汽轮机节能改造技术

一、汽轮机通流改造概述

随着叶轮机械气动热力学和汽轮机通流部分设计概念与手段迅速发展与更新,目前,以最新气动热力分析计算为核心的汽轮机通流部分设计方法已完全成熟,以弯扭联合成型为代表的第四代通流设计已进入工业化实用阶段,其效率比第二代汽轮机提高约5%。目前,世界上几乎所有大型汽轮机制造厂家如三菱、ABB、GE、日立、东芝、西门子、GEC-ALSTHOM等都在生产弯扭叶片的新一代汽轮机产品投入市场。这一先进设计体系主要特征是:

1、对每一排静、动叶片不同截面叶型的流动性能进行详细的全四维计算分析与设计优化;

2、对每一排静、动叶栅内部的流动进行计算分析与设计优化;

3、对高、中、低压缸多级透平各级静、动叶片排的相互匹配进行精确流场计算与设计优化。

上述改造需要大量的计算分析与设计优化,这些都是首先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,再由制造厂采用先进的工艺加工制造出来的。

在汽轮机通流部分现代化改造中,老机组的全部静、动叶片都将被更换,在新的隔板、转子中采用了具有当代先进水平的新技术。


二、汽轮机通流改造主要内容

2.1更换调节级子午面收缩静叶栅

子午面收缩降低静叶栅二次流损失,一般可使透平级效率提高1.5-2%。子午面收缩是一种全四维设计概念,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/b≤0.4),二次流损失占叶栅总损失比例很大,因此使用子午面收缩的收益相当可观,这对提高高压缸效率十分重要。在新设计高压缸调节级中采用了子午面收缩静叶栅,经计算和实验验证可使调节级效率提高1.7%。


图片1.png

图1.  子午面收缩静叶栅示意图


2.2新型“后加载”静叶叶型

理论分析和实验验证均表明这一新叶型的效率大大高于老机组中使用的传统叶型。图1、图2是新、老叶型以及其表面速度分布的比较。特别应指出的是,“后加载”叶型在来流方向由-30°到+30°的变化范围都可保持低损失,而老叶型的这一范围约为±20°,这就使得新设计的通流部分在负荷(即流量)变化范围很大时仍有较高的效率,这对机组参加调峰运行非常有利。


图片2.png

图2.  新(左)老(右)叶型比较


2.3高压缸隔板静叶分流叶栅

高压静叶原设计为窄叶片加强筋结构(见图5),由于加强筋的型线与叶型不匹配,特别是早期的汽轮机加强筋数目多,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5),可使叶栅损失大幅度降低,高压级采用分流叶栅可使缸效率提高4%以上。


图片3.png


图3.  高压原设计加强筋叶栅(左)与新设计分流叶栅(右)


2.4弯扭联合成型静叶栅

弯扭联合成型静叶栅,是第四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1.5~2%。这些叶片已在12MW-200MW系列机组通流部分广泛采用。图3是适用于低压缸的弯曲加扭转的叶片,图4是适用于低压末级的根部弯曲、顶部不弯曲(或少许弯曲)、变截面扭转叶片。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甚至更多。


图片4.png

图4. 低压缸通流部分弯扭静叶片         低压缸末级弯扭静叶片

 

2.5新型动叶片型线

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。


图片5.png

图5. 动叶铆接围带(左)与自带围带(右)对比示意图

 

2.6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,还可以加工成凹凸形状构成高、低汽封(参见图5),从而大大减少了漏汽损失。

 

2.7末级根部高反动度设计

通过采用弯扭静叶片、新型动叶片、子午面根部反凹造型、静动叶匹配等多项措施,将设计工况下末级根部反动度提高到25%以上,这就使得末级气动性能大为改善,特别是防止了在低压缸小流量时末级根部通常容易出现的脱流和倒流以及由此带来的动叶根部出汽边水蚀现象,大大提高了低压缸运行安全可靠性,增强了机组调峰和变工况运行能力。

 

2.8铸铁隔板改为焊接钢隔板

隔板设计全部改为焊接钢隔板。焊接钢隔板材质好、叶栅部分加工精度高,能保证静叶栅达到设计气动热力性能,并可延长隔板使用寿命。

 

三、汽轮机通流改造优点

改善汽轮机内部流体通道环境,综合能效提高10%左右;

提高密封性能,减少蒸汽泄漏率;

增强负荷调节和适应能力,低负荷状态下保持较高的运行效率;

增强汽轮机运行的安全可靠性,延长使用寿命。

 

四、工程案例

晋煤集团旗下某煤化工企业,实施B9-8.83/4.9高背压汽轮机节能改造。采用合同能源管理分享型模式,合同期限5年,改造前测得汽耗值为42kq/kwh,发电功率6000kw左右。改造后同等工况下,发电功率8500kw左右,汽耗值降到30kq/kwh以下,节能效率25%以上。


800.png