汽輪機節能改造技術

一、汽輪機通流改造概述

隨著葉輪機械氣動熱力學和汽輪機通流部分設計概念與手段迅速發展與更新,目前,以最新氣動熱力分析計算為核心的汽輪機通流部分設計方法已完全成熟,以彎扭聯合成型為代表的第四代通流設計已進入工業化實用階段,其效率比第二代汽輪機提高約5%。目前,世界上幾乎所有大型汽輪機制造廠家如三菱、ABB、GE、日立、東芝、西門子、GEC-ALSTHOM等都在生產彎扭葉片的新一代汽輪機產品投入市場。這一先進設計體系主要特征是:

1、對每一排靜、動葉片不同截面葉型的流動性能進行詳細的全四維計算分析與設計優化;

2、對每一排靜、動葉柵內部的流動進行計算分析與設計優化;

3、對高、中、低壓缸多級透平各級靜、動葉片排的相互匹配進行精確流場計算與設計優化。

上述改造需要大量的計算分析與設計優化,這些都是首先在現代電子計算機上由先進、可靠的計算機軟件來完成,所有的靜、動葉片都是采用先進的CAD軟件在電子計算機上進行全三維造型。然后,還對設計方案進行了大量的實驗研究,在驗證了其性能的先進性之后,再由制造廠采用先進的工藝加工制造出來的。

在汽輪機通流部分現代化改造中,老機組的全部靜、動葉片都將被更換,在新的隔板、轉子中采用了具有當代先進水平的新技術。


二、汽輪機通流改造主要內容

2.1更換調節級子午面收縮靜葉柵

子午面收縮降低靜葉柵二次流損失,一般可使透平級效率提高1.5-2%。子午面收縮是一種全四維設計概念,其主要優點是降低靜葉柵通道前段的負荷,減少葉柵的二次流損失。對于調節級靜葉柵,由于其相對葉高很短(一般l/b≤0.4),二次流損失占葉柵總損失比例很大,因此使用子午面收縮的收益相當可觀,這對提高高壓缸效率十分重要。在新設計高壓缸調節級中采用了子午面收縮靜葉柵,經計算和實驗驗證可使調節級效率提高1.7%。


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圖1.  子午面收縮靜葉柵示意圖


2.2新型“后加載”靜葉葉型

理論分析和實驗驗證均表明這一新葉型的效率大大高于老機組中使用的傳統葉型。圖1、圖2是新、老葉型以及其表面速度分布的比較。特別應指出的是,“后加載”葉型在來流方向由-30°到+30°的變化范圍都可保持低損失,而老葉型的這一范圍約為±20°,這就使得新設計的通流部分在負荷(即流量)變化范圍很大時仍有較高的效率,這對機組參加調峰運行非常有利。


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圖2.  新(左)老(右)葉型比較


2.3高壓缸隔板靜葉分流葉柵

高壓靜葉原設計為窄葉片加強筋結構(見圖5),由于加強筋的型線與葉型不匹配,特別是早期的汽輪機加強筋數目多,又缺乏嚴格的工藝要求,加強筋加工粗糙且加強筋與葉型通常不能對齊,造成靜葉柵損失大大增加。本方案采用新葉型的分流葉柵(圖5),可使葉柵損失大幅度降低,高壓級采用分流葉柵可使缸效率提高4%以上。


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圖3.  高壓原設計加強筋葉柵(左)與新設計分流葉柵(右)


2.4彎扭聯合成型靜葉柵

彎扭聯合成型靜葉柵,是第四代汽輪機先進技術的集中體現,世界各國的大量理論與實踐都證明采用這一技術可使汽輪機級的效率提高1.5~2%。這些葉片已在12MW-200MW系列機組通流部分廣泛采用。圖3是適用于低壓缸的彎曲加扭轉的葉片,圖4是適用于低壓末級的根部彎曲、頂部不彎曲(或少許彎曲)、變截面扭轉葉片。計算和實驗證明彎扭葉柵總損失比傳統直(扭)葉柵下降1/4甚至更多。


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圖4. 低壓缸通流部分彎扭靜葉片         低壓缸末級彎扭靜葉片

 

2.5新型動葉片型線

動葉片的自帶圍帶內側通常按流道形狀設計成圓錐面,相應地,動葉片根部及相鄰靜葉片根部與頂部也設計成圓錐面,于是通流部分子午面十分光順,而原設計通流子午面都呈現明顯的階梯狀。顯然,新設計的光順的子午面有更高的流動效率。


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圖5. 動葉鉚接圍帶(左)與自帶圍帶(右)對比示意圖

 

2.6增加汽封齒數

新設計自帶圍帶動葉片的頂部外圓可以布置多個汽封齒,還可以加工成凹凸形狀構成高、低汽封(參見圖5),從而大大減少了漏汽損失。

 

2.7末級根部高反動度設計

通過采用彎扭靜葉片、新型動葉片、子午面根部反凹造型、靜動葉匹配等多項措施,將設計工況下末級根部反動度提高到25%以上,這就使得末級氣動性能大為改善,特別是防止了在低壓缸小流量時末級根部通常容易出現的脫流和倒流以及由此帶來的動葉根部出汽邊水蝕現象,大大提高了低壓缸運行安全可靠性,增強了機組調峰和變工況運行能力。

 

2.8鑄鐵隔板改為焊接鋼隔板

隔板設計全部改為焊接鋼隔板。焊接鋼隔板材質好、葉柵部分加工精度高,能保證靜葉柵達到設計氣動熱力性能,并可延長隔板使用壽命。

 

三、汽輪機通流改造優點

改善汽輪機內部流體通道環境,綜合能效提高10%左右;

提高密封性能,減少蒸汽泄漏率;

增強負荷調節和適應能力,低負荷狀態下保持較高的運行效率;

增強汽輪機運行的安全可靠性,延長使用壽命。

 

四、工程案例

晉煤集團旗下某煤化工企業,實施B9-8.83/4.9高背壓汽輪機節能改造。采用合同能源管理分享型模式,合同期限5年,改造前測得汽耗值為42kq/kwh,發電功率6000kw左右。改造后同等工況下,發電功率8500kw左右,汽耗值降到30kq/kwh以下,節能效率25%以上。


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