上汽K156机型低压通流与排汽流道优化改造

吴正平

摘 要：马鞍山万能达发电有限责任公司4号汽轮机组为上海汽轮机厂生产的K156型机组，针对原机组存在的热耗高、缸效低、低压内缸变形等问题，从低压缸通流性能优化与排汽流道优化两个主要方面进行整体设计研发和实施，消除原机组存在的各种缺陷，大幅降低机组的热耗率、供电煤耗率，显著提高机组的运行经济性和安全性。

关键词：汽轮机组；通流性能优化；排汽流道优化；经济性和安全性

前言

为响应国家节能减排的战略号召，各发电企业对现有投运机组的通流改造已经成为一种趋势。现代化的通流技术研发和改造可以有效提高机组的效率、出力，大幅降低机组的热耗、煤耗，为企业带来显著的经济效益和社会效益[1]-[3]。

1 原机组问题及改造背景

安徽马鞍山万能达发电有限责任公司4号机组为上海汽轮机有限公司生产的N300-16.7/538/538型K156机组，该机型的高中压通流结构相比之前的H156等机型进行了优化改进，但低压部分未作充分优化。改造前马鞍山4号机组存在以下主要问题：机组热耗偏高，THA工况下热耗8196.07kJ/kW·h，低压缸缸效较设计值偏低约3.5%；机组后续计划的抽汽供热改造使得发电机功率下降，对低压缸影响较大，需要对低压通流部分进行综合研究和优化设计。

此外，机组还面临着严峻的节能减排压力，4号机组目前的供电煤耗为325g/（kW·h），距离先进机组标准尚有很大差距。同时，4号机组机型（上汽K156）在国内尚无通流系统优化的先例，本项目实施后不但可以有效地节能降耗，还可以推动国内同类型机组的技术进步。

2 改造范围

4号机组通流改造保持现在的锅炉进汽参数、热力系统配置及高中压缸不变，只对低压缸进行优化研究。

3 改造技术方案

3.1 通流光顺

低压所有动叶片均采用自带围带整圈联接，动叶围带加工为内斜外平结构，整个流道形状按照考虑热膨胀之后的工作状态进行光顺设计，减少通流部分子午面的流动损失，尽可能的利用排汽余速，提高通流效率。

3.2 叶片优化设计

采用全三维造型的弯扭联合成型叶片，控制反动度沿径向的分布以减小二次流损失及冲角损失。同时对不同工作条件下的叶片进行多通道、多级联算，合理匹配动静叶片只数和动静叶片型线，使动静叶内的流场匹配更加合理，达到级效率的最优。优化后的叶片型线主要特点如下：

3.2.1 成熟高效的叶片型线具有很小的叶型损失。

3.2.2 较大的叶片前缘设计使叶片对来流攻角变化不敏感，同时保证流道内不发生流速激增和压力畸变，叶片在较大攻角范围内（±25度）均具有较高的效率。

3.2.3 较薄的叶片尾缘减小了叶片的尾迹损失。

3.2.4 较大的叶片最大厚度增强了叶片的刚性。

3.2.5 较高的末级、次末级动叶根部反动度使叶片在小流量低负荷工况下不发生回流，减小流动损失和湿汽损失，有效防止动叶根部的水蚀。

上述特点使得汽轮机可以在较大的变工况运行范围内保持较高的效率，并且能够降低动叶的激振力水平，提高机组的安全性。

3.3 高效可靠的末级动叶片

末级动叶片的性能对整机热力性能及低压缸效率有着直接显著的影响。

3.3.1 为了保证在较宽的工况变化范围内保持较高的末级效率，末级叶片采用排汽面积更大、余速损失更小的958mm末级模块，合理提高末级的根部反动度。并且，对末级静叶轮毂面采用局部扩张的办法来进行流线控制。低负荷时末叶片的根部没有回流现象，可以避免较大的鼓风损失和出汽边的水蚀现象。

3.3.2 末级叶片选用高性能的0Cr17Ni4Cu4Nb，抗水蚀性能好，内阻尼大。末级动叶片进汽侧上部钎焊整条司太立合金片以增强抗水蚀的能力。叶片围带为狗骨头型，司太立合金片伸入围带，解决了司太立合金片易于在围带圆弧过渡处产生裂纹的难题。

3.4 防止内漏的控制技术

3.4.1 静子之间密封。在低压隔板套轴向凸肩配合面处增加径向密封圈，减少因密封面接觸变形引起的轴向蒸汽泄漏。

3.4.2 动静之间密封。（1）将动静叶片的干涉、叶根和叶顶汽封纳入到叶片流场设计和分析中，对蒸汽泄漏进行控制；（2）动叶片采用自带冠结构，增加叶顶汽封齿数，动叶围带和转子相关部位加工成凹凸台结构，配以多齿高低齿汽封圈；（3）低压隔板采用低直径隔板汽封以减少蒸汽泄漏；（4）先进汽封型式匹配，本项目低压隔板汽封全部采用刷式汽封，低压叶顶汽封采用多齿高低齿汽封，低压轴封采用接触式汽封和斜平齿汽封结合形式，高中压进汽、高压排汽侧平衡活塞采用布莱登汽封和刷式汽封组合形式，可进一步减少漏汽损失。

3.5 隔板和隔板套结构

3.5.1 除末两级隔板外，低压其余隔板均采用自带冠静叶装配形式，避免焊接装配引起的变形，可以更好控制隔板的通流面积。

3.5.2 隔板套。优化隔板套法兰中分面螺栓布置，螺栓数量及大小均有所增加；隔板套轴向较长，沿轴向方向隔板套前后均设置中分面支撑结构，减小隔板套变形。

针对优化后的中分面法兰螺栓布置，采用三维建模及有限元数值模拟中分面密封性。隔板套内各级不存在中分面级间漏汽，运行10000h后仍具有良好的密封性。

3.6 轴系

在轴系振动方面，采用专业的转子动力学软件SamcefRotor对转子和轴系的临界转速、轴系稳定性、不平衡质量响应和启动过程进行分析；对转子的动平衡采用严格的质量控制标准，把不平衡量降到最小。

3.7 排汽流道优化

3.7.1 凝汽器喉部加装合适角度的翼型导流板，既能起到很好的导流作用，又避免形成汽阻。试验结果显示，加装导流装置前后，管束间蒸汽分配比分别为35.29%、47.67%、17.04%和33.59%、43.01%、23.4%，通过加装导流装置，使得低压缸排汽在凝汽器内的分布趋于合理，提高凝汽器喉部出口断面流速均匀性，有利于管束间热负荷的均衡分配，从而提高凝汽器总体换热效果。

3.7.2 抽汽管位置优化。根据数值模拟结果，对凝汽器喉部#5、#6抽汽管从高速区移位至低加旁低速区，进一步减小汽侧阻力。

4 改造后效果和结论

机组改造后性能试验验证结果如下[4]：（1）TRL工况下修正后电功率为331.149MW，大于汽轮机铭牌功率330MW，机组出力满足要求。（2）THA工况下修正后的整机热耗为7918.218kJ/KW·h，低于保证值7930kJ/KW·h，相比改造前热耗大幅降低。（3）330MW工况下修正后的供电煤耗为315.5g/kW·h，相比改造前降低约10g/kW·h。（4）修正后的低压缸效率91.3%，大于保证值89%。（5）消除了低压内缸中分面变形，性能试验验证5段6段抽汽温度接近设计值，无超温现象。（6）高中压缸平衡活塞漏汽率为1.716%，相比改造前大幅下降。

本项目的实施成功消除了机组改造前存在的缺陷和问题，大幅度地降低了机组的热耗率、供电煤耗率，提高了缸效，延长了机组寿命，使得4号机组具有良好的变负荷性能和灵活的调峰运行能力。项目实施后的机组运行经济性显著提高，同时也带来了显著的社会效益和环境效益。

参考文献

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

[2]洪昌少，段小云.国产引进型300MW汽轮机的通流改造[J].华电技术，2011，33（5）：47-50.

[3]沈永流，朱宝宇.国产引进型300MW汽轮机通流部分改造及效益分析[J].能源技术经济，2011，23（2）：36-39.

[4]荆涛，等.安徽万能达马鞍山发电公司4号机组低压缸提效降耗改造性能试验报告[R].西安热工研究院有限公司，2016.