00MW Proposal0 1.docx

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100MW汽轮机通流改造说明书

龙威发电技术服务有限公司

中国北京

1目录

2100MW机组状况分析

3改造措施及方案

4高压缸通流改造的技术特点

5低压通流改造的技术特点

6经济性比较

1100MW机组状况分析

1.1国内运行的国产100MW汽轮机的现状

国产的100MW机组分为两种类型，一种是哈尔滨汽轮机厂五、六十年代生产的05#（BK-100-2）型机组，此种机型共生产了7台，与后来设计生产的新100MW机组比较，其特点是6级回热（低压部分只有一级抽汽），低压第2、3级隔板直接安装在汽缸上。

新的100MW机组哈汽是43#型，共生产了51台，北重是N07型共生产了73台。

新老100MW机组均采用双列调节级。

高压共14个压力级，低压2×5个压力级。

采用7级回热系统，低压2级抽汽，分别在第1级和第3级后，低压部分采用了与国产三排汽200MW机组低压部分完全相同的结构。

机组的设计热耗是2210Kcal/Kw.h，而实际热耗都在2230-2300Kcal/Kw.h之间。

1.2100MW汽轮机热耗高和效率低的原因

100MW汽轮机受当时设计与制造水平的限制，其性能已经远落后于当代汽轮机的水平。

效率低的主要原因有以下几个方面：

1）双列调节级效率低

国产100MW汽轮机均采用双列调节级结构。

双列调节级焓降约为49.1kcal，占高压缸总焓降的23%。

调节级喷嘴展弦比小，二次流损失是调节级效率低的主要原因。

100MW机组在设计时还没有成熟的减少二次流的有效措施。

2）叶型陈旧，叶型损失大

100MW机组叶片所采用的叶型是前苏联四十至五十年代开发的，与当代新叶型相比气动性能差，叶型损失大，效率低。

3）通流流道子午面不光顺

高压缸后段和低压缸通流流道是阶梯形通道，顶部容易产生脱流，根部容易产生冲击，加大了通流损失。

4）动静之间和级间不匹配

动静之间匹配不佳，增加了叶片的攻角损失。

某些级焓降分配不合理，没有充分考虑相邻级间的相互影响，导致整体通流参数偏离最佳值，降低了通流效率。

5）拉筋多，围带少，增加了流动损失

100MW汽轮机所用长叶片普遍采用了拉筋结构并且无围带，这些结构增加了叶顶漏汽和绕流损失，

6）低压缸蒸汽湿度大也是影响效率的原因

1.3100MW汽轮机现代化改造的必要性

根据调查，目前100MW汽轮机运行年数在30年以上的有9台，运行年数在20年以上的有60台左右，运行年数在15年以上的有近百台。

这些机组除效率低外，大部分机组其运行寿命己超过或接近设计使用寿命，因为机组老化大大降低了安全可靠性和启停灵活性，同时也降低了机组的效率。

尤其是低压部分，因其长期工作在湿蒸汽区，锈蚀，水蚀，冲蚀更为严重。

据一些电厂反应，100MW机组的低压隔板因为长期水蚀，静叶的叶根叶顶已经裸露，严重威胁机组的安全运行。

这些机组实行全面的现代化改造对于其运行的安全可靠性，启停灵活性和提高电厂的经济性，是非常必要的。

2.1改造措施及方案

2.2改造原则

2.1.1方案：

更换高压缸和高压转子，调节级改为单列调节级，高低压通流部分改造；

2.1.2改造后的汽轮机进、排汽参数不变；

2.1.3改造后的汽轮机回热系统不变，各段抽汽量及抽汽参数服从现有加热器及疏水泵、凝结水泵出力的要求；

2.1.4高、低压转子长度及轴承跨距不变；

2.1.5推力轴承和各支持轴承不更换，推力盘不变，转子重量、轴承推力及轴承比压服从原推力轴承和支持轴承的要求。

2.1.6高压排汽口的轴向和径向位置及出口法兰连接螺栓孔的分布服从原高低压连通管的要求；

2.32.1.7改造设备与改造范围外各设备的接口（含基础台板）保持不变。

2.4高压缸改造的部件

2.2.1高压缸缸体；

2.2.2调节级喷嘴；

2.2.3高压隔板套；

2.2.42-16级高压隔板及隔板汽封圈；

2.2.5高压整锻转子；

2.52.2.61-16级动叶片；

2.6低压缸改造的部件

2.3.117-26级动叶片；

2.3.217-26级叶轮；

2.3.3低压缸隔板套；

2.3.4低压缸隔板及汽封圈；

2.3.5分流环；

2.3.6去水环；

2.3.7高、低压转子联轴器；

2.4改造后机组的主要技术指标和性能

2.4.1汽轮机级数及末叶片有关数据

高压转子：

16级（单列调节级+15个压力级）

低压转子：

2×5级

末级叶片长度：

665mm

末级叶片环形面积：

4.178m2（单排）

汽轮机总长：

13.86m

冷凝器冷却面积：

6815m2

2.4.2性能值（额定负荷）

（1）汽轮机热耗为：

8841.7kJ/kW.h（2111.8kcal/kW.h）

（2）各缸效率：

高压缸效率：

≥88.7%

低压缸效率：

≥82.8%

2.5采用的主要技术措施

2.51通流部分全三维气动热力设计概念与方法

七十年代以来特别是近十年来，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、更新。

目前，以一维/准三维/全三维气动热力分析计算为核心的汽轮机通流部分设计方法已趋于成熟，以弯扭联合成型全三维叶片为代表的第三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（可控涡设计）提高约1.5%。

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等都在积极研制弯扭叶片的新一代汽轮机，有的已有产品投入市场。

在100MW机组通流部分现代化改造设计中采用中国科学院项目热物理研究所几十年科研工作的基础上研究开发的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。

图1为该设计体系的结构框图。

图1.多级汽轮机通流部分设计体系结构图

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、动叶栅内部流动进行全三维计算分析与设计优化

•对高、低压缸多级汽轮机各级静、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。

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100MW机组通流部分现代化改造设计的高水平和高质量。

2.5.2主要新技术

在100MW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、转子中采用了下列具有当代先进水平的新技术。

2.5.2.1新一代“后加载”高效静叶型

这是八十年代后期国外开始研制的新一代高效率透平叶型，其突出特点是：

•叶片表面最大气动负荷在叶栅流道的后部（传统叶片则在前部）

•吸力面、压力面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

理论分析和实验验证均表明“后加载”系列叶型的效率大大高于老100MW机组中使用的传统叶型。

图2、图3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2.新（左）老（右）叶型比较

图3.前加载叶型和后加载叶型典型的马赫数分布图

2.5.2.2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1.5~2%。

弯扭叶片在100MW机组通流部分广泛采用。

图4是适用于高压缸的两端弯曲加扭转的叶片，图5是适用于低压部分的根部弯曲、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4.高压缸通流部分弯扭静叶片

图5.低压缸末级、次末级弯扭静叶片

2.5.2.3高压隔板分流静叶栅

在双列调节级改单列调节级方案中，因为高压前几级压力比原双列调节级压力高，所以在高压通流部分2~3级采用了新叶型的分流叶栅结构（图6），来代替传统高压通流的窄叶片加强筋结构。

这种分流叶栅比窄叶片加强筋结构损失小。

高压级采用分流叶栅可使缸效率提高2.5%以上。

图6.加强筋叶栅（左）与新设计分流叶栅（右）

2.5.2.4调节级子午面收缩静叶栅

子午面收缩汽道可有效降低静叶栅二次流损失，一般可使调节级效率提高1.5~2%。

子午面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，因为其相对叶高很短（一般l/b≤0.4），二次流损失占叶栅总损失比例很大，因此采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。

新设计的100MW高压缸调节级（双列改单列）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7是子午面收缩静叶栅示意图。

图7.调节级子午面收缩静叶栅示意图

2.5.3通流部分结构新设计特点

为提高机组改造后的安全可靠性，进一步减少流动损失提高机组效率，并改善机组的调峰性能，在100MW机组通流部分现代化改造设计中也广泛采用了汽轮机结构方面的许多新技术，这些技术已为国内、外各大汽轮机制造厂广泛采用，并证明是行之有效的，这些新技术主要有：

2.5.3.1利于机组快速起停的高窄法兰汽缸

国产双缸双排汽100MW机组原设计高压内外缸都为宽法兰结构，为控制法兰内外壁温差，防止产生过大的温度应力，缩短机组启动时间，改造后的高压外缸和高压内缸法兰都将按引进技术改为高窄法兰结构（见图8），取消法兰加热装置。

图8高窄法兰结构示意图

2.5.3.2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，并通过不同方式，如预扭装配、焊接或在围带部分采用特殊结构使动叶片形成整圈联接（见图9）。

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。

图9.动叶铆接围带（左）与自带围带（右）对比示意图

2.5.3.3通流子午面光顺

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。

2.5.3.4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9），从而大大减少了漏汽损失。

2.5.3.5取消拉金

因为自带围带整圈联接动叶片具有优良的抗振强度特性，使传统动叶片中用于调频的拉金一般均可取消，从而取消了拉金造成的绕流阻力和损失。

通常取消一条拉金可使级效率提高1%。

2.5.3.6合理增加动静部分间隙

100MW老机组是按基本负荷机组设计的，受当时条件限制，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高压缸通流改造的技术特点

图10给出了高压缸改造前后的通流图，高压通流部分有如下设计特点：

（改造后双列调节级）

图10高压缸改造前后的比较

3.1新型“后加栽”静叶叶型

新设计的单列调节级100MW机组，其高压部分所有压力级隔板静叶片均采用“后加载”新叶型。

3.2弯扭静叶片

单列调节级100MW机组的高压缸9~16级共8个压力级的静叶全部采用弯扭联合成型叶片。

弯扭静叶采用精密铸造工艺和专用数控机床加工，加工精度高。

图11是采用弯扭叶片的100MW机组高压缸隔板成品的照片。

图11.采用弯扭静叶片的高压隔板

3.3新型动叶片型线

原高压缸所有动叶片均采用前苏联老叶型，这种叶型表面由分段圆弧组成，在接点处曲率半径有突变，造成速度分布不光滑，使叶型损失增加。

新设计动叶叶型改善了速度分布，减小了动叶损失。

3.4自带冠动叶片

高压各级动叶片顶部均采用自带冠结构。

内斜外平结构，动叶片形成整圈连接，安全可靠，通流子午面光顺损失减小。

3.5多齿汽封

所有各级动叶顶部汽封均由原设计的两片增加为四片，可减少漏汽损失。

3.6高窄法兰汽缸

改造后的高压缸法兰都将按引进技术改为高窄法兰结构（参见图8），取消法兰螺栓加热装置，这样有利于机组快速起停，增强调峰能力。

4低压通流改造的技术特点

低压缸通流部分改造前后的剖面图见图12，低压通流部分气动热力与结构设计特点如下：

图12低压缸改造前后的通流结构比较

4.1新型“后加栽”静叶叶型

低压1~5级静叶叶型原设计为前苏联老叶型，本现代化改造1~5级静叶均采用气动性能更好的新型“后加载”叶型。

4.2弯扭静叶片

为了提高低压缸效率，低压1~5级均采用弯扭静叶片。

其中前三级为复合弯扭，即静叶根、顶部均有一定弯角，其造型与图10相似。

低压末级与次末级焓降约占低压缸总焓降的一半，其内部流动存在超音速区，采用弯扭叶片可大幅度降低流动损失。

因为叶片顶部存在大的扩张角，末级与次末级静叶弯扭叶片具有特殊的“J”造型（见图5），图13是采用这种弯扭叶片的隔板成品照片（已经成功地用于200MW和100MW低压缸）。

图13低压缸末级弯扭静叶隔板

4.3新型动叶叶型

低压1~5级动叶采用高效叶型代替前苏联老叶型。

4.4末叶根部高反动度设计

通过均采用弯扭静叶片、新型动叶片、子午面根部反凹造型、静动叶全三维匹配等多项措施，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，特别是防止了在低负荷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，增强了机组调峰运行能力。

4.5自带围带

低压1~5级动叶顶部均为自带围带、内斜外平结构，动叶片形成整圈连接，安全可靠，通流子午面光顺损失减小。

4.6铸铁隔板改为焊接隔板

低压1~5级隔板原设计均为铸铁结构，新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。

4.7多齿汽封

低压1~4级动叶顶部汽封均由原设计的两片增加为四片，末级增加三片汽封齿，这样可减少漏汽损失。

4.8增大前三级根径

5低压1~3级原设计速比偏小，影响级的热力性能。

新设计将1~3级根径适当提高，使速比接近冲动式汽轮机的最佳值，提高了级效率，流道亦趋于光滑。

6经济性比较

龙威发电技术服务有限公司利用北京全三维动力项目有限公司的先进技术对国产100MW汽轮机组的改造具备2种方案：

1个是保留原有的高压缸、高压转子、采用双列调节级的方案。

此方案可以减小制造方面的工作量，降低改造成本。

不利的是高压缸效率和整机热耗的改善相对小一些。

而且老的高压缸对于机组的调峰能力也有所限制；第2个方案是换掉原有的高压缸、高压转子、采用单列调节级的方案。

此方案会增加制造方面的工作量，改造成本较高。

对于高压缸效率和整机热耗改善大，新的高压缸也可以较好的改善机组的调峰能力。

另外，按每台机组改造后热耗降低105Kcal/KWH、功率110MW、年运行小时6000小时、标煤x元/吨计算，每台机组电厂可多收益：

（105Kcal/KWH×110000KW×6000H）/（7000Kcal/Kg×1000）×xRMB/T=0.99x（万元）

标煤x元/吨

收益（万元）

200

198

300

297

400

396

500

495

上述收益是较保守的一种估计，并未计入机组扩容后铭牌功率增加10MW的收益。

2种方案的差异见以下列表：

方案1

方案2

改造部件

高、低压通流部分

不换高压缸、转子

高、低压通流部分

换掉原有的高压缸和高压转子

结构特点

双列调节级

单列调节级、高压缸采用高窄法兰

额定工况缸效率

高压缸88%；低压缸82.4%

高压缸88.7%；低压缸82.8%

额定工况整机热耗

2124Kcal/Kwh

2112Kcal/Kwh

优缺点的比较

制造成本低、高压缸效率提高少、热耗降低少、机组的调峰能力没有改善

制造成本高、高压缸效率提高多、热耗降低多、可改善机组的调峰能力

注：

改造工期（含运输时间）不超过45天，从电厂在现场将低压转子交给龙威开始，至改造全部完成具备开机条件止。