国产300 MW冲动式汽轮机通流改造

曾荣鹏

(北京龙威发电技术有限公司，北京 100044)

0 引言

近年来，随着我国经济的快速发展，对电力的需求增长迅速，“市场煤，计划电”的现状使得发电企业的效益变得很差，环境保护的压力也日益突出。目前，300 MW汽轮机装机容量占国内总发电装机容量的1/3，由于设计、加工及安装工艺等原因，早期投运在役的300 MW等级汽轮机普遍存在通流效率低、煤耗高以及安全隐患较大等问题［1］。

北京龙威发电技术有限公司利用北京全四维动力科技有限公司的三维热力设计技术对某电厂300 MW汽轮机进行了通流改造，其改造技术与工程实施中的经验，可为其他机组的通流改造提供一些有益的帮助。

1 机组存在的主要问题

该机组为NC300/225－16.7/537/537型(东方汽轮机厂D300J型)亚临界、三缸两排汽、抽汽凝汽式汽轮机，是东方汽轮机厂20世纪90年代初生产的300 MW冲动式汽轮机，基本上采用20世纪80年代的设计技术。由于设计、制造年代较早，工艺落后，主要指标的设计值与目前的先进水平相差很大，该机型设计热耗为7 836 kJ/(kW·h)，实际热耗为8164 kJ/(kW·h)左右。该机组于1999年12月投运，中间进行过2次大修，主要存在以下问题:

(1)叶片型线设计技术相对落后，各级焓降分配不合理，汽缸效率低。

(2)汽缸、隔板套与隔板变形大。

(3)动叶的叶顶汽封间隙偏大，汽封齿少。高压进汽插管密封不严。

(4)高、中压缸的轴封漏汽量大，造成油中带水。

(5)末级叶片的出汽边水蚀严重。

(6)#3轴承箱作为高、中压缸膨胀的“死点”，因其刚性不足，起不到“死点”作用。

(7)汽缸膨胀不畅，滑销系统卡涩。

(8)机组轴系振动大。

2 改造方案

2.1 改造部套

针对机组的现状，北京龙威发电技术有限公司在保证原有热力系统不变的情况下，对结构与部套做出如下调整:

(1)更换#1，#2，#3轴承箱及#1，#2台板，但保持原有的安装位置;

(2)高压转子与主油泵由齿形连接变为刚性连接;

(3)危急遮断器由飞锤改为飞环形式;

(4)高、中、低压转子采用整锻无中心孔转子;(5)更换所有隔板与汽封;

(6)更换#2，#3隔板套以及高、中压前后所有汽封体;

(7)更换高压进汽插管组件与低压内缸排汽导流环;

(8)更换定位中心梁推拉装置。

2.2 改造目标

改造后，保证纯凝工况下机组额定功率增加到330 MW，高压缸效率大于86.5%，中压缸效率大于91.1%，低压缸效率大于88.5%，机组热耗在7 788 kJ/(kW·h)以下。解决原机组运行中存在的轴封漏汽、汽缸膨胀不畅、汽缸变形、轴承箱刚性不足和轴系振动大等影响安全运行的问题。

2.3 改造前的数据测绘

利用改造机会揭缸，对改造部套与保留的外缸、内缸结合部位进行现场实测，为新部套的加工与后续安装提供数据支持;同时，检查缸体变形情况并查找滑销系统的卡涩原因。

3 改造技术

3.1 改造前、后的基本参数对比

此次改造对机组的参数及结构做了部分调整，其中中压缸由于焓降的重新分配，比原来多加1级，见表1。

表1 机组改造前、后参数

3.2 气动热力设计

(1)通过叶型的重新设计，实现高、中压各级叶片焓降分配与速比的优化，从而提高级效率。

(2)应用叶栅全三维粘性计算程序对三维流场进行详细分析，确定子午面收缩调节级静叶栅的最佳通道收缩比和收缩型线，可使调节级效率提高1.7%［2］，如图 1 所示。

图1 改造前与改造后的子午通道对比

(3)采用后加载叶片、弯扭叶片，如图2、图3所示。后部加载叶型的叶片具有良好的攻角适应性，可降低二次流损失。试验结果表明，后部加载叶型能有效控制叶栅内的二次流动，使端面损失明显降低［3］。

(4)次末级与末级叶片选用内阻尼大、抗水蚀性能与抗振性能好的17－4PH材料，末级叶片采用高反动度设计，可防止低负荷时根部倒流引起的根部出汽边水蚀。末级叶片反动度设计值的大小对低负荷下气流分离程度有显著的影响，根部反动度设计值越小，当容积流量减小而偏离设计值时，气流分离越早，分离的相对高度也越大，反之亦然［4］。图4为重新设计的高反动度末级叶片与原有叶片在低负荷情况下的气流三维模拟图。

由图4可以看出，高反动度叶片压力分布更加合理，配合重新设计的疏水结构，解决了低负荷时末级叶片的汽蚀问题。另外，叶片采用新材料与新工艺制造，通过提高机组低压通流部分叶片(除末级叶片)的制造材料等级和热处理工艺，可提高低压通流的抗腐蚀能力，确保机组安全，延长机组寿命［5］。

3.3 结构的调整

(1)动叶采用自带冠整圈联接，围带采用“内平外斜”结构，使子午面形成光顺通道。

(2)采用新汽封并调整汽封间隙。

(3)进汽插管采用整体的非弹性环密封并增加密封环圈数。

(4)更换轴承箱，轴承箱台板采用DEVA合金自润滑块。

(5)危急遮断器由飞锤改为飞环形式。

(6)优化低压缸的排汽导流环结构，以减小汽阻。

4 现场安装

4.1 安装工作重点

通流改造的现场安装工作除了常规大修工序外，还有大量改造部套需要重新调整与安装，主要有以下几个方面:

(1)缸体下部管道的切割与焊接。主要涉及切割、焊接的工艺和探伤等，管道的切割采用冷切割作业方式，减少了焊接工作量，同时可保证管道的金属使用性能及所受的外力与改造前无太大变化。

(2)新的低压排汽导流环与缸体连接的轴向定位螺栓孔加工。原有的排汽导流环与缸体由于多年的运行，轴向定位螺栓孔存在变形，新的低压排汽导流环的轴向定位螺栓孔如果按原来的设计图纸加工，就会出现新的低压排汽导流环与缸体的轴向定位螺栓孔错位的现象，故采用新、旧螺栓孔对正后加工的方案。在原排汽导流环解体前需要用槽钢打支撑，防止解体后出现变形，一般槽钢呈米字形焊接。新导流环安装时，如果螺栓孔出现小的错位偏差，采取扩孔方式解决。

(3)轴承箱台板的二次浇灌作业。#1，#2轴承箱台板的二次浇灌作业涉及新浇灌工艺，严格按照DL 5011—1992《电力建设施工及验收技术规范(汽轮机篇)》的有关规定与灌浆料的使用说明进行操作，认真做好施工方案并严格执行。

(4)滑销系统的变更。为了防止#1轴承箱翘头及汽缸跑偏，#1轴承箱与高压缸之间采用H形定中心梁推拉结构，推拉位置接近滑动面。为了保证H形定中心梁正常运行，还对该结构进行了有限元分析，并根据计算结果在实际安装时将H梁向变形方向预拉1 mm，以减小运行时的应力［6］。采用H梁代替猫爪横销的方式降低推拉的重心，可防止轴承箱在机组膨胀阶段前倾或后仰，如图5所示。

(4)高中、中低、低发的对轮铰孔。认真做好铰孔方案，对铰孔的进度与铰孔的质量要同等对待，铰孔质量的好坏直接影响机组的振动。

(5)低压缸中分面的补焊。解决低压缸中分面漏汽的最好方式是在中分面密封处补宽约15 mm、厚约3 mm的补焊带，注意不要漏焊，否则漏汽会更加严重。

图5 猫爪横销与H梁

(6)现场的二次加工。由于测绘与制造的偏差以及旧部套的变形，改造机组的现场二次加工是不可避免的。一定要严格按照设计与机加工标准进行加工，加工前认真制订加工方案。

(7)汽封调整。在汽轮机组的改造中，可采用的汽封种类很多，常见的接触式汽封有迷宫式汽封、布莱登汽封和蜂窝汽封，非接触式汽封有炭精汽封、刷式汽封等，炭精汽封、刷式汽封一般与非接触式汽封混合用在轴封。随着材料的发展，非接触式汽封的间隙也在减小，其中布莱登汽封已在全国多家电厂的改造中成功应用，最小间隙已达到0.25 mm［7］。此次改造的汽封间隙最小为0.40 mm，为保证汽轮机的安全运行与机组的经济性，要求严格执行汽封验收标准。

4.2 安装中发现的问题

(1)凝汽器水位正常时，低压缸存在跑偏现象，主要原因是凝汽器底部支撑弹簧刚性不足。为保证机组安全性，调整低压隔板汽封间隙，由设计值0.5 mm放大到0.8 mm。

(2)联轴器存在铰孔量偏大问题，造成个别对轮螺栓孔有较大的质量缺失，使得对轮螺栓配重的调整量大。

(3)全部隔板及轴封的调整垫片加工预留量偏大，加大了现场调整难度。

(4)高压缸前汽封套的顶部膨胀间隙小于安装标准，需要对其外缘进行机加工。

(5)#3轴承箱底键的纵销径向尺寸偏差1 mm，需通过加工异形键来调整。

5 调试过程中存在问题

(1)#1飞环在设定的转数下不动作，当转数低于设定值时反而动作。经停机检查，发现由于危急遮断器由飞锤改为飞环形式，存在与原设备不匹配的问题。不匹配主要表现在接入逻辑、前箱内管路连接方面，另外，#1危急遮断器的杠杆弹簧还有卡涩现象。改后的#1危急遮断器结构如图6所示。

图6 改后的#1危急遮断器

(2)机组启动后，发现#3支持轴承(共有4个瓦温测点)#1测点的温度偏高，最高至97℃，超过报警值95℃。对现场运行数据进行分析，判断#4轴承载荷偏低，导致#3轴承载荷偏大而使#1测点的温度偏高。通过调整轴承标高，该测点瓦块温度恢复正常。

6 机组改造后的性能

为了全面评价机组改造后的各项热力性能，该电厂委托西安热工研究院有限公司进行汽轮机通流改造后的性能考核试验。主要性能指标达到或接近改造设计值，见表2。

目前机组运行工况良好，额定出力为330 MW，瓦温正常，主轴双幅振动小于0.10 mm，轴承振动小于0.03 mm。

7 结论

(1)利用三维热力设计技术对早期国产300 MW汽轮机通流部分改造是成功的，基本达到或接近通流改造的性能保证值。

(2)通过机组改造前、后的性能比较可以看出，高压缸效率还有很大的提高空间，通过进一步优化设计与提高安装工艺水平应该能达到改造后的设计保证值。

(3)改造前的现场测绘应更加精确，为后续工作提供有力的数据支持;对于施工重点应提前做好预案。

(4)通过改造根除了原机组在设计与制造上的安全隐患，取得的经验可供同类机组借鉴。

［1］赵杰，朱立彤，付咏，等.300 MW等级汽轮机通流部分改造综述［J］.热力透平，2011，40(1):39－42.

［2］徐国林.某热电厂空冷200 MW汽轮机改造［J］.机械工程师，2009(3):154－155.

［3］宋彦萍，芦文才，王仲奇，等.新型的汽轮机后加载叶型的研究［J］.哈尔滨工业大学学报，1999，31(2):55 －57.

［4］王家楹.改善汽轮机低压缸末级叶片调峰性能的探讨［J］.浙江电力，2001(4):57 －58.

［5］李祥苓，王效柱，李旭涛，等.日立1000MW级超超临界汽轮机低压通流故障分析［J］.华电技术，2010，32(6):7 －8.

［6］喻刚.国产四缸四排汽300 MW汽轮机本体结构改造设计［J］.汽轮机技术，2003，45(1):25 －26.

［7］段永成.国产引进型300 MW汽轮机通流部分的改造［J］.华电技术，2010，32(2):51 －53.