A157型亚临界汽轮机通流改造技术应用

A157型亚临界汽轮机通流改造技术应用

张岩

（珠海横琴能源发展有限公司广东珠海519000）

摘要：主要对A157型亚临界600MW汽轮机通流综合升级改造技术应用进行介绍。从改造后的汽轮机通流改造设备的设计特点、关键部套的结构设计、轴系分析与计算以及应用效果等四个方面进行介绍，展示了A157型机组改造的技术特色与应用实效，以期为同类似机组的通流改造工程实施及设计优化提供参考指导。

关键词：通流改造、设计特点、应用实效、参考指导

OptimazationtechnologiesofA157Subcritical600MWTurbine

WANGYonggang，CAOJianjun

（GuangdongGuohuataishanCoal-firedPowerPlant，Postcode：529228）

Abstract：TheretrofittingtechnologiesofA157Subcritical600MWTurbinearecomprehensivelypresented.Fourkeyaspectsareinvolved，whichincludeDesignfeaturesoftheturbineflowpath，Designofthemainturbinestructure，Shaftsystemanalysisandcalculation，Optimizationeffectsofturbineflowpathretrofitting.Itprovidesveryimportantreferenceandguidanceinthefieldof600MWTurbineFlowPathretrofittingprojecanddesignoptimization.

Keywords：turbineretrofittingtechnology；Designfeatures；Optimizationeffects；referenceandguidance.

序言

A157型亚临界汽轮机是上海汽轮机厂20世纪90年代末引进美国西屋公司技术研制生产的，额定功率为600MW，额定参数为16.7MPa/538℃/538℃，为一次中间再热、单轴、四缸四排汽纯凝式汽轮机。原通流设计级数58级，其中高压缸为1个调节级＋11个压力级，中压缸为2×9个压力级，低压缸为2×2×7压力级，除调节级外均为采用可控涡反动式叶片。

受限于机组设计时的制造工艺水平和技术局限，该机型普遍存在热耗率高于设计保证值的问题，热经济性指标大幅落后于当前国内标杆机组，不能满足《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020年）》（发改能源[2014]2093号）中“现役60万千瓦及以上机组改造后平均供电煤耗低于300g/KWh”的政策性要求[1]，有必要利用当前最新技术进行升级改造，降低能耗水平。

1.A157型机组通流结构设计特点

压力级叶片型线及通流布局优化，提高通流效率

采用先进、成熟的整体通流设计技术，对压力级的型线进行优化；在外缸不变的前提下，适当增加叶片级数，合理优化通流布局，使机组焓降分配更加合理【2】；采用全三元气动设计体系中的标准设计流程和设计准则，使各级动、静叶的成型设计完全满足流场气动性能的要求。

叶片型线上，高中低压叶片级（末三级及调节级除外）均采用整体围带形式的弯扭马刀型高效动、静叶片，降低二次流损失。动、静叶片均全切削高精度加工、单片铣制，具有强度好、动应力低、抗高温蠕变性能好的特点；调节级动叶采用的三叉三销三胞胎成组结构。

通流布局上，机组高压通流级由原来1个调节级＋11个压力级优化为1个调节级+12个压力级；中压通流级由原来2x9个压力级优化为2x11个压力级；低压缸由2x2x7个压力级优化为2x2x8个压力级或者根据末级叶片的选型继续维持2x2x7个压力级的设计。

在型线优化及通流布局优化过程中，综合了叶片选型、差胀间隙设计、叶顶围带和叶根设计等功能，实现通流效率与强度的自动匹配，差胀安全性和效率的自动匹配。

采用整体式内缸，优化密封结构，消除部件漏汽

将原高压内缸和高压静叶持环整合成一个整体的高压内缸（见图1.2-1），减少部件之间的配合面，消除部件漏汽，提高密封性能（见图1.2-2）；仍通过原有的定位结构与外缸轴向定位，仍采用原有的支承键方式实现垂直方向的定位，继续采用原有外缸顶部与底部的键槽实现横向定位，保证改造安装的便利性。

图1.2-4中压内缸密封性能计算云图

将原机组复杂的双层低压内缸升级为单层斜撑式内缸（见图1.2-5）。其斜撑式单层内缸将传统的垂直径向隔板向进汽中心线倾斜，通过一块有孔的覆板连接径向隔板的内侧端部，组成一个可以满足抽汽要求的封闭平行四边形腔室（见图1.2-6）；通过布置少量的中分面螺栓，即可利用汽缸的热胀达到自密封的效果；斜撑式单层内缸斜向布置的隔板在轴向方向上的投影增长，能使轴向的温度梯度分布更均匀。

图1.2-6斜撑式内缸平行四边形抽汽腔

整体式高中压内缸及单层低压内缸替代传统复杂的双层低压内缸，减少了装配配合面，减少了现场的装配及调整工作量，同时减少了内漏点；内缸螺栓材料的升级、法兰的优化、特殊斜撑结构的应用，提高了密封性能。

高效汽封合理选配，降低级间漏汽

高中压通流汽封均采用先进的汽封设计理念，结合精细化的轴向通流设计，采用多齿镶片式汽封。相比原型机，各级动叶片顶部均增加径向汽封齿齿数，在转子上也设置镶齿，与隔板汽封形成多齿迷宫式汽封；中压各级动叶片围带加工成带有凸台的结构，与静叶持环上的高低齿汽封相配合；调节级动叶叶顶径向汽封由两道增加到五道高低齿迷宫汽封，减小漏汽，提高调节级效率。平衡活塞汽封采用布莱登汽封，有效解决机组上下缸温差大的问题，增加机组启动灵活性。考虑到端部汽封体下半拆装难度较大，改造中保留原有汽封体，仅更换新形式的汽封环。在汽封环脖颈处两侧留有余量，待现场转子装配完毕之后，测量转子城墙齿与汽封槽轴向距离，在制造厂去除汽封环余量，确保汽封环轴向定位的准确性。

无叶片通流区域优化，降低流动损失

对汽轮机各汽缸进、排汽区域进行流场分析，最大限度的降低压损，进一步提高机组效率。

（1）使用先进的CFD软件，根据实际的进汽参数与进汽量分析计算，优化蒸汽室内腔型线，提高蒸汽室内腔型线效率（见图1.4-1和图1.4-2）。

图1.4-3低压缸三段式渐缩进汽结构

（3）对高中低压缸排汽流道进行流场分析计算，对高压静叶持环排汽蜗壳进行优化；对中压正反向#2静叶持环排汽蜗壳及中压端部内汽封体进行顺滑优化，降低流动损失；根据末级叶片的选用，对原排汽涡壳上的排汽导流锥割除，并现场更换成优化设计后的导流锥，以适应改造后的末级叶片和最大限度地提高静压回收系数，降低机组排汽损失。

末三级叶片合理选配，提高机组运行经济性

末三级叶片在低压缸内做功占比较高、圆周速率高、承受着最大的离心力，往往是机组强度校核中最为主要的关注因素，宜选用制造厂成熟、可靠的末叶片系列，并结合机组设计背压、负荷率及利用小时数等边界要求进行合理选配。选用的基本原则是以机组额定及变工况加权经济性能最优为目标。改造时，可根据电厂负荷情况及背压条件，适当调整权重系数，以加权热经济性能为指标选择最优方案，不宜盲目追求额定负荷状态下的最佳经济性能。A157型600MW亚临界湿冷机组适用系列有1050mm系列、905mm系列和915mm系列。三个系列叶片在背压5.88KPa边界条件下热耗特性对比见表1.5-1。

图2.3-2改造后低压缸剖面图

3.轴系分析与计算

轴系性能与机组的安全性与稳定性密切相关，除受轴承形式和轴承几何参数的影响外，主要受转子结构本身结构的影响。对于改造机组，重新根据新转子结构对各轴承承载能力、横向振动性能、扭振性能进行计算与分析尤为重要。

轴承静态性能

A157型机组各系列改造方案，高中缸基本相同，主要差异在于低压末三级叶片不同系列选用带来的低压缸改造方案。不同系列的改造方案中，#1-#4轴承比压基本相同，而低压转子对应#5-#8轴承比压差较大。915mm末三级系列低压转子与1050mm末三级系列低压转子对#5-#8轴承影响基本相当，但静载荷高于改造前；905mm末三级系列低压转子对应的#5-#8轴承载荷最轻，静载荷与改造前基本相同。改造前后，#1-#2轴承静载荷基本不变，#3-#4轴承静载荷由于取消中压转子冷却蒸汽从而转子中部直径加大，轴承比压相比改造前增加13%左右，详见表3.1-1。

备注：定州#1改前改后末叶片及背压均为905mm/5.0KPa.a；台山#5改前末叶片及背压为905mm/5.88KPa.a，改后为915mm/5.8KPa.a；宁海#4改前末叶片及背压为905mm/4.9KPa.a，改后为1050mm/4.5KPa.a；沧东#1改前末叶片及背压为905mm/4.9KPa.a，改后为1050mm/4.0KPa.a。

5.改造结论

1）在整体通流设计技术支持下，A157型汽轮机通流布局得到了优化，焓降分配合理，叶型得到优化升级，机组效率得到显著提升。

2）内缸一体化设计及单层斜撑式低压内缸的应用与螺栓材料的升级，使得高温部件密封性能显著提升，结构性漏汽得以消除，设备安装检修更为简便；

3）转子的优化设计，兼顾通流效率、强度及差胀控制自动匹配设计，汽轮机的启动灵活性和稳定性得到显著提高。

4）兼顾机组中低负荷的末叶片选型设计，有利于保证全负荷段的热经济性。

5）通过汽轮机通流改造考核试验验证，A157型机组通流改造技术稳定，具有良好的可复制性。

A157型机组改造具有显著的经济效益、社会效益及示范效应，值得推广，其在设计、制造、安装、调试过程中形成的大量实践经验与成果总结，将为后续同类机组以及具备相同模块机组的通流改造实施与设计优化提供重要参考。