国华准电汽轮机组通流改造项目方案优选研究--硕士学位论文.doc

专业硕士学位论文专业硕士学位论文 国华准电汽轮机组通流改造项目方案优选研 究 Research on will flow reconstruction project plan optimization companys steam turbine unit 刘琦刘琦 2016 年年 2 月月 国内图书分类号： 学校代码：10079 国际图书分类号： 密级：公开 专业硕士学位论文 国华准电汽轮机组通流改造项目方案优选研 究 硕士研究生：刘琦 导 师 ：董玉亮副教授 申请学位：工程硕士 专业领域：热能工程 培养方式：在职 所 在 学 院：能源与动力工程学院 答 辩 日 期：2017 年 3 月 授予学位单位 ：华北电力大学 Classified Index： （Times New Roman 小 4 字） U.D.C： （Times New Roman 小 4 字） Dissertation for the Doctoral Degree Research on will flow reconstruction project plan optimization companys steam turbine unit Candidate： Liuqi Supervisor：Prof.dongyuliang Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Thermal Tngineering School：North China Electric Power University Date of Defence： June, 2016 Degree-Conferring-Institution：North China Electric Power University 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文国华准电汽轮机组通流改造项目 方案优选研究 ，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 刘琦 日期：2016 年 10 月 15 日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 国华准电汽轮机组通流改造项目方案优选研究系本人在华北电力大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力 大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电 力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的 复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，学校可以为存在馆际合作关系的兄 弟高校用户提供文献传递服务和交换服务。本人授权华北电力大学，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于（请在以上相应方框内打“” ）： 保密，在 年解密后适用本授权书 不保密 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文 I 摘 要 国华准格尔发电有限责任公司 330MW 汽轮发电机组系由北京北重汽轮电机有 限责任公司（简称北重公司）购买的法国的 ALSTHOM 公司生产的机组，该机组 是具有中间再热、单轴、亚临界与三缸两排汽的凝汽式机组。该机组为 N330- 17.75/540/540 型号机组，额定功率为 330MW。在热耗率方面，两机热耗平均值为 7876kJ/kWh，与机组原设计值 7661-7750 kJ/kWh 相比尚有较大降耗空间。在缸效 率方面，由于修后试验为简化试验，只有高、中压缸实测效率，高压缸效率平均 值为 84.2%；中压缸效率平均值为 93.0%。依据汽轮机热耗率与高、中、低压三缸 效率内在关系，可推算出两机组平均低压缸效率为 82.3%。依据 3、4 号机组大修 后试验数据分析，机组通流尚存较大提效改造空间，改造重点应在高压、低压通 流。为了响应相关的国家政策，提高企业在社会上的知名度，为社会建设作出积 极贡献，也为了提高企业自身的生产效益，那么开展通流改造就显得尤为重要了。 本文基于模糊理论，运用模糊综合评价方法指导国华准电开展通流改造项目 方案优选，首先分析了国华准电汽轮机组运行现状，得出该类型机组使用的是比 较落后的技术，他是以前 GEC-ALSTHOM 公司所研发的一种生产技术，与现阶段 的基于三维技术的先进技术相比较有着明显的不足，主要表现为以下几个方面： 首先，使用这种技术设计的汽轮机属于国外发达国家已经淘汰的技术，这种技术 是上个世纪 80 年代左右所流行的，目前已经远远落后于现阶段的先进技术；其次， 该技术所设计的各级速比并没有达到最佳水平，还达不到先进技术的要求；其高 压喷嘴组设计成平直型，这就会导致有较大的三维效应损失；在叶轮设计时，没 有充分考虑到平衡效应，容易对高、中压的主流运动造成干扰；原叶顶汽封结构 型式决定无法进一步压缩汽封间隙，叶顶漏汽损失偏大；传统隔板加工工艺造成 隔板汽道变形量难于控制，尤其影响高压缸效率。急需进行通流改造。其次，对 拟选方案评价方法进行介绍，通过对专家评价法，运筹学与其他数学方法，新型 评价法，组合评价法进行比较分析，得出模糊综合评价法配以专家评价法比较适 合对国华准电汽轮机组通流改造项目方案进行优选评价。再次，建立国华准电汽 轮机组通流改造项目方案优选评价指标体系，从安全效益，节能效益，经济效益， 环保效益四个方面，构建安全性能大大提高，热耗率降低，额定出力增加，煤耗 大幅度下降，总投资额，总收益，投资回收期，燃煤量减少，CO2、SO2 和烟尘 的排放量相应地大大降低等九个详细指标进行优选。最后通过对国华准电汽轮机 组通流改造项目方案拟选方案一和方案二进行评价，得出方案二在安全效益，节 华北电力大学硕士学位论文 II 能效益，经济效益，环保效益四个方面评分均为优秀，方案二为优选方案。另一 方面也验证了该评价指标体系较为科学、合理和适用。 关键词：汽轮机组；通流改造；方案优选 华北电力大学硕士学位论文 II Abstract Guohua ZhunGeEr power generation co., LTD. Department of 330 mw turbo- generator set by Beijing BeiChong turbo motor co., LTD. (hereinafter referred to as BeiChong company) the introduction of French ALSTHOM company technology production of subcritical reheat, three cylinder two exhaust, uniaxial, condensing steam turbine. Unit model of N330-17.75/540/540, rated power is 330 mw. In terms of heat loss rate, average of two machine the heat consumption of 7876 kJ/kWh, original design and unit value of 7661-7750 kJ/kWh big energy and space are compared. Efficiency in the cylinder, the result of test to simplify the test after repair, only high and middle pressure cylinder test efficiency, the high pressure cylinder efficiency average is 84.2%; Average middle pressure cylinder efficiency is 93.0%. On the basis of the steam turbine heat consumption rate and efficiency of high, medium and low pressure cylinder inner relations, can calculate the average efficiency of low pressure cylinder unit was 82.3%. Based on experimental data analysis after 3, 4 # unit overhaul, the unit space transformation on flow remaining larger lift effect, transforming the emphasis should be on high pressure and low pressure flow. Actively carry out flow renovation project is not only a corresponding national policy, improve the social benefits of enterprises, contribute to society of a kind of performance, is also a form of improving economic efficiency of enterprise itself. In this paper, based on the fuzzy theory, the fuzzy comprehensive evaluation method to guide flow renovation project will company to carry out the plan optimization, analysis of the current situation of steam turbine unit operation will company at first, it is concluded that the type of unit is the introduction of the original GEC ALSTHOM company - impulse technology production, the flow technology s relatively early, and now the whole compared the main circulation flow technology such as 3 d design, mainly has the following drawbacks: the steam turbine design molding s earlier, blade type line design technology belongs to the quasi three dimensional design technology in the 1980 s, has lagged behind the advanced level at home and abroad; Flow enthalpy drop and flow ratio of size at all levels, namely ratio U/C0 deviates from the value of the best at all levels; High pressure spray nozzle set for flat steam, three-dimensional effect, too heavy losses; High, medium voltage at various levels shall not open impeller balance hole, diaphragm seal leakage through the clearance of blade root into the blade passage, cause disturbance to the mainstream, especially for high pressure influence at all levels; The blade tip seal structure decided not to further compress seal clearance, the tip leakage loss is larger; Traditional diaphragm process caused by steam diaphragm deformation is difficult to control, especially influence the efficiency of high pressure cylinder. Be badly Abstract （Times New Roman 小 5 号字） III in need of transformation on the flow. Second, to be selected scheme evaluation methods are introduced, based on the expert evaluation method, operations research and other mathematical methods, a new evaluation method, combination evaluation method, comparative analysis, it is concluded that the fuzzy comprehensive evaluation method with the expert evaluation method can suit to aim at companys steam turbine unit flow scheme selection renovation project evaluation. That company again, the establishment of steam turbine flow renovation project plan optimization evaluation index system, from the security benefits, energy conservation benefits, economic benefits, environmental benefits from four aspects, building security performance is greatly improved, the heat consumption rate is reduced, the rated output increase, the coal consumption, a big drop in total investment, total return, the payback period of investment, reduced the volume of coal, CO2, SO2 and soot emissions significantly reduced accordingly nine index optimization in detail. Finally through flow renovation project on the steam turbine unit can company evaluate the plan a and plan is proposed to choose the second, two alternative benefits in security, energy-saving benefit, economic benefit, environmental benefit four aspects scores are good, scheme 2. Optimization scheme. On the other hand also shows that the evaluation index system is more scientific, reasonable and applicable. Keywords： Steam turbine unit. Transformation on flow; Plan optimization 华北电力大学硕士学位论文 III 目 录 摘摘 要要 .I ABSTRACTII 目目 录录III 第第 1 1 章章 绪绪 论论.1 1.1 课题背景及意义 1 1.1.1 课题背景1 1.1.2 研究意义1 1.2 国内外研究现状.2 1.2.1 国外研究现状2 1.2.2 国内研究现状3 1.3 研究内容及目标.4 1.3.1 课题研究内容4 1.3.2 研究目标5 1.4 研究方法 5 第第 2 2 章国华准电汽轮机组运行现状章国华准电汽轮机组运行现状.5 2.1 国华准电汽轮机组运行现状.5 2.1.1 汽轮机简介5 2.1.2 机组现运行数据8 2.1.2 机组现运行结果分析9 2.2 机组运行的影响因素.9 2.3 国内外改造方案调研.11 2.3.1 北重改造优化技术11 2.3.2 其他改造供应商调研：25 2.3.3 调研结论26 2.4 本章小结.27 第第 3 3 章章 国华准电通流改造方案评价方法国华准电通流改造方案评价方法.28 华北电力大学硕士学位论文 IV 3.1 评价方法.28 3.1.1 专家评价法28 3.1.2 运筹学和数学方法29 3.1.3 新型评价方法31 3.1.4 组合评价法33 3.2 评价方法比较分析.34 3.3 评价方法确定.35 3.4 模糊评定模型.37 3.4.1 建立指标体系38 3.4.2 计算指标体系权重39 3.5 本章小结.43 第第 4 4 章章 国华准电通流改造方案评价指标体系设计国华准电通流改造方案评价指标体系设计.44 4.1 构建评价层次模型.44 4.2 评价指标权重的确定.45 4.2.1 构建判断矩阵45 4.2.2 一级指标权重的确定45 4.2.3 一致性检验45 4.2.4 确定二级指标权重46 4.3 模糊综合评价.47 4.3.1 构建评价对象的因素集47 4.3.2 构建评语集47 4.4 本章小结.48 第第 5 5 章章 国华准电通流改造方案评价实证分析国华准电通流改造方案评价实证分析.49 5.1 方案 149 5.1.1 方案一评分表53 5.1.2 方案一指标层综合评分54 5.1.3 方案一目标层综合评分56 华北电力大学硕士学位论文 V 5.2 方案 257 5.2.1 方案二评分表58 5.2.2 方案一指标层综合评分59 5.2.3 方案一目标层综合评分61 5.3 方案一与方案二优选：.62 5.4 本章小结.63 第第 6 章章 结论结论.65 参考文献参考文献.67 致致 谢谢.70 华北电力大学硕士学位论文 1 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1.1 课题背景及意义 1.1.1 课题背景 随着现在的经济飞速发展，能源的消耗也越来越迫切，而在能源消耗过程 中，煤电成为其中的重要组成部分，有关它的节能减排问题受到社会的关注日 益增加。为了响应我国的有关节能减排的相关政策的号召，为了加速推进煤电 的清洁与高效生产，由国家发展改革委、环境保护部、国家能源局于 2014 年 9 月 12 日正式指定并发布煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020 年） 1。 根据煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020 年） ，要求到 2020 的时候，我国的煤电发电机组在进行改造后的煤炭利用率要低于 310 克/千瓦 时。 同时，对于那些产能在 50000000 千瓦以下的小型煤电发电机组进行淘汰 处理；对于产能在 30 万到 60 万千瓦之间的煤电发电机组要进行重点改造，对 其进行节能改造，使其达到国家相关标准；致力于推动东部地区的煤电发电机 组相应国家号召，实现节能减排的改造。 1.1.2 研究意义 随着现在的经济飞速发展，能源的消耗也越来越迫切，为了响应相关的国 家政策，提高企业在社会上的知名度，为社会建设作出积极贡献，也为了提高 企业自身的生产效益，那么开展通流改造就显得尤为重要了2,3。因此，研究 该项目的意义主要有： 理论意义：文章基于模糊综合评价方法和理论指导国华准电开展通流改造 项目方案优选，同时，国华准电开展通流改造项目方案优选的实践也对丰富模 糊综合评价理论的丰富具有重要的意义。 现实意义：本文对国华准电开展通流改造项目方案进行优选分析，选出具 华北电力大学硕士学位论文 2 有投资小，工期短，效益高等优点的方案，对于节约工程投资成本，节约资源， 减少浪费都显得非常的重要。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 国外对于汽轮机的通流技术研究起步比较早，因此研究成果丰富，在发展 的近五十年以来，伴随着当今社会的计算机与通信技术的快速发展，在对于汽 轮机的通流设计的部分也得到了广泛的运用，从发展的过程来划分的话，基本 上可以分为四大阶段4-5。在 1990 年以后，传统的技术得到了改革，以全三维 的设计技术为核心的设计体系技术已经得到业界的广泛运用，在当时，这种技 术成为了世界上认可度最高的技术。随后，结合流体力学为发展基础，将热动 里学从一维逐渐发展成为二维最终发展成为三维阶段，这一发展使得当时的技 术水平上升一大截6。因此，采用这种理论设计的汽轮机在能耗的降低上取得 了巨大的成果，基本上相较于上世纪 60 年代的时候，能耗降低了百分之 3 到 百分之 4 左右。 对末两级静叶片经过吹风实验适度弯曲，建立 C 形静压分布，将壁面的汽 流压向中间的主流，从而有效减少二次流损失，提高级效率。同时静叶采用整 体铣制，镶入隔板内外环之间，有效保证了型线的加工精度和隔板的装配精度 7。优化后各级静叶采用高效后加载叶型，有效避免二次流过早的发生，减小 损失。其中调节级喷嘴为整体铣制，采用子午面收缩型线；第二级隔板采用分 流叶栅，由于二级隔板处蒸汽参数高，容积流量小，强度要求高，叶片往往既 短又宽，损失较大。而一大两小的分流叶栅，提高了叶片的高宽比，在兼顾了 强度同时，有效降低了端部附面层及二次流损失。 随着近些年气动数值计算及实验手段的发展，对于隔板汽封漏汽对主流的 影响有了一定的分析与认知，优化作为一次成功的工程应用，取得了很好效果 8。具体为：在叶轮开设平衡孔，级间设置汽封，增加叶轮反动度，将隔板漏 汽由平衡孔引出，避免干扰主流。 采用窄焊缝的焊接技术是有效控制隔板变形手段之一，为控制静叶叶高、 喉宽和面积在设计允许范围内从而使得机组通流效率达到设计值提供了可靠保 华北电力大学硕士学位论文 3 证。 传统隔板采用隔板内、外环单半焊接方式，隔板焊接后产生的应力很不 均匀，整体变形量大，中分面喉部尺寸很难控制，严重影响通流级效率。现新 工艺方法是隔板整圈焊接后线切割中分面，可有效解决隔板焊接变形问题，是 机组实测缸效率能够达到设计值的又一有效手段9-10。 1.2.2 国内研究现状 我国相比较于国外的研究起步晚，发展水平自然比不上，目前我国最主要 的汽轮机生产厂商主要有：东方汽轮机厂、哈尔滨汽轮机厂、上海汽轮机厂、 北京全四维动力科技有限公司等厂商11。以东方汽轮机厂和北京全四维动力科 技有限公司为例，像东方汽轮机厂，它生产的汽轮机一般如下改造：高中压适 当放大通流面积，优化叶型，优化各级焓降和速比。在隔板根部、动叶顶部及 端部使用可退让式汽封圈，背部装载弹簧，减小漏气量，更换高中压转子为整 锻转子；适当放大通流面积，优化叶型，优化各级焓降和速比。在隔板根部、 动叶顶部及端部使用可退让式汽封圈，背部装载弹簧，减小漏气量。叶顶采用 城墙汽封结构及可退让汽封12-14。 对于中压通流，在原设计的静叶片型线为前加载叶型，本次改进选用高效 后加载叶型，叶型总损失较前加载原叶型降低 1/3，可以提高级效率15。通过 详细的全三维数值试验结果表明，通流优化后，可有效提高缸效率。同时，在 微观设计方面，静叶采用 SCH 层流叶型，并采用三维空间成型，动叶采用 HV 叶型；适当减小静动叶片宽度，提高相对叶高，三维级内匹配设计，自带冠结 构设计146。叶顶采用城墙汽封结构及可退让汽封。 对于低压缸通流采用优化叶型技术和全三维设计方法。低压通流前四级静 叶选用最新优化后加载叶型，C 型正弯曲成形，减少叶型损失和二次流损失； 静、动叶片匹配设计。叶顶采用自带冠结构，采用可退让式汽封，优化叶顶汽 封齿结构17。 对于北京全四维动力科技有限公司而言，他的高压缸通流改造主要更换部 件：高压无中心孔整锻转子；高压喷嘴组；全部 10 级隔板包括隔板汽封、围 带汽封；全部 11 级动叶片；前、后轴端汽封体和汽封。中压缸通流改造主要 更换部件有：中压整锻转子；隔板套；全部 12 级隔板包括隔板汽封、围带汽 封；全部 12 级动叶片；前后轴端汽封体和汽封18。 低压缸主要更换部件有： 华北电力大学硕士学位论文 4 低压整锻转子；低压内缸及中低压连通管；全部 25 级隔板包括隔板汽封、 前后轴端汽封体和汽封、分流环；围带汽封和去湿环以及全部 25 级动叶片、 排汽导流环等19。 改造后，随着以弯扭联合成型全三维叶片为代表的第三代通流设计技术的 发展，有限元技术、动强度设计及先进的结构技术的应用，300MW 汽轮机通 流改造技术日臻完善，提高了机组的经济性和安全性20。目前，很多电厂对机 组进行了汽轮机通流改造，经济性和安全性明显提高，取得了良好的改造效果： 机组改造后，机组的热耗率降低，额定出力增加，发电煤耗、供电煤耗均大幅 度下降，大大提高了机组的经济性，具有明显的经济效益；其次响应相关的国 家政策，提高企业在社会上的知名度，为社会建设作出积极贡献，也为了提高 企业自身的生产效益；改造过后的机组对于节能减排的要求基本都已经达到了， 能大大降低能耗，就意味着降低了污染物以及废气、二氧化碳、二氧化硫等一 些污染气体的排放，具有明显的环境保护作用21-22。 综上所述，虽然目前国内外有许多的研究工作人员开展对汽轮机流通改造 项目管理的研究，但针对汽轮机组通流改造项目方案优选研究很少，本文填补 了汽轮机组通流改造项目方案优选研究这一空白。本文研究旨在寻求符合国华 准电汽轮机组通流改造的最佳方案，加快实现通流改造方案的效率，以促进我 国环保产业的发展的同时提升汽轮机组的节能水平具有十分重要的现实意义。 1.3 研究内容及目标 1.3.1 课题研究内容 （1）介绍了准格尔电厂 3、4 号汽轮机机组现运行数据，分析现行运行数 据结果和原设计值之间的差距，提出通流改造的必要性。 （2）分析影响机组性能的主要因素，并对国内外技术更新改造项目进行 调研，确立国华准电汽轮机组通流改造的方案。 （3）通过分析评价方法，根据国华准电汽轮机组通流改造方案指标定性 和定量相结合的特点，选择了模糊综合评价法，作为方案择优的评价方法。 （4）根据模糊综合评价法的流程，建立国华准电汽轮机组通流改造方案 评价体系，并确立指标权重，最后评选出比较合理的方案。 华北电力大学硕士学位论文 5 （5）结论部分。总结了本文的研究成果。 1.3.2 研究目标 优选出最佳国华准电汽轮机组通流改造方案。 1.4 研究方法 （1）文献研究法。对汽轮机组通流改造的相关研究目前比较多，通过阅 读大量的相关研究文献与著作，在结合国内外的当前的最新研究内容与成果， 对其进行分析与研究。 （2）问卷调查法与访问专家法。在研究的过程中，对于国华淮电的汽轮 机组进行改造的方案与内容进行调查与访问，通过问卷调查的方法得到专家给 的一些比较有意义的意见，并将其作为设计与改造过程中的参考价值。 （3）实际案例分析法，将建立的评价模型用在国华准电汽轮机组通流改 造方案评价分析中，对进行实例研究，对产生结果进行分析，对于研究汽轮机 组通流改造评价具有重要参考价值； （4）总结与归纳法。通过对本论文需要研究的内容进行资料搜集与归纳， 并结合自己的最新的研究成果，是的论文具有更强的理论知识。 第第 2 2 章章国华准电国华准电汽轮机组运行现状汽轮机组运行现状 2.1 国华准电汽轮机组运行现状 2.1.1 汽轮机简介 国华准格尔发电有限责任公司 330MW 汽轮发电机组系由北京北重汽轮电 机有限责任公司（简称北重公司）购买的法国的 ALSTHOM 公司生产的机组， 该机组是具有中间再热、单轴、亚临界与三缸两排汽的凝汽式机组。该机组为 N330-17.75/540/540 型号机组，额定功率为 330MW。表 1 为主要设计参数供参 考。 表 2-1 亚临界 330MW 机组主要设计参数汇总 华北电力大学硕士学位论文 6 序 号 项目单位数据 1机组型式 一次再热、单轴三缸两排汽凝汽式汽轮 机 2汽轮机型号N330-17.75/540/540 3额定主蒸汽压力MPa.a17.75 4额定主蒸汽温度 540 5额定再热蒸汽压力MPa.a3.70 6额定再热蒸汽进口温度 540 7排汽压力（THA/TRL 工况）MPa.a0.0049/0.0118 8 THA 工况功率 TRL 工况功率 MW330 9T-MCR 工况功率MW340 10主蒸汽额定进汽量t/h919 11主蒸汽最大进汽量t/h1004/1018 12 回热级数（高加除氧低加） 2 高加1 除氧4 低加 13额定给水温度254 14 高压/中压/低压缸效率 （THA） %84.7/92.5/86.5 15THA 工况热耗kJ/kW.h7751/7661 16通流级数（高压+中压+低压）（110）1225 17低压缸末级叶片长度mm1080 18额定转速r/min3000 19旋转方向（汽机向发电机）逆时针 20启动方式中压缸启动 华北电力大学硕士学位论文 7 该型机组由高压缸、中压缸和双分流低压缸组成，高压缸反流布置用以平 衡轴向推力，高、中、低压缸均为双层缸结构。高、中、低压转子均为整锻转 子，转子之间采用刚性联轴器联接。推力轴承设置在#2 轴承箱内。 高压缸通流级数为 1 个单列调节级+10 个压力级，采用整体内缸结构，隔 板直接装在高压内缸上。中压缸通流级数为 12 个压力级，其中前 9 级隔板直 接装在中压内缸上，末 3 级隔板装在隔板套上。低压通流级数为 25 级，隔 板装在低压内缸上。通流动叶片除末级、次末级外全部为整体围带，插入式叶 根；次末级为不带冠、枞树型叶根结构；末级为鳍形拉筋、枞树型叶根结构。 所有自带冠动叶片全部采用预扭安装，整圈连接。机组设 7 级回热系统，包括 2 台立式高加、1 台除氧器和 4 台立式低加，其中#6 高加设有一台外置式蒸汽 冷却器，#7 高加出口给水经过该外置式蒸汽冷却器加热后进入锅炉。给水泵型 式标准配置为电动给水泵。图 2-1 为汽轮机纵剖示意图。图 2 为汽轮机各模块 结构示意图。 图 2-1 汽轮机纵剖示意图 图 2-2 机组各模块示意图 2.1.2 机组现运行数据 根据最近一次的机组修后热力试验报告，准格尔电厂 3、4 号汽轮机组于 2014 年 3 月至 5 月进行了 A 级检修，机组修后试验结果数据摘录如下： 华北电力大学硕士学位论文 8 表 2-2 试验结果数据摘录 序号参数名称单位3 号机 A 修后4 号机 A 修后 1试验日期2014 年 5 月2014 年 3 月 2发电机输出功率kW327247329847 3高压缸效率%84.883.6 4中压缸效率%92.9 93.1 5试验热耗率kJ/kWh79497846 6修正后热耗率kJ/kWh78627890 7主蒸汽压力MPa.a17.3417.41 8主蒸汽温度 533.9532.3 9热再蒸汽压力MPa.a3.973.94 10热再蒸汽温度 533.6534.5 11低压缸排汽压力kPa 8.24.92 12主给水流量kg/h784910/ 13主蒸汽流量kg/h940767/ 2.1.2 机组现运行结果分析 在热耗率方面，两机热耗平均值为 7876kJ/kWh，与机组原设计值 7661- 7750 kJ/kWh 相比尚有较大降耗空间。 在缸效率方面，由于修后试验为简化试验，只有高、中压缸实测效率，高 压缸效率平均值为 84.2%；中压缸效率平均值为 93.0%。 依据汽轮机热耗率与高、中、低压三缸效率内在关系，可推算出两机组平 均低压缸效率为 82.3%。 试验方法及系统严密性均对试验热耗不确定度影响较大，仅依据 3、4 号 机组大修后试验数据分析，机组通流尚存较大提效改造空间，改造重点应在高 压、低压通流。同时，依据对同类型机组运行数据统计，本机组中压缸效率存 华北电力大学硕士学位论文 9 在一定程度“虚高” ，可初步判断中压缸效率尚可，或者说接近设计值。 2.2 机组运行的影响因素 通流效率是影响机组运行最为直接的首要因素，而影响流通效率的因素则 是级效率的高低，因此，如果想要机组有较高的运行效率，必须要对各个级的 效率进行控制，降低损耗。一般来说，通流级内流动损失如下图 2-3 所示。 图 2-3 通流级内流动损失示意 该类型机组使用的是比较落后的技术，他是以前 GEC-ALSTHOM 公司所 研发的一种生产技术，与现阶段的基于三维技术的先进技术相比较有着明显的 不足，主要表现为以下几个方面： （1）首先，使用这种技术设计的汽轮机属于国外发达国家已经淘汰的技 术，这种技术是上个世纪 80 年代左右所流行的，目前已经远远落后于现阶段 的先进技术； （2）其次，该技术所设计的各级速比并没有达到最佳水平，还达不到先 进技术的要求； （3）其高压喷嘴组设计成平直型，这就会导致有较大的三维效应损失； 华北电力大学硕士学位论文 10 （4）在叶轮设计时，没有充分考虑到平衡效应，容易对高、中压的主流 运动造成干扰； （5）原叶顶汽封结构型式决定无法进一步压缩汽封间隙，叶顶漏汽损失 偏大； （6）传统隔板加工工艺造成隔板汽道变形量难于控制，尤其影响高压缸 效率。 2.3 国内外改造方案调研 2.3.1 北重改造优化技术 （1）最新改造优化技术简介（北重） 近年来，北重公司自主研发了超临界 350MW 机组、超超临界 660MW 机 组，其中超临界 350MW 首台机组已于 2012 年初在国电电力大连开发区热电 厂成功投运，机组实测热耗率 7667.6kJ/kWh，属国内领先水平。北重公司多年 来致力于 100MW-600MW 冲动式汽轮机通流改造，积累了丰富的通流改造设 计经验，同时将自主研发的超临界 350MW、超超临界 660MW 机组的先进通 流设计技术应用于改造机组中，实践证明取得了良好的改造效果23-25。 （2）本体改造优化技术（北重） 1）通流级数与汽道的优化 中压通流根部和顶部均为斜汽道，隔板静叶流道和转子动叶通道的通流光 顺非常重要，要保证蒸汽流动没有撞击，减少流动损失26。转子动叶的顶部围 带外面的径向汽封，采用可退让高低齿汽封。旨在减小动静间隙，从而减少漏 汽损失，提高级效率。 利用三维计算软件优化通流子午面流道，通过等根径设计，光顺子午面流 道，合理匹配动静叶盖度，靠近排汽的部分级通流采用斜气道，降低流动损失。 华北电力大学硕士学位论文 11 图 2-4 通流级数与汽道的优化图 2）喷嘴室优化 喷嘴室原为四瓣牛腿结构，与内缸固定于进汽管口处，机组运行时喷嘴室 受热向机组中分面膨胀，而动叶片由中心向四周膨胀，导致调节级动叶叶顶围 带汽封径向间隙预留较大。 优化设计调节级子午通道的收缩型线，使调节级的效率更高；各级动静叶 采用高效叶型，减小叶型损失、尾迹损失、二次流损失；隔板汽封环及高压前 后轴端汽封采用新型汽封，进一步减小漏汽损失； 叶轮增加平衡孔，减小隔 板汽封漏汽对主流的干扰。采用正弯曲成形静叶片（C 型弯曲静叶片） ，减少 根部和顶部的二次流损失。可以使通流损失（级损失）降低 20%30%，从而 提高级效率。进行静、动叶片匹配设计。中压各级进行气动计算和设计，选定 根部反动度，调整冲角，优化通流，减少损失27。 转子动叶的顶部围带外面的径向汽封，采用可退让高低齿汽封。旨在减小 动静间隙，从而减少漏汽损失，提高级效率28。 华北电力大学硕士学位论文 12 图 2-5 改前喷嘴室与内缸装配示意图 图 2-6 改前调节级局部纵剖图 华北电力大学硕士学位论文 13 图 2-7 改后喷嘴室与内缸装配示意 华北电力大学硕士学位论文 14 图 2-8 改后调节级局部纵剖图 3）叶型的优化 a.静叶 优化后各级静叶采用高效后加载叶型，有效避免二次流过早的发生，减小 损失。其中调节级喷嘴为整体铣制，采用子午面收缩型线；第二级隔板采用分 流叶栅，由于二级隔板处蒸汽参数高，容积流量小，强度要求高，叶片往往既 短又宽，损失较大29。而一大两小的分流叶栅，提高了叶片的高宽比，在兼顾 了强度同时，有效降低了端部附面层及二次流损失。 图 2-9 优化后静叶曲线图（1） 图 2-10 优化后静叶曲线图（2） 末两级静叶片经过吹风实验适度弯曲，建立 C 形静压分布，将壁面的汽流 压向中间的主流，从而有效减少二次流损失，提高级效率。同时静叶采用整体 铣制，镶入隔板内外环之间，有效保证了型线的加工精度和隔板的装配精度。 华北电力大学硕士学位论文 15 图 2-11 优化后静叶图 b.动叶 各级动叶片延用叉形叶根，整体围带预扭安装，安全性经过多年验证。部 分动叶为与静叶匹配，采用扭叶片。 华北电力大学硕士学位论文 16 图 2-11 优化后动叶图 4）密封结构的优化 a.动叶顶部汽封优化 微观设计方面，静叶采用 SCH 层流叶型，并采用三维空间成型，动叶采 用 HV 叶型；适当减小静动叶片宽度，提高相对叶高，三维级内匹配设计，自 带冠结构设计。叶顶采用城墙汽封结构及可退让汽封。 b.叶轮增加平衡孔和级间汽封 随着近些年气动数值计算及实验手段的发展，对于隔板汽封漏汽对主流的 影响有了一定的分析与认知，本次优化作为一次成功的工程应用，取得了很好 效果30。具体为：在叶轮开设平衡孔，级间设置汽封，增加叶轮反动度，将隔 板漏汽由平衡孔引出，避免干扰主流。 c.隔板及高压后汽封优化 适当放大通流面积，优化叶型，优化各级焓降和速比。在隔板根部、动叶 顶部及端部使用可退让式汽封圈，背部装载弹簧，减小漏气量。叶顶采用城墙 汽封结构及可退让汽封。 华北电力大学硕士学位论文 17 图 2-13 叶顶、隔板汽封改前 叶顶、隔板汽封改后 图 2-14 高压后汽封改前 高压后汽封改后 5）平衡孔设计优化 部分转子叶轮要补加工 79 个平衡孔，使得隔板静叶与转子动叶之间的 轴向间隙往流道外漏汽，不吸气，减少混流损失，提高级效率。叶轮增加平衡 华北电力大学硕士学位论文 18 孔，减小隔板汽封漏汽对主流的干扰。通过详细的全三维数值试验结果表明， 通流优化后，可有效提高缸效率。同时，在微观设计方面，静叶采用 SCH 层 流叶型，并采用三维空间成型，动叶采用 HV 叶型；适当减小静动叶片宽度， 提高相对叶高，三维级内匹配设计，自带冠结构设计。叶顶采用城墙汽封结构 及可退让汽封。 图 2-15 平衡孔设计优化图 6）隔板制造工艺优化 高中压适当放大通流面积，优化叶型，优化各级焓降和速比。在隔板根部、 动叶顶部及端部使用可退让式汽封圈，背部装载弹簧，减小漏气量，更换高中 压转子为整锻转子，这一技术得到了一系列应用。 采用窄焊缝的焊接技术是有效控制隔板变形手段之一，为控制静叶叶高、 喉宽和面积在设计允许范围内从而使得机组通流效率达到设计值提供了可靠保 证31。 传统隔板采用隔板内、外环单半焊接方式，隔板焊接后产生的应力很不均 匀，整体变形量大，中分面喉部尺寸很难控制，严重影响通流级效率。现新工 艺方法是隔板整圈焊接后线切割中分面，可有效解决隔板焊接变形问题，是机 组实测缸效率能够达到设计值的又一有效手段32-33。 华北电力大学硕士学位论文 19 图 2-16 窄焊缝示意图 图 2-17 激光打孔 华北电力大学硕士学位论文 20 图 2-18 整圈焊接 华北电力大学硕士学位论文 21 图 2-19 线切割示意图 （3）凝汽器喉部导流改造优化（北重） 一般凝汽器接收汽轮机排汽后，由于减温减压器和回热抽汽管道的存在， 会使凝汽器喉部流场产生涡流或回流区，尤其是对于接颈卧有低压加热器的凝 汽器，实际流场更加复杂，在一定程度上影响了凝汽器的换热性能，汽轮机冷 端损失加大34。下图显示了凝汽器接颈部位排汽汽流流速分布，可以看出在靠 近侧板位置流速明显偏低，甚至产生脱流现象。 华北电力大学硕士学位论文 22 图 2-20 凝汽器接颈部位排汽汽流流速分布图 1）改造措施 在凝汽器喉部内，根据原有的实际结构，以数值模拟研究为指导，采用大 型流场计算模拟软件，依靠模拟计算结果确定导流装置的布置形式，通过安装 导流板装置，使得热交换能力能够更好发挥，从而提高凝汽器真空。下图显示 了凝汽器安装导流板后轴向及侧向的流场流速分布，可见改造后整体流速分布 得到了明显改善。 在凝汽器喉部内部空间布置四组导流装置，前后左右各一组，导流板由 图 2-21 凝汽器安装导流板后轴向及侧向的流场流速分布图 支撑管进行支撑，使导流装置和喉部连接成一个整体。导流板通过螺栓、 螺母、弹簧垫圈连接成组，在喉部内合理布置，均匀排汽 流畅，消除涡流，改善脱流状况，提高凝汽器的换热效果。具体示意如下： 华北电力大学硕士学位论文 23 图 2-22 凝汽器改善脱流状况，提高凝汽器的换热效果图 2）改造效果 通过试验数据对比，我们发现，在改造过后的电机组安装了导流板，因此， 他们在相同的负荷下工作运行的时候，凝汽器压力的变化会出现交大的不同。 试验证明在相同的循环水流量下，循环水冷却水进口水温在 20-30范围，蒸 汽负荷率为 100%时，汽轮机背压可下降 0.52-0.72kPa。 2.3.2 其他厂商