廣西125MW改造介紹

1、哈汽125MW機組改造說明 哈汽公司在90年代在設(shè)計技術(shù)取得了長足進步，掌握了具有當代先進水平的多級汽輪機一維準三維全三維氣動熱力設(shè)計方法、高效率的新葉型以及先進的通流部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，加上哈汽公司通過近年來對關(guān)鍵加工工藝的改進和引進大型精密加工設(shè)備，使制造工藝和產(chǎn)品質(zhì)量上了一個新臺階，從而保證了機組實施現(xiàn)代化改造后，其性能可達到當代先進水平。1 通流部分全三維氣動熱力設(shè)計1.1概述 七十年代以來特別是近十年來，葉輪機械氣動熱力學(xué)和汽輪機通流部分設(shè)計概念與手段迅速發(fā)展與更新。目前，以一維準三維全三維氣動熱力分析計算為核心的汽輪機通流部分設(shè)計方法己趨于成熟，以彎扭聯(lián)合成型全三維葉片為代表的第三

2、代汽輪機己進入工業(yè)化實用階段，其效率比第二代汽輪機（可控渦設(shè)計）提高約 1.5。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等都在積極研制彎扭葉片的新一代汽輪機，有的己有產(chǎn)品投入市場。在這次125MW機組通流部分現(xiàn)代化改造中，哈汽公司采用多級汽輪機通流部分一維/準三維全三維氣動熱力設(shè)計體系，使通流部分設(shè)計達到當代先進水平。 這一先進設(shè)計體系主要特征是： ·對每一排靜、動葉片不同截面葉型的流動性能進行詳細的一維準三維計算分析與設(shè)計優(yōu)化 ·對每一排靜、動葉葉柵內(nèi)部的流動進行全三維計算分析與設(shè)計優(yōu)化 ·對高

3、、中、低壓缸多級透平各級靜、動葉片的相互匹配進行準三維與全三維流場計算與設(shè)計優(yōu)化 計算分析與設(shè)計優(yōu)化由先進、可靠的計算機軟件TASCflow完成，所有的靜、動葉都是采用先進的CAD、Solidworks等軟件進行全三維造型，通過對設(shè)計方案進行了大量的實驗研究，驗證了其性能的先進性，并且采用精密數(shù)控葉片加工機床制造，從而保證了125MW機組通流部分現(xiàn)代化改造產(chǎn)品的高水平和高質(zhì)量。1.2主要新技術(shù) 在125MW汽輪機通流部分現(xiàn)代化改造中，原機組的全部靜、動葉片都將被更換，在新的隔板、轉(zhuǎn)子中采用了下列具有當代先進水平的新技術(shù)。1.2.1新一代“后加載”高效靜葉型 這是八十年代后期國外開始研制的新一代

4、高效率透平葉型，其突出特點是：·葉片表面最大氣動負荷在葉柵流道的后部（傳統(tǒng)葉片則在前部·吸力面、壓力面均由高階連續(xù)光滑曲線（不是圓?。?gòu)成· 葉片前緣小圓半徑較小且具有更好的流線形狀，在來流方向（攻角）大范圍變化時仍保持葉柵低損失特性·葉片尾緣小圓半徑較小，減少尾緣損失·葉型最大厚度較大增強了葉片剛性哈汽公司在200MW100MW老機組改造,及100MW50MW機組設(shè)計中已成功地應(yīng)用了“后加載”系列葉型。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125MW機組中使用的傳統(tǒng)葉型。圖1、圖2是新、老葉型及其表面速度分布的比較。特別應(yīng)指出的是

5、，“后加載”葉型在來流方向由- 300到300的變化范圍內(nèi)都可保持低損失，而老葉型的這一范圍約為±200，這就使得新設(shè)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(diào)峰運行非常有利。 圖1 新葉型（左）與老葉型的比較圖2前加載葉型和后加載葉型的馬赫數(shù)分布圖 圖3后加載葉型與老葉型攻角特性比較 圖4 高、中壓通流部分彎扭靜葉片 圖5 低壓缸末級、次末級彎扭靜葉片1.2.2型靜葉柵 彎扭聯(lián)合全三維成型靜葉柵（俗稱馬刀型葉柵），是第三代汽輪機先進技術(shù)的集中體現(xiàn)，世界各國的大量理論與實踐都證明采用這一技術(shù)可使汽輪機級的效率提高1.52。哈汽公司通過計算分析與實驗研究已

6、開發(fā)出不同長度的彎扭葉片系列，這些葉片已在哈汽公司的600MW、300MW、200MW以及100MW汽輪機通流部分廣泛采用。圖4是適用于高、中壓缸的兩端彎曲加扭轉(zhuǎn)的葉片，圖5是適用于低壓缸末級的根部彎曲、頂部不彎曲（或少許彎曲）、變截面扭轉(zhuǎn)葉片，計算和實驗證明彎扭葉柵總損失比傳統(tǒng)直（扭）葉柵下降14甚至更多。123高壓隔板分流靜葉柵 高壓靜葉原設(shè)計為窄葉片加強筋結(jié)構(gòu)（見圖6），由于加強筋的型線與葉型不匹配，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機械部上海成套所和電力部西安熱工研究院對分流

7、葉柵曾進行過詳細的試驗研究，并已在一些125Mw老機組中推廣使用此種葉柵，效果很好。參照這些單位的實驗數(shù)據(jù)和哈汽公司的理論分析結(jié)果，高壓級采用分流葉柵可使缸效率提高4以上。 圖6 高壓原設(shè)計加強筋葉柵（左）與新設(shè)計分流葉柵（右）124調(diào)節(jié)級子午面收縮靜葉柵 子午面收縮降低靜葉柵二次流損失的概念最早提出于五、六十年代，前蘇聯(lián)學(xué)者等人進行了大量實驗研究，肯定了其效果。七十年代以來西方學(xué)者又進行了詳細的流場性能測試與理論研究，并在汽輪機上應(yīng)用，一般可使透平級效率提高1.52。子午面收縮是一種全三維設(shè)計概念，其主要優(yōu)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(diào)節(jié)級靜葉柵，由于其相對葉高很

8、短（一般Lb0.4），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。哈汽公司在國產(chǎn)三缸三排汽200MW機現(xiàn)代化改造中高壓缸調(diào)節(jié)級中采用了子午面收縮靜葉柵,經(jīng)計算和實驗驗證可使調(diào)節(jié)級效率提高1.7。在300MW和600MW機組也采用了這種設(shè)計，在125MW機組調(diào)節(jié)級中如采用此設(shè)計，級效率也可提高17。圖7是子午面收縮靜葉柵示意圖。 圖7調(diào)節(jié)級子午面收縮靜葉柵示意圖125動葉自帶圍帶整圈聯(lián)接傳統(tǒng)動葉片頂部的圍帶是采用鉚接方式，而新設(shè)計的動葉頂部圍帶則與葉片成為一個整體， 通過預(yù)扭裝配使動葉片形成整圈聯(lián)接（見圖8）。這種結(jié)構(gòu)的動葉片振動應(yīng)力小、不存在鉚

9、接造成的應(yīng)力集中，運行十分安全可靠。圖8 動葉鉚接圍帶（左）與自帶圍帶（右）對比示意圖126通流子午面光順 動葉片的自帶圍帶內(nèi)側(cè)通常按流道形狀設(shè)計成圓錐面，相應(yīng)地，動葉片根部及相鄰靜葉片根部與頂部也設(shè)計成圓錐面，于是通流部分子午面十分光順，而原設(shè)計通流子平面都呈現(xiàn)明顯的階梯狀。顯然，新設(shè)計的光順的子午面有更高的流動效率。127增加汽封齒數(shù) 新設(shè)計自帶圍帶動葉片的頂部外圓可以布置多個汽封齒，（參見圖8），從而大大減少了漏汽損失。128.取消拉筋 由于自帶圍帶整圈聯(lián)接動葉片具有優(yōu)良的抗振動性能，使傳統(tǒng)動葉片中用于調(diào)頻的拉筋一般均可取消，從而消除了拉筋造成的繞流阻力和損失。通常取消一條拉筋可使級效率

10、提高l。129合理增加動靜部分間隙 125MW老機組是按基本負荷機組設(shè)計的，受當時條件限制，在機組運行靈活性和調(diào)峰適應(yīng)性方面考慮較少。在這次現(xiàn)代化改造中，將靜、動部分軸向間隙適當調(diào)整，以改善機組起停和調(diào)峰性能。但機組的調(diào)峰性能還與鍋爐調(diào)峰能力、自動化水平等因素有關(guān)。對老機組改造而言，要全面提高調(diào)峰能力或?qū)崿F(xiàn)兩班制運行，還必須全面考慮上述各方面因素。2通流部分現(xiàn)代化改造設(shè)計方案21高、中壓通流部分設(shè)計：211 調(diào)節(jié)級子午面收縮靜葉柵 改造時用新加工的子午面收縮靜葉噴嘴環(huán)替代老噴嘴環(huán)。212新型“后加載”靜葉葉型 新設(shè)計的高、中壓缸共18個壓力級隔板靜葉片均采用“后加載”新葉型。213高壓缸隔板靜

11、葉分流葉柵 原高壓缸29級隔板均為窄葉片加強筋結(jié)構(gòu)，現(xiàn)全部改為分流葉柵，隔板仍為焊接結(jié)構(gòu)。214彎扭靜葉片 圖9 采用彎扭靜葉片的高壓隔板215新型動葉片型線原高壓缸所有動葉片均采用前蘇聯(lián)老葉型，這種葉型表面由分段圓弧組成,在接點處曲率半徑有突變，造成速度分布不光滑，使葉型損失增加。改造后動葉葉型采用SH-型(哈汽全三維動葉葉型)，改善了速度分布減少了動葉損失。216自帶冠動葉片 高中壓缸各級動葉片均采用自帶圍帶整圈聯(lián)接結(jié)構(gòu)。中壓缸后段動葉圍帶為內(nèi)斜外平結(jié)構(gòu)，使子午面形成光順通道。217多齒汽封 所有各級動葉頂部汽封齒均由原設(shè)計的兩片增加為四片，可減少漏汽損失。22低壓通流部分設(shè)計低壓通流部分

12、氣動熱力與結(jié)構(gòu)設(shè)計特點如下：221新型“后加載”靜葉葉型低壓16級靜葉葉型原設(shè)計為前蘇聯(lián)老葉型，本次現(xiàn)代化改造16級靜葉均采用氣動性能更好的新型“后加載”葉型。222彎扭靜葉片 為提高低壓缸效率，六級均采用彎扭靜葉片。其中前四級為彎扭葉片，即靜葉根、頂部均有一定彎角，其造型與圖 5 相似。低壓未級與次未級焓降約占低壓缸總焓降的一半，其內(nèi)部流動存在超音速區(qū)，采用彎扭葉片可大幅度降低流動損失。由于葉片頂部存在大的擴張角，末級與次末級靜葉彎扭葉片具有特殊的“J 造型（見圖5），圖10是采用這種彎扭葉片的隔板成品照片（已成功地用于200MW和100MW低壓缸）。 圖10低壓缸末級彎扭靜葉隔板223新型

13、動葉葉型與未級668動葉片 低壓缸15級動葉采用SH-高效葉型代替前蘇聯(lián)老葉型，末級采用哈汽公司開發(fā)的668毫米葉片。 末級668mm長葉片是哈汽公司自行設(shè)計的新一代末級葉片。在設(shè)計過程中，采用了公司近年來引進吸收的國外先進技術(shù)和國內(nèi)目前的優(yōu)秀成果。 在設(shè)計中應(yīng)用三元流技術(shù)進行流場設(shè)計，靜葉采用彎扭葉片，動葉沿葉高反扭，復(fù)合彎扭長葉片級的優(yōu)越性在于它不僅可以大幅度地減少徑向二次流，橫向二次流和端部二次流損失，而且還可以提高根部反動度，從而更加有效地提高級效率，根據(jù)全三元分析和多種彎曲靜葉柵的吹風(fēng)試驗結(jié)果，采用這一技術(shù)，可使末級效率提高約5%，低壓缸效率提高1.8%.668mm動葉采用了典型的跨

14、音速葉型，這種葉型在一定的變工況范圍內(nèi)型線損失較小，對負荷的適應(yīng)性好。原設(shè)計末級靜葉為蘇聯(lián)葉型，損失偏大，改造后的葉型也是跨音速葉型。通過流場計算，靜葉片型線在很大范圍內(nèi)速度分布合理，沒有分離現(xiàn)象，沒有激波損失。葉柵吹風(fēng)試驗證明，葉型損失較小達到了國際先進水平。改造機組末級葉片在錦州電廠作流場和動強度試驗，測得末級動應(yīng)力較小，最大13.6Mpa(見下表)。負荷MW102030404550555765120150200背壓KPa11.00.740.791.637.0412.2013.609.404.310.830.740.740.6919.00.898.821.160.890.74通過大量理論分

15、析及相應(yīng)的試驗結(jié)果比較，改造后的末級效率比改前提高5.16%。668mm葉片各方面指標都是比較先進的。通過改造后的運行考驗，668mm葉片是一只性能優(yōu)良的末級長葉片。224末級根部高反動度設(shè)計 通過采用彎扭靜葉片、新型SH-型動葉片、子平面靜葉根部反凹造型、靜、動葉全三維匹配等多項措施，將設(shè)計工況下末級根部反動度提高到25，這就使得末級氣動性能大為改善，特別是防止了在低負荷時未級根部通常容易出現(xiàn)的脫流和倒流以及由此帶來的動葉根部出汽邊水蝕現(xiàn)象，大大提高了低壓缸運行安全可靠性，增強了機組調(diào)峰運行能力。225自帶圍帶 低壓各級動葉頂部均為自帶圍帶、內(nèi)斜外平結(jié)構(gòu)，動葉片形成整圈聯(lián)接，安全可靠，通流子

16、午面光順減少損失。22.6鑄鐵隔板改為焊接鋼隔板 低壓16級隔板原設(shè)計均為鑄鐵結(jié)構(gòu)，新設(shè)計全部改為焊接鋼隔板。其中12級為圍帶焊接結(jié)構(gòu),其余為導(dǎo)葉直接焊在內(nèi)外環(huán)上。焊接鋼隔板材質(zhì)好、葉柵部加工精度高，能保證靜葉柵達到設(shè)計氣動熱力性能，并可延長隔板使用壽命。227多齒汽封 低壓15級動葉頂部汽封均由原設(shè)計兩片增加為四片，末級由原自由葉片改為自帶圍帶結(jié)構(gòu)并增加3片汽封齒，這樣可減少漏汽損失。228整鍛轉(zhuǎn)子原125MW機組低壓缸轉(zhuǎn)子為焊接結(jié)構(gòu)，重量為185噸。機組改造后，新的低壓轉(zhuǎn)子采用整鍛結(jié)構(gòu)，采用強度高、加工性能好、脆性轉(zhuǎn)變溫度（FATT）低的優(yōu)質(zhì)合金鋼材料30Cr2Ni4MoV，以保證低壓缸轉(zhuǎn)

17、子的質(zhì)量。新轉(zhuǎn)子重量為21.23噸，比原焊接轉(zhuǎn)子重273噸，低壓轉(zhuǎn)子為撓性轉(zhuǎn)子，其一階臨界轉(zhuǎn)速為1939rpm。原125MW高、中壓轉(zhuǎn)子為整鍛轉(zhuǎn)子，改造后仍為整鍛，為確保轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，我們采用200MW 機組用過的材料30Cr1Mo1VE.3125MW汽輪機結(jié)構(gòu)改造方案 125MW汽輪機改造前設(shè)計進汽參數(shù)為13.24Mpa(a)535，一次中間再熱，高、中壓合缸結(jié)構(gòu)。高壓部分有一個單列調(diào)節(jié)級，8個壓力級，中壓部分有10個壓力級，低壓缸為雙流各6級，末級動葉片長度668毫米。在對原設(shè)計通流部分的氣動熱力性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計特點進行詳細分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)老機組改造不同于新機組設(shè)計的具體情況，哈汽公司在12

18、5MW機組改造中，充分考慮了外部邊界條件的限制和影響，改造后機級分缸以及各回?zé)岢槠诘膲毫静蛔?，保證了原回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽管道流速不變，系統(tǒng)不變，通流部分各級焓降、u/Co分配合理，級出口角更接近于軸向，同時改造后機組的推力與原機組基本相同，保證機組安全運行。國產(chǎn)125MW機組高、中壓缸原設(shè)計高、中壓汽缸的高溫部分均為雙層缸結(jié)構(gòu)，高、中壓缸內(nèi)缸為一體。高、中壓內(nèi)缸相對于外缸的膨脹死點位于高中壓汽缸的分缸處。這種結(jié)構(gòu)在起動過程中中壓內(nèi)缸與轉(zhuǎn)子、外缸膨脹方向相反，中壓缸通流脹差大，動靜間隙迅速減少。為防止中壓通流過大的脹差和動靜碰磨，機組起動時間長。 改造后的高、中壓缸結(jié)構(gòu)如圖11所示。高壓缸仍為雙

19、層缸結(jié)構(gòu)，取消中壓內(nèi)缸改為隔板套結(jié)構(gòu)。 中壓缸進口段內(nèi)壁設(shè)有隔熱護罩。中壓缸進汽管與外缸連接,隔熱罩的進汽管插入外缸進汽管內(nèi)。接合處有密封裝置。高壓七級后有冷卻蒸汽流入高壓內(nèi)外缸之間的夾層內(nèi)，再經(jīng)過高壓內(nèi)缸端面進入中壓缸進汽段和中壓進汽護罩之間的夾層，最后進入中壓缸。中壓進汽段隔熱護罩的作用是通過降低中壓外缸進汽段缸壁的溫度差，從而降低高、中壓外缸的溫度應(yīng)力。下半夾層設(shè)有疏水管，防止夾層積水。取消中壓內(nèi)缸改為隔板套結(jié)構(gòu)有利于機組啟動過程中中壓外缸的加熱和膨脹，不但有利于減小中壓通流脹差，而且有利于高壓通流脹差的減小，從而縮短起動時間。 改造后高中壓缸全部更換，高壓缸仍為雙層缸結(jié)構(gòu)，中壓部分為隔板套結(jié)構(gòu)，前、中軸承箱由鑄造改為焊接結(jié)構(gòu)。前、中軸承箱與外缸采用引進型定中心梁結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外缸法蘭為高窄法蘭。國產(chǎn)125MW機組原設(shè)計高、中壓內(nèi)外缸都為寬法蘭結(jié)構(gòu).為控制法蘭內(nèi)外壁溫差，防止產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力，縮短機組啟動時間，改造后的高、中壓外缸和高壓內(nèi)缸法蘭都將按引進技術(shù)改為高窄法蘭結(jié)構(gòu)（見圖11），取消法蘭加熱裝置。圖11 高窄法蘭國產(chǎn)125MW機組普遍存在機組膨脹不暢問題，有些機組發(fā)生汽缸跑偏，造成動靜碰磨，機組振動加大等一系列問題。機組膨脹不暢的原因與前軸承箱