大型汽轮机低压内缸一体化技术应用研究

陈根卫　徐百成

摘要：文章针对早期引进型300MW机组汽轮机缸体刚度低的问题提出了全新一代的高刚度汽缸改造技术，通过改造可以有效降低机组煤耗，达到节能减排的目标，有重要的工程应用前景和推广价值。

关键词：300MW；汽轮机；双层内缸；一体化内缸；漏汽；煤耗

中图分类号：TK265 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）36-0059-03

1 概述

在国内电力工业格局中，除新投产的600MW、1000MW机组外，在运国产300MW汽轮机组仍为电网主力机组。这些机组主要投产于20世纪80～90年代。由于运行时间过长，大型汽轮机组的经济性已经大大低于原设计水平；同时由于设计技术落后，机组的经济性远远低于国际先进水平。

目前在役的300MW等级汽轮机经济性较差，同时存在影响机组安全可靠性等问题。虽然各制造厂自20世纪90年代开始陆续推迟各类改进型或优化机型，但个别汽轮机组的热耗率和设计值的偏差很大，影响机组供电煤耗15g/kWh以上，严重影响了机组的经济性，因此必须进行现代化技术改造以提高汽轮机的通流效率，降低发、供电煤耗，消除汽轮机的安全隐患。针对引进型西屋技术的机组低压缸缸体设计不合理导致漏汽量大、抽汽温度偏高、热耗较高等问题进行分析，结合各汽轮机厂家的改造技术方法，提出一体化高刚度汽缸改造技术方法。

2 技术介绍

2.1 调研情况

早期国产引进型300MW汽轮机组是20世纪80年代初引进美国西屋公司汽轮机制造技术制造的，从目前各电厂机组运行情况及部分机组试验结果来看，由于设计、制造、安装、运行与维护等方面的因素，不同程度地暴露出一些问题，影响到机组运行的安全性和经济性。

国产引进型300MW机组和日本三菱公司引进西屋公司技术、经优化改进制造的350MW机组属同类型机组。据1999、2000年度所公布的各项技术指标，国内进口已投运的日本三菱公司机组，平均负荷率74.7%，非计划停运409h，等效强迫停运率0.08%，等效可用系数92.56%，厂用电率3.97%，补水率0.8%，凝汽器真空度95.0%，锅炉效率92.31%，供电煤耗率320.75g/kWh。与其相比较，国产引进型300MW机纽平均负荷率74.0%，但等效可用系数低4.12个百分点，补水率高出2.4个百分点，厂用电率高出1.57个百分点，凝汽器真空度低1.55个百分点，锅炉效率低2.73个百分点，供电煤耗率高出30.48g/kWh。由此可见，现运行的早期国产引进型300MW机组各项经济性指标与同类型进口机组相差甚大，机组经济效益不能得到充分发挥。

据调研，当前国内现役的300MW等级机组大约有500多台，其中早期投运的300MW机组约有400多台，主要由上汽、哈汽、东汽，其余是为进口机组。国内现役的300MW等级机组主要类型如下：（1）上汽生产的引进型153型、155型、156型，截至2006年底共投运123台；（2）哈汽生产的引进型73系列，截至2006年共投产95台；（3）东汽生产的D06型、D12型、D19型、D42型、D300型，截至2006年底共投产120台。

2.2 各厂家改造技术

2.2.1 哈汽厂改造技术。典型的哈汽73B型机组型号为N300-16.7/537/537型亚临界、一次中间再热、单轴、两缸两排汽反动式汽轮机，该机型为引进西屋技术制造，并在考核机组的基础上对通流部分做了优化设计，该机型保留了西屋技术特点。

引进西屋公司机组的低压模块普遍存在低压缸#5、#6抽汽温度偏离设计值较高的现象。这主要是由低压#1内缸、低压隔板持环水平中分面变形较大引起，由于#1内缸、隔板持环水平中分面张口，导致低压进汽直接漏入5、6段夹层，使5、6段抽汽温升高，进而偏离设计值。哈汽公司针对以上问题，近年提出新一代的低压内缸改造技术，将原有的#1内缸和#2内缸合并为一个缸，提高缸体的刚度，减少因变形导致的漏汽。该技术在西柏坡、井冈山等电厂实施，效果明显。

2.2.2 上汽厂改造技术。20世纪80年代初，上海汽轮机厂引进美国西屋公司专利技术，研制生产了国产引进型和引进优化型300MW机组，该机组是亚临界、中间再热、单轴双缸两排汽凝汽式汽轮机，具有运行效率高、调峰性能好的特点。自从1986年制造出第一台引进型300MW机组以来，到1999年年底已经有50余台引进型和引进优化型汽轮机投入运行，机组型号为156。

引进优化型156机组高中压缸结构基本保持原西屋技术，通过不断改进，K156机型取消了中压内缸结构，对高压内缸、高压静叶持环、高压平衡活塞环汽封结构进行了一定的优化。低压缸基本已经优化成单层低压内缸结构。近年来，针对高压缸的问题，上汽厂提出了新一代Q156型机组，将原西屋机组中的高压内缸、高压静叶持环、高压进汽侧平衡活塞汽封三个部件整合为一个整体的高压内缸，以提高缸体的刚度。另外上汽厂早期155机型（C300-16.67/0.8/538/538）基本沿用西屋技术特点，和哈汽73型机组类似，低压缸为三层缸结构，内缸分为#1、#2内缸，高中压缸采用双层缸结构，内缸设计有蒸汽冷却系统。

2.3 一体化高刚度低压汽缸改造技术

2.3.1 理论分析。建立汽缸气密性分析的三维热弹性接触有限元模型，进行热固、流固耦合仿真，对低压内缸刚度强度及其中分面汽密性分析。

分析方法有：用ANSA（模型软件）对低压内缸、低压隔板套进行高质量的网格划分；采用CFX（内部流动分析的数值模拟软件）计算得到对流换热系数及温度场分布；采用ABAQUS（工程模拟的有限元软件），真实模拟螺栓预紧力的基础上，考虑高温水蒸汽压力，实现热边界对结构分析的热作用，进行热固耦合分析。表1为项目分析内容表，图1为分析流程图。

3 改进技术研究

经过各方面调研，以解决国产引进型西屋技术亚临界机组低压缸缸体模块刚度低、漏汽严重、缸效率低等问题。本技术主要研究内容包括：（1）深入了解各厂家对早期引进型机组的改造方法及技术特点；（2）掌握此类机组改造过程及注意事项；（3）对改造的机组进行全面的热力性能试验，掌握机组改造前的特性，对改造过程进行全面的技术监督工作；（4）对改造后的机组做考核试验，验证改造后机组的性能；（5）提供该项改造技术的经济性分析，分析说明此类改造对降低机组煤耗有着一定的理论研究价值和工程应用前景。

3.1 N330-16.67/538/538机型低压缸改造项目

国内某电厂#7号机组汽轮机组为国产引进型330MW亚临界汽轮机组，汽轮机由哈尔滨汽轮机厂有限责任公司制造，型号为N330-16.67/538/538。改造前#5抽汽温度为267.12℃（设计234.6℃），#6段抽汽温度为193℃（设计为137.1℃），5WVO工况下低压缸效率约85.2%（设计值90.24%）。

低压内缸由原来的双层结构改为单层内缸结构，低压内缸中分面加密封键，分析了中分面装配接触载荷的变化规律，得出了中分面螺栓预紧力的定值分布，同时改善中分面螺栓的密封性能，减少内漏。该工程于2011年10月开工，在参建各方的共同努力下，完成了机组改造目标，2012年2月对机组做了考核鉴定试验。

通过对机组低压缸改造，原来#5抽汽温度由原来的267.12℃降低为233.6℃（设计234.6℃），#6段抽汽温度由原来的193℃降低为153.7℃（设计为137.1℃），5WVO工况下低压缸效率由原来的约85.2%提高到92.5%（设计值90.24%），不考虑汽封改造等因素的影响，可降低煤耗约6g/kWh，节能效果显著。

3.2 N315-16.7/537/537机型低压缸改造项目

国内某电厂#3号机组汽轮机组是哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的N315-16.7/537/537型亚临界、一次中间再热、双缸双排汽、凝汽式机组。改造前#5抽汽温度为272.35℃，#6段抽汽温度为190.66℃，额定负荷工况下低压缸效率为87.10%，比设计值低2.54%。

设计新一代低压内缸，将原低压Ⅰ、Ⅱ内缸合并为一个新的低压内缸，设计并更换低压正反向1～6级低压隔板，减少内漏。更换并调整低压正反向1～7级隔板汽封及叶顶汽封，末级动叶片叶顶增加阻汽片；分析了中分面装配接触载荷的变化规律，得出了中分面螺栓预紧力的定值分布，同时改善中分面螺栓的密封性能，调整螺栓的预紧力及螺栓分布。2012年2月确定了低压缸通流改造技术方案，2012年底完成低压缸通流改造。

通过该项改造，#5段抽汽温度由原来的272.35℃降低到现在的256.8℃，降低了15.55℃；#6段抽汽温度由原来的190.66℃降低到现在的168℃，降低了22.66℃，低压缸效率提高2%～3%，改造效果明显。

3.3 改造技术特点

设计新一代低压内缸和整体高压内缸结构，增强内缸刚度，减少缸体变形。改进后整体水平中分面的接触距离减少。结合面漏汽可由原来的大面积变形漏汽减低为小面积漏汽，可以解决引进型西屋技术亚临界机组抽汽温度严重超标问题。改进后隔板套水平中分面已经基本不漏汽。改进后隔板套密封键处密封效果提高近400%，此处漏汽量大大减少。

建立了汽缸气密性三维热弹性接触有限元模型，进行了低压内缸刚度、强度及中分面气密性分析，得出了汽缸变形量变化规律，为低压内缸一体化优化设计提供了技术依据。针对新型一体化低压内缸，分析了中分面装配接触载荷的变化规律，得出了中分面螺栓预紧力的定值分布，重新调整螺栓紧力及分布。低压外缸保持不变，保持原低压#2内缸的支撑方式，在缸体支撑上不用改动。

4 技术经济性分析

项目最直接的效果主要是提高了机组的经济性，减少低压缸漏汽量，提高低压缸效率，降低机组热耗及煤耗。以300MW机组为例：

通过对机组低压缸改造，比如上述某电厂#7机组，原来#5抽汽温度由原来的267.12℃降低为233.6℃（设计234.6℃），#6段抽汽温度由原来的193℃降低为153.7℃（设计为137.1℃），5WVO工况下低压缸效率由原来的约85.2%提高到92.5%（设计值90.24%），不考虑汽封改造等因素的影响，预计降低煤耗6g/kWh，节能效果显著。按机组年发电5500h，年发电16.5量亿度计算，标煤单价845元/吨计算，可以节约标煤9900吨，节约费用836.55万元。项目总投资约2000万元，投资回收期为2.39年。

5 结语

引进西屋300MW汽轮机低压缸采用三层缸结构，低压内缸由#1和#2内缸组成，其刚度差，容易引起内缸及静叶持环变形。借鉴各汽轮机厂家的改造经验，提出一体化高刚度汽缸改造技术，对于低压缸，使用新一代的内缸改造技术，将原来低压内缸的#1和#2内缸合为一个缸，即将原来的三层缸结构改造为双层缸结构。通过改造实践，经一体化高刚度汽缸技术的改造，可以有效提高缸体的刚度，减少汽缸变形，减少漏汽，降低抽汽温度和提高缸效率，改造效果显著，达到节能减排的目标。

参考文献

[1] 石亦平，周玉蓉.Abaqus有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2] 邓庆松，周世平.300WM火电机组调试技术[M].北京：中国电力出版社，2003.

[3] 沈士一，庄贺庆，康松，等.汽轮机原理[M].北京：水利电力出版社，1992.

作者简介：陈根卫（1966-），浙江杭州人，浙江省火电建设公司高级工程师，研究方向：电厂热能动力技术；徐百成（1959-），男，浙江省火电建设公司高级工程师，研究方向：火电汽轮发电机技术。

3 改进技术研究

经过各方面调研，以解决国产引进型西屋技术亚临界机组低压缸缸体模块刚度低、漏汽严重、缸效率低等问题。本技术主要研究内容包括：（1）深入了解各厂家对早期引进型机组的改造方法及技术特点；（2）掌握此类机组改造过程及注意事项；（3）对改造的机组进行全面的热力性能试验，掌握机组改造前的特性，对改造过程进行全面的技术监督工作；（4）对改造后的机组做考核试验，验证改造后机组的性能；（5）提供该项改造技术的经济性分析，分析说明此类改造对降低机组煤耗有着一定的理论研究价值和工程应用前景。

3.1 N330-16.67/538/538机型低压缸改造项目

国内某电厂#7号机组汽轮机组为国产引进型330MW亚临界汽轮机组，汽轮机由哈尔滨汽轮机厂有限责任公司制造，型号为N330-16.67/538/538。改造前#5抽汽温度为267.12℃（设计234.6℃），#6段抽汽温度为193℃（设计为137.1℃），5WVO工况下低压缸效率约85.2%（设计值90.24%）。

低压内缸由原来的双层结构改为单层内缸结构，低压内缸中分面加密封键，分析了中分面装配接触载荷的变化规律，得出了中分面螺栓预紧力的定值分布，同时改善中分面螺栓的密封性能，减少内漏。该工程于2011年10月开工，在参建各方的共同努力下，完成了机组改造目标，2012年2月对机组做了考核鉴定试验。

通过对机组低压缸改造，原来#5抽汽温度由原来的267.12℃降低为233.6℃（设计234.6℃），#6段抽汽温度由原来的193℃降低为153.7℃（设计为137.1℃），5WVO工况下低压缸效率由原来的约85.2%提高到92.5%（设计值90.24%），不考虑汽封改造等因素的影响，可降低煤耗约6g/kWh，节能效果显著。

3.2 N315-16.7/537/537机型低压缸改造项目

国内某电厂#3号机组汽轮机组是哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的N315-16.7/537/537型亚临界、一次中间再热、双缸双排汽、凝汽式机组。改造前#5抽汽温度为272.35℃，#6段抽汽温度为190.66℃，额定负荷工况下低压缸效率为87.10%，比设计值低2.54%。

设计新一代低压内缸，将原低压Ⅰ、Ⅱ内缸合并为一个新的低压内缸，设计并更换低压正反向1～6级低压隔板，减少内漏。更换并调整低压正反向1～7级隔板汽封及叶顶汽封，末级动叶片叶顶增加阻汽片；分析了中分面装配接触载荷的变化规律，得出了中分面螺栓预紧力的定值分布，同时改善中分面螺栓的密封性能，调整螺栓的预紧力及螺栓分布。2012年2月确定了低压缸通流改造技术方案，2012年底完成低压缸通流改造。

通过该项改造，#5段抽汽温度由原来的272.35℃降低到现在的256.8℃，降低了15.55℃；#6段抽汽温度由原来的190.66℃降低到现在的168℃，降低了22.66℃，低压缸效率提高2%～3%，改造效果明显。

3.3 改造技术特点

设计新一代低压内缸和整体高压内缸结构，增强内缸刚度，减少缸体变形。改进后整体水平中分面的接触距离减少。结合面漏汽可由原来的大面积变形漏汽减低为小面积漏汽，可以解决引进型西屋技术亚临界机组抽汽温度严重超标问题。改进后隔板套水平中分面已经基本不漏汽。改进后隔板套密封键处密封效果提高近400%，此处漏汽量大大减少。

建立了汽缸气密性三维热弹性接触有限元模型，进行了低压内缸刚度、强度及中分面气密性分析，得出了汽缸变形量变化规律，为低压内缸一体化优化设计提供了技术依据。针对新型一体化低压内缸，分析了中分面装配接触载荷的变化规律，得出了中分面螺栓预紧力的定值分布，重新调整螺栓紧力及分布。低压外缸保持不变，保持原低压#2内缸的支撑方式，在缸体支撑上不用改动。

4 技术经济性分析

项目最直接的效果主要是提高了机组的经济性，减少低压缸漏汽量，提高低压缸效率，降低机组热耗及煤耗。以300MW机组为例：

通过对机组低压缸改造，比如上述某电厂#7机组，原来#5抽汽温度由原来的267.12℃降低为233.6℃（设计234.6℃），#6段抽汽温度由原来的193℃降低为153.7℃（设计为137.1℃），5WVO工况下低压缸效率由原来的约85.2%提高到92.5%（设计值90.24%），不考虑汽封改造等因素的影响，预计降低煤耗6g/kWh，节能效果显著。按机组年发电5500h，年发电16.5量亿度计算，标煤单价845元/吨计算，可以节约标煤9900吨，节约费用836.55万元。项目总投资约2000万元，投资回收期为2.39年。

5 结语

引进西屋300MW汽轮机低压缸采用三层缸结构，低压内缸由#1和#2内缸组成，其刚度差，容易引起内缸及静叶持环变形。借鉴各汽轮机厂家的改造经验，提出一体化高刚度汽缸改造技术，对于低压缸，使用新一代的内缸改造技术，将原来低压内缸的#1和#2内缸合为一个缸，即将原来的三层缸结构改造为双层缸结构。通过改造实践，经一体化高刚度汽缸技术的改造，可以有效提高缸体的刚度，减少汽缸变形，减少漏汽，降低抽汽温度和提高缸效率，改造效果显著，达到节能减排的目标。

参考文献

[1] 石亦平，周玉蓉.Abaqus有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2] 邓庆松，周世平.300WM火电机组调试技术[M].北京：中国电力出版社，2003.

[3] 沈士一，庄贺庆，康松，等.汽轮机原理[M].北京：水利电力出版社，1992.

作者简介：陈根卫（1966-），浙江杭州人，浙江省火电建设公司高级工程师，研究方向：电厂热能动力技术；徐百成（1959-），男，浙江省火电建设公司高级工程师，研究方向：火电汽轮发电机技术。

3 改进技术研究

经过各方面调研，以解决国产引进型西屋技术亚临界机组低压缸缸体模块刚度低、漏汽严重、缸效率低等问题。本技术主要研究内容包括：（1）深入了解各厂家对早期引进型机组的改造方法及技术特点；（2）掌握此类机组改造过程及注意事项；（3）对改造的机组进行全面的热力性能试验，掌握机组改造前的特性，对改造过程进行全面的技术监督工作；（4）对改造后的机组做考核试验，验证改造后机组的性能；（5）提供该项改造技术的经济性分析，分析说明此类改造对降低机组煤耗有着一定的理论研究价值和工程应用前景。

3.1 N330-16.67/538/538机型低压缸改造项目

国内某电厂#7号机组汽轮机组为国产引进型330MW亚临界汽轮机组，汽轮机由哈尔滨汽轮机厂有限责任公司制造，型号为N330-16.67/538/538。改造前#5抽汽温度为267.12℃（设计234.6℃），#6段抽汽温度为193℃（设计为137.1℃），5WVO工况下低压缸效率约85.2%（设计值90.24%）。

低压内缸由原来的双层结构改为单层内缸结构，低压内缸中分面加密封键，分析了中分面装配接触载荷的变化规律，得出了中分面螺栓预紧力的定值分布，同时改善中分面螺栓的密封性能，减少内漏。该工程于2011年10月开工，在参建各方的共同努力下，完成了机组改造目标，2012年2月对机组做了考核鉴定试验。

通过对机组低压缸改造，原来#5抽汽温度由原来的267.12℃降低为233.6℃（设计234.6℃），#6段抽汽温度由原来的193℃降低为153.7℃（设计为137.1℃），5WVO工况下低压缸效率由原来的约85.2%提高到92.5%（设计值90.24%），不考虑汽封改造等因素的影响，可降低煤耗约6g/kWh，节能效果显著。

3.2 N315-16.7/537/537机型低压缸改造项目

国内某电厂#3号机组汽轮机组是哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的N315-16.7/537/537型亚临界、一次中间再热、双缸双排汽、凝汽式机组。改造前#5抽汽温度为272.35℃，#6段抽汽温度为190.66℃，额定负荷工况下低压缸效率为87.10%，比设计值低2.54%。

设计新一代低压内缸，将原低压Ⅰ、Ⅱ内缸合并为一个新的低压内缸，设计并更换低压正反向1～6级低压隔板，减少内漏。更换并调整低压正反向1～7级隔板汽封及叶顶汽封，末级动叶片叶顶增加阻汽片；分析了中分面装配接触载荷的变化规律，得出了中分面螺栓预紧力的定值分布，同时改善中分面螺栓的密封性能，调整螺栓的预紧力及螺栓分布。2012年2月确定了低压缸通流改造技术方案，2012年底完成低压缸通流改造。

通过该项改造，#5段抽汽温度由原来的272.35℃降低到现在的256.8℃，降低了15.55℃；#6段抽汽温度由原来的190.66℃降低到现在的168℃，降低了22.66℃，低压缸效率提高2%～3%，改造效果明显。

3.3 改造技术特点

设计新一代低压内缸和整体高压内缸结构，增强内缸刚度，减少缸体变形。改进后整体水平中分面的接触距离减少。结合面漏汽可由原来的大面积变形漏汽减低为小面积漏汽，可以解决引进型西屋技术亚临界机组抽汽温度严重超标问题。改进后隔板套水平中分面已经基本不漏汽。改进后隔板套密封键处密封效果提高近400%，此处漏汽量大大减少。

建立了汽缸气密性三维热弹性接触有限元模型，进行了低压内缸刚度、强度及中分面气密性分析，得出了汽缸变形量变化规律，为低压内缸一体化优化设计提供了技术依据。针对新型一体化低压内缸，分析了中分面装配接触载荷的变化规律，得出了中分面螺栓预紧力的定值分布，重新调整螺栓紧力及分布。低压外缸保持不变，保持原低压#2内缸的支撑方式，在缸体支撑上不用改动。

4 技术经济性分析

项目最直接的效果主要是提高了机组的经济性，减少低压缸漏汽量，提高低压缸效率，降低机组热耗及煤耗。以300MW机组为例：

通过对机组低压缸改造，比如上述某电厂#7机组，原来#5抽汽温度由原来的267.12℃降低为233.6℃（设计234.6℃），#6段抽汽温度由原来的193℃降低为153.7℃（设计为137.1℃），5WVO工况下低压缸效率由原来的约85.2%提高到92.5%（设计值90.24%），不考虑汽封改造等因素的影响，预计降低煤耗6g/kWh，节能效果显著。按机组年发电5500h，年发电16.5量亿度计算，标煤单价845元/吨计算，可以节约标煤9900吨，节约费用836.55万元。项目总投资约2000万元，投资回收期为2.39年。

5 结语

引进西屋300MW汽轮机低压缸采用三层缸结构，低压内缸由#1和#2内缸组成，其刚度差，容易引起内缸及静叶持环变形。借鉴各汽轮机厂家的改造经验，提出一体化高刚度汽缸改造技术，对于低压缸，使用新一代的内缸改造技术，将原来低压内缸的#1和#2内缸合为一个缸，即将原来的三层缸结构改造为双层缸结构。通过改造实践，经一体化高刚度汽缸技术的改造，可以有效提高缸体的刚度，减少汽缸变形，减少漏汽，降低抽汽温度和提高缸效率，改造效果显著，达到节能减排的目标。

参考文献

[1] 石亦平，周玉蓉.Abaqus有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2] 邓庆松，周世平.300WM火电机组调试技术[M].北京：中国电力出版社，2003.

[3] 沈士一，庄贺庆，康松，等.汽轮机原理[M].北京：水利电力出版社，1992.

作者简介：陈根卫（1966-），浙江杭州人，浙江省火电建设公司高级工程师，研究方向：电厂热能动力技术；徐百成（1959-），男，浙江省火电建设公司高级工程师，研究方向：火电汽轮发电机技术。