀损坏、内缸体变形严重、低压末级、次末级断裂、损伤故障、水蚀严重及其它影响机组可靠性的安全隐患。汽轮机在投运若干年后，随着老化其性能逐渐下降变差而无法避免，在机组正常估算寿命期内，其故障率的大小往往呈现“浴盆曲线”式的变化，设备经多年运行后，在部件磨损阶段故障率会趋于增长。目前国内300MW功率等级机组仍占总装机容量30.13%，多数运行经济性较差，安全性方面也存在诸多隐患，且部分机组已接近其设计寿命，采用当代先进汽轮机设计技术，对其实施改造，恢复或提高其效率，对节能增效及减

少污染排放意义重大。随着大规模电力建设速度的逐渐放缓及环保压力、运行成本压力的增加及节能调度的实施，可以预见，未来2～5年内，将是300MW功率等级汽轮机通流部分改造的高潮。

二、汽轮机通流部分改造总体目标和原则

通过对汽轮机通流部分的技术改造,提高通流效率，使机组的热耗、效率达到同类机组的先进水平，实现节能降耗。通过对汽轮机通流部分的技术改造，提高机组的安全可靠性，消除目前机组存在的影响安全可靠运行的缺陷。通过对汽轮机通流部分的改造，使汽轮机具备良好的运行灵活性和调峰能力。通过对汽轮机通流部分的改造,并在锅炉主、辅机、汽轮机辅机及系统、发电机及电气系统不进行大的改造的前提下，实现机组增容，提高机组的铭牌出力。满足用户某些特殊要求如工业抽汽或供热抽汽。改造方案和技术措施应结合机组具体情况，“量体裁衣”进行改造方案设计；改造涉及范围尽可能最小，对外围系统影响最小；机组外形尺寸基本不变，旋转方向不变；热力系统原设计不变、抽汽参数保持基本不变；与发电机、轴承箱等接口不变。

三、汽轮机通流改造技术

随着计算机技术和计算流体动力学（CFD）技术的发展，三维粘性数值模拟技术在透平机械气动设计中得到了广泛的应用，以准三维/全三维/定常/非定常气动热力分析计算为核心的汽轮机通流部分设计方法已成熟。

目前，国内外已普遍采用成熟的三维气动设计理论及技术进行汽轮机通流部分的设计在汽轮机通流部分结构与强度设计方面，三有限元（3D-FEM）数值分析技术已开始广范用于转子、动叶片、隔板、汽缸等的结构与强度设计，使得对于汽轮机通流部分部件的结构强度设计更为先进和精准，可以确保部件的高可靠性。

1.先进的叶轮机械热力学和流体力学技术

提高气动效率，汽轮机内部的流动是一个三维、可压缩、有粘性、亚音速或跨音速、单相或多相的非定常流动过程。采用先进的叶轮机械热力学和流体力学技术，对老机组进行通流部分的改造设计，提高级效率及通流效率。

叶型损失主要有附面层中的摩擦损失、附面层脱离引起的涡流损失、尾迹损失、冲波损失。端部损失主要有二次流损失、摩擦损失、级的损失、叶高损失、扇形损失、叶轮摩擦损失、部分进汽损失、漏汽损失、湿汽损失。固体颗粒冲蚀将造成调

节级及中压第一级损伤，性能恶化。有研究表明，这一损失在高压缸中可达32～

42KJ/KWh。早期投产机组，锅炉管道及蒸汽管道已运行多年，氧化皮的剥落后更为严重，因此，汽轮机通流部分改造中对调节级及中压第一级的SPE问题应予以格外关注。调节级及中压第一级防固体颗粒冲蚀技术，采用抗SPE涂层、采用先进气动设计减轻调节级及中压第一级的SPE。采用宽而强壮的叶型，更大弯曲半径及动静间隙，使固体颗粒更顺畅地通过，避免与叶片出汽边直接碰撞。末级动叶片，应用三元流技术进行流场设计，静叶采用后加载叶型、复合弯扭叶片，动叶沿叶高反扭，改善参数沿叶高的分布，大幅度地减小径向和端部二次流损失，型线速度分布合理，减少分离现象，激波损失小。降低汽封的漏汽损失；提高末级根部反动度，利于变工况运行及提高机组的低负荷运行能力和安全性，改善机组调峰性能。

2.先进的结构强度技术

提高汽轮机的安全可靠性，高温部件热力耦合分析技术，对汽缸、转子、喷嘴、叶片、阀门等高温高压部件进行有限元热力耦合分析，保证安全可靠性，并进行优化设计。叶片动强度设计，采用大刚度叶片、整体围带、预扭安装连接成全周自锁结构以避开运行时的共振响应，获得良好的振动特性，降低叶片的动应力。采用径向汽封，增加动静轴向间隙。采用焊接隔板，提高隔板刚性，使得隔板和转子在各种运行工况下既能保持同心性又在径向能自由膨胀。去湿防水蚀措施：减轻末级次末级叶片的水蚀高窄法兰结构汽缸，减少机组起、停时的热应力。结构刚度有限元分析技术，对结构刚度及变形进行有限元分析，并进行优化设计，保证刚性。汽轮机叶片动频率、动应力测试技术，准确获得叶轮叶片系统的动态频率并实现调频，确保运行时叶片的振动特性避开三重点共振。

四、改造的范围

汽轮机通流部分改造的范围可包括：叶片、叶轮、转子、轴承、隔板、隔板套、汽封（轴封）、汽缸、喷嘴室、进汽导流环、排汽扩散段。改造范围的确定，依赖于机组改造前的实际状况和改造的目标及边界条件。

五、汽轮机通流部分改造前应进行的工作

汽轮机通流改造属发电厂重大改造项目，投资巨大，因此，在对汽轮机进行通