浅论长周期服役小型汽轮机组节能降耗改造及效果

谭波 等

摘要：资源综合利用、热电联产为主的小型机组在长周期运行后，整体效率下降，热耗增加，利用现有设计理念、方法对汽轮机通流部分进行优化改造是提高机组效率、降低煤耗的有力措施之一。本文介绍了长周期服役小型汽轮机优化改造思路、方法及改造效果，可为国内同类型机组的改造和试验提供借鉴。

关键词：长周期服役 小型汽轮机组 节能改造

鉴于在缓和供电矛盾、改善生活环境、降低生产成本、提高资源利用率等方面的优势，及受热负荷大小和供热经济半径限制，以资源综合利用、热电联产为主的小型机组在节能降耗方面的作用仍具有不可替代的优势。但大部分机组由于多年运行，整体效率降低，运行能耗远远偏离设计值。能耗增大不仅提高运行成本，压缩企业利润空间，而且导致“三废”排放量增大，这在环保要求越来越高，且力度仍不断增强的今天，已对企业的生存构成威胁。因此，长周期服役小型汽轮机的节能降耗改造已势在必行，而汽轮机通流部分的优化改造是提高机组效率、降低煤耗的有力措施之一。

1 改造可行性

由于建立时间较早，电厂部分机型是我国50年代最早设计的机型，通流部分设计多基于一维、准二维或二维设计，存在叶栅型线落后、各级焓降分配不合理等问题，在投运若干年后，随着老化其性能逐渐下降变差无法避免。尽管后来做过一些局部改动，但整体效率仍然非常低，在实际运行中常常很难达到设计指标，很多已超过5.5 kg/kWh，甚至更高，机组总体内效率仅为75%左右，因此机组存在提高效率的很大空间。同时，随着计算机运算速度的提高和CFD三维流场求解精度的完善，已能成功模拟汽轮机叶栅内部边界层分离、回流、动静叶排相互干涉流动等复杂的流动现象，[1，2]且已步入工程应用与实施的新型叶型不断增多。这为寻找现有汽机主要能量损失点，合理分配级间焓降，提高机组性能成为可能。

2 叶片优化改造

众所周知，汽轮机内部流场非常复杂，由于旋转失速、喘振、叶片排间的相互干扰等现象存在，使在三维叶栅总损失中占有很大比例的二次流动就不可避免，其产生的根本原因是端壁附面层和叶片附面层里的不平衡的压力梯度场。为了减小二次流损失，只要削弱上述二种因素中的任一因素，就能取得成效，借助当今高度发展的计算机技术，人们提出了可控涡设计、新型叶型、边界层控制等方法。[3]

另外，根据不同叶型各自的特点，不同叶型在不同场合可相辅相成，有效降低能量损耗。如虽然叶型的后加载性能差，型线和二次流损失较大时，若静、动叶型均采用后加载性较强的叶型，则可利用高的后加载性使叶片表面的边界层的流态绝大部分处于层流状态，从而减小型线损失。而且由于端壁处叶片表面的压力分布的强后加载性，减轻了端壁横向二次流的强度，减小了端壁二次流损失。为了使动叶片排的相对栅距沿径向变化均匀一些，各截面均处在最佳相对栅距范围内，同时保持叶型的压力分布曲线具有较好的后加载性，以便于整个叶栅获得良好的气动性能，还可通过计算改变动出气角沿径向分布规律，使其静叶出气角的径向变化的趋势更强烈些，也就是说静叶片反扭的更厉害些，从而实现它们沿径向分布更均匀些，以利于各级静、动叶片的设计，减小二次流损失。

本次优化改造采用新型叶型法，叶型主要为后加载叶型、层流叶型。后加载叶型主要是让汽流加速区集中在叶栅出口附近，使得整个叶栅通道内的平均汽流速度降低，减少了边界层损失，同时，叶栅流道前段压力面与吸力面的压差和横向压力梯度较小，推迟了根、顶部端壁二次流的生成和发展，降低了二次流损失。层流叶型是在后加载叶型的基础上开发出的新一代叶型，克服了后加载叶栅易引起流动分离的缺点。其主要是通过控制叶型表面边界层从层流态向紊流态的转捩点，减小叶型损失。

从降耗效果、投入资金对比分析后，确定优化改造主要内容为：调节级喷嘴采用层流叶型、子午收缩和全三维优化，转向导叶环叶片更换为新一代后加载型静叶，复速级一、二列叶片全三维技术设计更换。优化后，叶栅吸力面内伸斜激波的强度及喉部附近的压力突跳明显降低，减小了激波损失，另外，吸力面进口曲率变得连续，消除了叶栅吸力面进口处压力的突跳，有利于降低叶型损失。

3 汽封更换

汽封装置密封性能的优劣对叶轮机械性能有相当大的影响。[4]电厂改造汽轮机组汽封原采用梳齿式汽封，漏汽现象的存在导致机组经济性较差。热耗值较高。分析认为，梳齿式汽封是利用节流效应、热力学交换效应、磨阻效应起到密封作用，这就要求汽封齿尖越尖越好、齿数越多越好、汽封与转子的间隙越小越好。前二者受加工工艺、空间位置等因素影响在现实中很难达到完全理想的效果，当汽封与转子的间隙越小时，汽封齿尖与转子发生碰磨的几率增加，碰磨在高速转动下产生很高的热量使齿尖磨损降低密封效果，而且齿越尖越容易被破坏，使得机组在运行一段时间后，漏汽量增加，热耗值增高。

现有新型汽封较多，无论是哪种新型汽封，均能达到较好效果，对于电厂小型中温中压汽轮机组，本着间隙可调、安装方便、不会出现掉台和被拉弯的现象的考虑，本次改造采用了蜂窝式汽封。

4 改造效果

汽轮机流通部分改造后：在纯凝工况下的汽耗率由5.51kg/kWh降低为4.74kg/kWh；额定工况下的汽耗率由5.7kg/kWh降低为5.33kg/kWh；内效率由改造前的73%提高到89%。按此测算，汽轮机节能优化后，在纯凝工况下，单台汽轮机年降低新蒸汽耗量27720吨以上，节约标准煤2848吨左右。年可减少SO2生成量40.11吨，NOx生成量14.05吨，有效减少了废气排放。

5 结论

①改造结果表明，汽轮机通流部分优化改造可大幅降低汽轮机组热耗率、提高机组效率，减少废气排放，是长周期服役小型汽轮机节能降耗有效措施之一。

②机组改造应根据自身设备实际情况，查找能量损失点，利用现有优化软件优化改造方案是实现效益最大化的有效途径之一。

③汽轮机组改造后的性能虽然与设计值相比还有差距，但已达到资金投入与产出的最大化。

参考文献：

[1]隋永枫，孙义冈，叶钟，等.汽轮机叶片改型及三维气动优化设计[J].热力透平，2011，40（1）：28-32.

[2]谢永慧，蓝吉兵，樊涛.透平级三维粘性非定常流动及气流激振力研究[J].中国电机工程学报，2008，28（5）：78-83.

[3]林奇燕.透平级叶栅流动性能分析[D].哈尔滨工程大学，2007.

[4]蔡虎，朱斌，蒋洪德，等.汽封泄漏流动对透平叶片级通道主流影响的数值研究[J].工热物理学报，2001，22（3）：290-293.

作者简介：谭波（1973-），男，山东莱芜人，专工，硕士研究生学历，现在山东华聚能源有限公司兴隆庄矿电厂安技室工作，主要从事热动力设备技术工作。