上汽B151改造方案

1、粤电部分电厂汽轮机改造初步方案北京全三维能源科技股份有限公司2012-5-4一、前言根据粤电集团公司部分热耗偏高汽机情况表，我们公司已经前往其中的部分电厂：连州 电厂，茂名电厂收集原汽机设计资料，采集电厂近期运行数据，了解电厂的实际运行情况， 并已经针对电厂目前的具体情况，例如热耗偏高，汽封漏汽偏大等问题，提出了改进方案， 确定改造范围，力图投资最少，回报最快，性价比最高。125MW汽轮机是上海汽轮机厂于60年代自行设计的超高压中间再热冷凝式汽轮机，额 定功率为125MW，最大功率为131 MW，机组为单轴、双缸双排汽结构。由于设计年代早， 该机热力性能比较落后。首批9台机组中有的修正后实测热

2、耗甚至高达 90029170kJ/kw.h(21502070 kcal/kw.h)。近三十年来上海汽轮机厂对该机进行了四次优化设 计(最新型号为B151)，但由于设计年代早，很多先进的设计思想和设计手段还未普及。因 此，机组的热效率本身就不高。其主要动、静叶片型线气动性能差。与现代汽轮机技术的发 展仍然存在一定的差距。其修正后热耗仍为85838667kJ/kw.h(20502070kcal/kw.h)，虽接近 工厂的保证值8499kJ/kw.h(2030 kcal/kw.h),但仍显著地落后于当代先进水平。云浮电厂1#，2#汽轮机是上海汽轮机厂的B151机型，分别于1991年4月，1991年1

3、2 月投产，该机组设计热耗为8499kJ/kwh，1#机组2007年大修后热力性能试验修正值为 8573kJ/khw，2#机组2006年大修后热力性能试验修正值为8545kJ/khw，比设计值偏高。连州电厂1#，2#汽轮机和云浮电厂一样，同为上海汽轮机厂的B151机型，分别于2000 年3月，2000年8月投产，该机组设计热耗为8499kJ/kwh，1#，2#机组热力性能验收试验值 分别为8687kJ/khw，8644 kJ/khw，比设计值偏高。125MW机组通流部分效率低的主要原因是：-叶片型线是4050年代前苏联老型线，气动热力性能差，叶型损失大、效率低；-某些级的速比和焓降分配不合理，

4、导致热力性能参数偏离最佳值，级效率低；-通流子午面不光顺，特别是中压缸后段和整个低压缸呈明显的阶梯形通道，容易产生 脱流，加大了通流损失；-动、静叶片匹配不佳，叶片来流攻角偏大，增加了攻角损失；-部分级动叶顶部无围带或拉金，增加了漏汽损失和绕流损失；近几年来，我国电力工业进一步加快了老机组改造的步伐。采用当代汽轮机先进技术来 改造老机组不仅必要而且可行，现在已有不少成功的先例。事实已证明，老机组改造可达到 大幅度增容降耗、延长机组寿命、提高机组运行可靠性、增强调峰性能等目的，是电力工业 技术进步的一项重要措施。北京全三维能源科技股份有限公司对原125MW汽轮机组改造的突出特点是采取了具有 当代

5、先进水平的多级汽轮机一维/准三维/全三维气动热力设计体系，使通流部分设计达到当代 先进水平。加上生产厂通过近年来对关键加工工艺的改进和引进新型精密加工设备，使制造 工艺和产品质量上了一个新台阶，从而保证了机组实现现代化改造后，其性能可达到当代先 进水平。从已完成的机组改造的效果来看，经济效益等各种指标明显提高，下面是其中部分 我们改造的部分电厂热耗值：电厂地址电厂机组热耗浙江省半山市半山4#8176.3kj/kwh浙江省台州市台州2#8164.2 kj/kwh浙江省温州市温州1#8160.0 kj/kwh山东省来芜市莱芜1#8185.0 kj/kwh山东省临沂市临沂3#8164.0 kj/kw

6、h粤电集团公司部分电厂汽轮机改造方案针对云浮电厂，连州电厂的共性，对该机组提出以下改造方案：二、改造方案2.1改造内容高中低压通流部分按全三维技术进行设计，更换喷嘴组、30级隔板及31级动叶。更换高中压转子、低压转子（均整锻结构）共2根。更换中箱内及箱内的#2支持轴承和推力轴承更换全部汽封体、汽封环更换低压缸分流环机组改造（更换）后所需提供的部套清单如下：序号名称数量（套）备注1.主机设备1分流环12高中压间汽封13高压后汽封14中压缸后汽封15低压汽封26喷嘴组17第231级隔板18第131级叶片19高中压转子110低压转子111联接螺栓（高-低间）112联接螺栓（低-发间）113螺栓电加热

7、装置114汽轮机备品备件12.油系统设备1#2推力支持联合轴承11中轴承箱13.保护部分1轴向位移发讯器支架12.2原125MW机组改造后与改造前在汽轮机本体结构上有如下不同点:喷嘴组子午面收缩粤电集团公司部分电厂汽轮机改造方案静叶型线及隔板型式动叶自带围带型式低压转子改为整锻结构增大通流间隙采用径向汽封阀门结构型式及阀门的密封形式2#轴承为联合推力轴承2.2.1喷嘴组喷嘴的流道设计采用先进的子午面收缩静叶栅。调节级喷嘴内环孤段直接铣制成型，外环和隔叶件采用焊接方式与内环相接，然后装于 喷嘴室上，靠定位销固定，两端有密封键密封。喷嘴材料为ICrllMoV。2.2.2隔板整机共30级隔板：高压8

8、级、中压10级、低压12级。全部静叶片采用气动性能良好的 后加载叶型。高压第29级隔板静叶片为直叶片，隔板全部为分流叶栅结构。中压第1019级隔板叶 片为等截面弯扭叶片，低压第2031级隔板采用弯扭叶片。高压第29级隔板、中压第1017级隔板采用传统的叶片先与围带组焊，再与隔板的外 环、板体焊接的结构。中压第1819级隔板低压第20-31级叶片尺寸较长，且所处区域的压 差较小，采用叶片与隔板、外环直接焊接的结构。导叶片的材料高温区为1Cr11MoV，中低温区为1Cr13。隔板体材料高温区为ZG20CrMoV， 中低温区为ZG230-450或Q235-A。2.2.3动叶片传统的动叶片顶部通常采用

9、铆接方式。125MW改造机组全部采用自带围带结构形式，如 图8。所谓自带围带或称整体围带就是将围带与叶片连成一个整体，装配后使动叶片形成整 圈连接的一种结构形式。这种结构的动叶片，振动应力小，可以避免由于铆接造成的应力集 中，故而运行安全可靠。在本机组中，所有动叶片全部采用自带围，只有末级有一根整圈松拉筋。整圈松拉筋通 常不与叶片焊接。为了增强其阻尼效果，往往做成半圆形的两半拉筋，并将其交错装配。本机组叶片有两种形式：等截面直叶片和变截面扭叶片。等截面直叶片特点是沿叶高截面形状相同，截面面积不变，相邻两截面间无扭转，通常 用于小功率机组和大机组的高压缸叶片，如本机组的高压部分及中压前几级。变截

10、面扭叶片特点是沿叶片高度截面形状不同，截面面积减小，相邻两截面间有相对扭 转。这种叶片无论在气动性能和强度方面都能较大限度地满足设计上的要求，所以得到了广 泛的应用。它通常适用于大功率机组的中、低压缸叶片，如本机组的中压后部与低压缸叶片。125MW改造机组末级长叶片采用变截面扭叶片，叶根为叉形。考虑到调频的需要，采用 了一根拉筋加自带围带形成整圈连接的结构。此外，由于末级叶片工作在湿蒸汽区，运行中 叶片进汽边受到水滴的冲蚀，所以在叶片顶部进汽侧采用钎焊硬质合金片的方法来加强叶片 的抗水蚀能力。2.2.4转子改造后的转子仍分为高中压转子及低压转子两部分，且均为整锻结构（改造前低压 转子为焊接结构

11、）。整锻转子是叶轮与主轴一体锻造而成的，它的优点是结构紧凑，装配 零件少，刚性好，转子强度性能高。焊接转子是由若十个托盘和两个端轴拼焊而成，它 的优点是结构紧凑，重量轻，易于保证锻件质量，还可以按转子不同区段工作温度要求， 采用不同钢种的锻件。粤电集团公司部分电厂汽轮机改造方案高中压、低压转子的支撑与改造前保持一致，仍为三支点结构。为了调整通流间隙的需要，转子间设有调整垫片，可根据安装时的测量值配准垫片的厚 度来调整。2.2.5隔板汽封、动叶叶顶汽封所有隔板汽封采用疏齿式汽封，并调整了汽封的径向间隙、汽封齿数及汽封管道的流速， 减少蒸汽的泄露量，避免抽汽不畅。较早机组的隔板与转子间的汽封齿一般

12、采用轴向汽封，既要防止漏汽过多，又要有一定 的膨胀间隙，所以效果不理想。北京全三维动力工程公司对已改造过的机组均改为径向汽封， 径向汽封的间隙可以很小，一般为0.5mm，同时可以具有较大的轴向间隙，这样就可以适应 机组的快速起停的需要。动叶叶顶汽封均由原设计两片增加为四片，并采用了高低齿的结构来减少漏汽量，降低 漏汽损失。2.2.6更换中轴承箱及联合推力支持轴承上汽产125MW机组由于中轴承箱内采用推力轴承和支持轴承分开的结构在以往的老125 机组上存在下部#8、#9、#10推力瓦块在自重下自位能力差，造成推力轴承全部瓦块温度不 均，整体看温度并不高，但下部的#8、#9、#10瓦块温度偏高的现

13、象。这一问题在台州、温 州、半山等电厂均有反映。考虑到机组长期安全稳定运行的必要性，因而增加更换中轴承箱 及联合推力支持轴承内容。三、在此次125MW汽轮机改造中使用的全三维新技术3.1前言北京全三维能源科技股份有限公司对125MW汽轮机组改造的突出特点是采取了具有当 代先进水平的多级汽轮机一维/准三维/全三维气动热力设计体系，加上生产厂通过近年来对关 键加工工艺的改进和引进新型精密加工设备，使制造工艺和产品质量上了一个新台阶，从而 保证了机组实现现代化改造后，其性能可达到当代先进水平。3.2通流部分全三维气动热力设计概念与方法北京全三维能源科技股份有限公司是国内最早采用三维技术研制、推广、改

14、造老机组的 公司，应用全三维技术并获得专利的弯扭叶片已改造了 150多台老机组。在本次125MW机组通流部分现代化改造中，北京全三维公司采用多级汽轮机通流部分 气动热力准三维/全三维气动热力设计体系，使通流部分设计达到当代先进水平。这一先进设计体系主要特征是：对每一排静、动叶片不同截面叶型的流动性能进行详细的一维/准三维计算分析与设 计优化对每一排静、动叶栅内部的流动进行全三维计算分析与设计优化对高、中、低压缸多级透平各级静、动叶片排的相互匹配进行准三维与全三维流场计 算与设计优化上述大量的计算分析与设计优化都是在现代电子计算机上由先进、可靠的计算机软件来 完成，所有的静、动叶片都是采用先进的

15、CAD软件在电子计算机上进行全三维造型，然后， 还对设计方案进行了大量的实验研究，在验证了其性能的先进性之后，再由全三维公司交制 造厂采用先进的工艺加工制造出来的。实践已证明，一维/准三维/全三维气动热力设计方法比传统的设计方法更先进、更可靠， 也更加快捷，从而保证了 125MW机组通流部分现代化改造设计的高水平和高质量。粤电集团公司部分电厂汽轮机改造方案3.3主要新技术在125MW汽轮机通流部分现代化改造中，老机组的全部静、动叶片将被更换，在新的 隔板、转子中采用了下列具有当代先进水平的新技术。3.3.1新一代“后加载”高效静叶型这是新一代高效率透平叶型，见图1,其突出特点是：叶片表面最大气

16、动负荷在叶栅流道的后部（传统叶片则在前部）吸力面、压力而均由高阶连续光滑曲线（不是圆弧）构成叶片前缘小圆半径较小且具有更好的流线形状，在来流方向（攻角）大范围变化时仍 能保持叶栅低损失特性叶片尾缘小圆半径较小，减少尾缘损失叶型最大厚度较大增强了叶片刚性图1新（左）老（右）叶型比较全三维公司在老机组改造，及新机组设计中已成功地应用了 “后加载”系列叶型，理论 分析和实验验证均表明这一新叶型效率大大高于老125MW机组中使用的传统叶型。图2、图3 是新、老叶型及其表面速度分布的比较，“后加载”叶型在来流方向由-30到+30的变化范 围内都可保持低损失，而老叶型的这一范围约为土 20，这就使得新设计

17、的通流部分在负荷 （即流量）变化范围较大时仍有较高的效率，这对机组参加调峰运行非常有利。0. 500. 400. 300. 200. 10前加载叶型AAAA后加载叶型a_/0. 00 0. 000. 200. 400. 600. 801.00弦长型线损失相对鱼头叶型-11 一 rc*-i a叶型20-60()角 404攻图2前加载叶型和后加载叶型的马赫数分布图图3后加载叶型与老叶型攻角特性比较3.3.2弯扭联合全三维成型静叶栅弯扭联合全三维成型静叶栅（俗称马刀型叶栅），是第三代汽轮机先进技术的集中体现， 世界各国的大量理论与实践都证明采用这一技术可使汽轮机级的效率提高1.52%。全三维公 司通

18、过计算分析与实验研究已开发出不同长度的弯扭叶片系列，这些叶片本公司已在 200MW、150MW、125MW以及100MW等多种汽轮机通流部分广泛采用。图4是适用于高、 中压缸的两端弯曲加扭转的叶片，图5适用于低压缸末级的根部弯曲、顶部不弯曲（或少许 弯曲）、变截而扭转叶片，计算和实验证明弯扭叶栅总损失比传统直（扭）叶栅下降1/4甚至粤电集团公司部分电厂汽轮机改造方案 更多。图5低压缸末级、次末级弯扭静叶片图4高、中压通流部分弯扭静叶片3.3.3高压隔板分流静叶栅高压静叶原设计为窄叶片加强筋结构（见图6），由于加强筋的型线与叶型不匹配，又缺 乏严格的工艺要求，加强筋加工粗糙且加强筋与叶型通常不能

19、对齐，造成静叶栅损失大大增 加。本方案采用新叶型的分流叶栅（图6），可使叶栅损失大幅度降低。全三维公司根据实验 数据和的理论分析，高压级采用分流叶栅可使缸效率提高4%以上。3.3.4调节级子午而收缩静叶栅子午而收缩是一种全三维设计概念，其主要优点是降低静叶栅通道前段的负荷，减少叶 栅的二次流损失。对于调节级静叶栅，由于其相对叶高很短（一般L/bW0.4）,二次流损失占 叶栅总损失比例很大，因此使用子午而收缩的收益相当可观，这对提高高压缸效率十分重要。全三维公司200MW及以下机组现代化改造中高压缸调节级中采用了子午而收缩静叶栅， 经计算和实验验证可使调节级效率提高1.7%。在150MW和100

20、MW等机组也采用了这种设 计，在125MW机组调节级中采用此设计，级效率也可提高1.7%。图7是子午而收缩静叶栅 示意图。Cr=H1/H2图7调节级子午面收缩静叶栅示意粤电集团公司部分电厂汽轮机改造方案3.3.5动叶自带围带整圈联接传统动叶片顶部的围带是采用铆接方式，而新设计的动叶顶部围带则与叶片成为一个整 体，通过预扭装配使动叶片形成整圈联接（见图8）。这种结构的动叶片振动应力小、不存在 铆接造成的应力集中，运行十分安全可靠。3.3.6通流子午面光顺图8动叶铆接围带（左）与自带围带（右）对比示意图如图8所示，动叶片的自带围带内侧通常按流道形状设计成圆锥面，相应地，动叶片根 部及相邻静叶片根部

21、与顶部也设计成圆锥面，于是通流部分子午面十分光顺，而原设计通流 子午面都呈现明显的阶梯状。显然，新设计的光顺的子午面有更高的流动效率。3.3.7增加汽封齿数新设计自带围带动叶片的顶部外圆可以布置多个汽封齿（参见图8），从而大大减少了漏 汽损失。3.3.8取消拉筋由于自带围带整圈联接动叶片具有优良的抗振动性能，使传统动叶片中用于调频的拉筋 一般均可取消，从而消除了拉筋造成的绕流阻力和损失。通常取消一条拉筋可使级效率提高 1%。3.3.9合理增加动静部分间隙125MW老机组是按带基本负荷设计的，在机组运行灵活性和调峰适应性方面考虑较少。 在这次现代化改造中，将静、动部分轴向间隙适当调整，以改善机组

22、起停和调峰性能。但机 组的调峰性能还与锅炉调峰能力、自动化水平等因素有关。对老机组改造而言，要全面提高 调峰能力或实现两班制运行，还必须全面考虑上述各方面因素。3.3.10分流环采用两侧分流型线形式原机组低压缸中部进汽处，向两侧分流采用直筒形式，蒸汽进入低压缸后有较大的压力 损失，改造后蒸汽通过分流环（图9）导向，两侧分流沿型线流动进入隔板作功，减少了蒸 汽流动中的损失。图9分流环3.3.11轴端汽封的改造本机组的轴封改造是在不改变原汽封的相对位置及外形尺寸的基础上进行改造，高、中压 压前后外侧各3圈、低压前后外侧各2圈均采用接触式汽封。其余均采用蜂窝汽封。弹簧片弹簧片 高压后轴封外挡接触式汽

23、封 弹簧片高压后轴与内挡蜂窝汽封图11高压后轴封高压前熟封内挡蜂窝汽封高压前轴封外挡接触戋汽封弹簧片地图13高压前轴封中压前轴封内挡蜂窝汽封睥黄片中压前轴封外挡接触式汽封图14中压前轴封弹簧片中压后轴封外挡接触式汽封中压后轴封内挡蜂窝汽封弹簧片弹簧片图15中压后轴封低压前后轴封外者接触物封弟勤低压前后铀封外符蜂窝轴封图16低压前后轴封四、改造后机组的主要技术指标和性能4.1额定工况下参数：功率： 135 MW新蒸汽压力：12.75 MPa新蒸汽温度：535 C进汽量：393.4t/h再热蒸汽压力：2.237 MPa再热蒸汽汽温度：535 C排汽压力：4.9 kPa冷却水温度：20 C给水温度：

24、241.6 C回热系统：不变4.2临界转速：高中压转子（三支点）：1687r/min高中压转子（三支点）：1799r/min高中压转子（轴系）：1669r/min高中压转子（轴系）：1836r/min4.3汽轮机叶片级数及末叶片有关数据通流级数：共31级（1调节级+30压力级）末级叶片长度668 mm末级叶片环形面积4.2 m24.4改造后轴向推力的最大值14.2 t （进汽量为420t/h时）。粤电集团公司部分电厂汽轮机改造方案4.5性能保证值汽轮机额定出力135 MW汽轮机最大出力142MW汽轮机经济工况下出力135 MW，汽轮机热耗8190 kJ/kWh(1956 kcal/kWh)额定

25、负荷下轴振最大值(峰-峰值)80 p m,瓦振最大值(峰-峰值)25 p m； 临界转速下轴振最大值(峰-峰值)200p m,瓦振最大值(峰-峰值)100p m。五、改造后的经济效益分析改造前机组在额定出力125MW工况下主蒸汽流量实际值约为380t/h，改造后机组额定 出力可达135MW，功率增加10MW左右。机组在125MW及以下部分负荷运行时，由于通流部分效率提高，具有节能效果。改前 热耗为8644kJ/kWh左右，改后保证热耗为8180kj/kWh，热耗下降了 464kj/kWh，发电热耗 下降了 5.25%。所以改造前后同等出力下要少消耗5%的煤。(根据我们以往的上汽125MW 的通流改造热力性能试验结果，机组最终试验热耗均低于8180.0 kj/kWh左右)如果改造后机组还保持原年平均运行时间、年平均运行负荷125MW不变，则按节约燃料 费用计算改后可降低煤耗464/7000/4.1868=0.01583kg/kWh=15.83g/kWh年发电小时数：7000小时/年每台机组运行功率：125000kW每台机组共节约标煤量：15.83 X 12500