國產(chǎn)300 MW汽輪機現(xiàn)代化改造

1、國產(chǎn)300 MW汽輪機現(xiàn)代化改造李祥苓1，張文慎1，韓奎政1，1. 山東鄒縣發(fā)電廠，山東 鄒城 273522； 2. 東方汽輪機廠，四川 德陽 618000 山東鄒縣發(fā)電廠是一座現(xiàn)代化特大型坑口電站，始建于1983年，現(xiàn)有裝機容量2 400 MW（4×300 MW +2×600 MW）。其中，1985年到1989年相繼投產(chǎn)的一、二期工程(4×300 MW)汽輪發(fā)電機組是上海汽輪機廠設(shè)計生產(chǎn)的N300-165/550/550型，亞臨界壓力，單軸四缸四排汽，中間再熱，沖動凝汽式汽輪機，適宜帶基本負荷。由于當(dāng)時設(shè)計水平和制造工藝上的局限，該型機組的經(jīng)濟性、可靠性及電網(wǎng)調(diào)

2、峰性能較為低下，已無法滿足目前電網(wǎng)調(diào)峰及市場競爭的需要。為了提高機組經(jīng)濟性和可靠性，降低發(fā)電煤耗，確保企業(yè)效益，鄒縣電廠對300 MW國產(chǎn)汽輪機進行了改造（4號、3號機組分別于2001年5月和2002年4月改造完畢，1號、2號機組改造計劃于2002年9月和2003年2月相繼進行）。汽輪機改造采用了世界上最先進的子午收縮型調(diào)節(jié)級和彎扭馬刀葉片及DEVA自潤滑技術(shù)等一系列設(shè)計和制造上的國際領(lǐng)先技術(shù)。1國產(chǎn)300 MW汽輪機組存在的問題1.1設(shè)計落后限于當(dāng)時計算機技術(shù)水平，在汽輪機通流設(shè)計中，只能采用二元設(shè)計方法（簡單徑向平衡設(shè)計法，不考慮流線曲率和斜率在力平衡方程中的作用）；氣動設(shè)計沒有考慮力場作

3、用下葉片的反扭曲效應(yīng)，造成了較大的能量損失，直接影響了汽輪機通流部分的效率。由于機械加工工藝水平低下，汽輪機子午通流加工工藝粗糙，無法形成光滑的流道，大大增加了附加的渦流損失，降低了汽缸效率。1.2經(jīng)濟性差國產(chǎn)300 MW汽輪機設(shè)計熱耗為8 255.5 kJ/(kWh)，高壓缸效率為83.2%，中壓缸效率為89.65%，低壓缸效率為82.12%，但實際值與設(shè)計值有較大差距，機組大修后的熱耗一般在8 569 kJ/(kWh)以上，最高可達8 778 kJ/(kWh)以上，高壓缸效率實際值為75.9%，中壓缸效率實際值為89%，低壓缸效率實際值為79%，均與設(shè)計值有較大差距，使每臺300 MW機組

4、年均多耗標(biāo)準(zhǔn)煤近3.5萬t，嚴重影響了機組經(jīng)濟性，浪費了能源。1.3高中壓缸膨脹不暢、轉(zhuǎn)子死點前移國產(chǎn)300 MW汽輪機高中壓缸支承方式為中分面上貓爪支承。正常狀態(tài)下，下汽缸通過汽缸法蘭螺栓吊在上汽缸上，汽輪機高中壓內(nèi)外缸及缸內(nèi)隔板和轉(zhuǎn)子等部件的所有質(zhì)量均由1、2、3號軸承箱承擔(dān)。另外，高中壓靜止部分以中低壓缸間的軸承箱死點為中心向前膨脹最大行程達32 mm，因此，1、2號軸承箱負荷重，軸向位移大，而上半貓爪支承造成支承高度和推拉機構(gòu)較高，推力矩偏大，不利于膨脹。汽輪機滑銷系統(tǒng)由臺板、軸承箱壓板、縱向鍵、滑塊組成，工作時向臺板上米字形凹槽中注入高溫潤滑脂進行潤滑，以減少滑動摩擦系數(shù)，由于滑銷系

5、統(tǒng)制造材料硬度不大，潤滑材料可靠性低，構(gòu)成了膨脹滯止，對機組的安全生產(chǎn)構(gòu)成了危脅。汽輪機軸承箱剛性差的底板、端板、側(cè)板的厚度無法抵御汽缸膨脹時產(chǎn)生的軸向推力，使1、2、3號軸承箱拱起，高中壓轉(zhuǎn)子中心偏移，死點前移，造成瓦溫升高而軸瓦損壞（電廠4×300 MW機組多次發(fā)生化瓦停機事故），嚴重危脅著汽輪機的安全運行，降低了機組壽命和效益。1.4軸系振動大國產(chǎn)300 MW汽輪機軸瓦全部采用橢圓瓦，而橢圓瓦對轉(zhuǎn)子振動的抑制能力較差，特別是高中壓轉(zhuǎn)子的軸瓦在機組啟停過程中，振動特別大，嚴重威脅機組安全。1.5機組啟停緩慢國產(chǎn)300 MW汽輪機4個汽缸均為雙層結(jié)構(gòu)，為在啟動過程中減少汽缸各部分的

6、溫差和脹差，高中壓內(nèi)外缸設(shè)有法蘭螺栓和夾層加熱裝置。另外，由于汽缸為中分面上半貓爪支承，汽輪機高中壓下缸及缸內(nèi)下隔板的所有質(zhì)量由汽缸法蘭承受，因此，汽缸法蘭特別寬厚。在機組啟停時，由于要保持汽缸法蘭和螺栓膨脹一致，因而法蘭螺栓加熱裝置的操作是一個復(fù)雜的過程，所以汽缸預(yù)暖緩慢，機組啟停不迅速。1.6通流部分腐蝕嚴重，可靠性差國產(chǎn)300 MW汽輪機高中壓缸通流部分，特別是第一級噴嘴及動葉固體微粒侵蝕嚴重，降低了機組壽命、危脅了機組安全。汽輪機的低壓末級700 mm自由式葉片是20世紀(jì)60年代我國自行設(shè)計的。限于當(dāng)時技術(shù)水平，采用二元設(shè)計法（簡單徑向平衡設(shè)計法，不考慮流線曲率和斜率在力平衡方程中的作

7、用），氣動設(shè)計沒有考慮力場作用下葉片的反扭曲效應(yīng)，動葉型線背弧，出汽邊拱度大，沒有采用平直型跨音葉柵，動葉片僅60片，頂部相對柵距離高達1.13，葉柵軸向沒有蓋度，型損大，根部反動度為-13%（太?。ＴO(shè)計工況就有可能在根部產(chǎn)生回流區(qū)，低負荷工況回流迅速擴大，使排汽損失大大增加，與先進的末級葉片相比，不含余速損失的效率約低8%，經(jīng)濟性較差。汽輪機低壓末級葉片的材料為2Cr13-5，為了提高防水蝕性能，葉片進口背面上部鍍鉻，但實踐證明該工藝抗水蝕性能低下。另外，低壓末級葉片頂部不設(shè)松拉筋或圍帶，在機組運行中自由振動，低溫蒸汽夾帶水滴對葉片進行沖擊與水蝕時葉片強度無法保障。1.7調(diào)節(jié)系統(tǒng)可靠性差以

8、旋轉(zhuǎn)阻尼為信號元件的全液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)阻尼與離心式主油泵軸連為一體，旋轉(zhuǎn)阻尼輸出一次油壓信號通過放大器放大為二次油壓，再經(jīng)過6只油壓轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生的3次油壓分別引入2只高壓油動機、4只中壓油動機供油門的繼動器活塞上部，操縱油動機，控制高壓調(diào)節(jié)汽門和中壓調(diào)節(jié)汽門的進汽量以達到調(diào)節(jié)機組負荷的目的。該系統(tǒng)龐大、復(fù)雜，調(diào)節(jié)速度受制約。由于調(diào)節(jié)系統(tǒng)用油和潤滑系統(tǒng)用油為同一油源，而潤滑系統(tǒng)的清潔度和嚴密性不高，軸封漏汽極易進入軸承箱，油質(zhì)無法保證，而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的活塞、錯油門的間隙配合極為苛刻，已多次發(fā)生因油質(zhì)不合格造成活塞、錯油門卡澀、晃動而事故停機，經(jīng)濟損失巨大，嚴重危脅著機組安全。全液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動化程

9、度低，人工調(diào)節(jié)對機組升速，帶負荷的科學(xué)性、合理性提出了挑戰(zhàn)。2技術(shù)改造 2.1三維粘性氣動設(shè)計體系的應(yīng)用為了設(shè)計世界上最先進的子午收縮調(diào)節(jié)級和彎扭馬刀葉片，必須用三維粘性設(shè)計方法并進行充分的試驗研究。東方汽輪機廠與西安交通大學(xué)及清華大學(xué)合作，分別研制了2種三維粘性設(shè)計軟件，并且引進了英國劍橋DENTON的三維粘性軟件和AEA公司的TASCFLOW軟件對子午收縮調(diào)節(jié)級和彎扭馬刀葉片進行了設(shè)計，使汽輪機的效率得到很大提高。另外，光滑子午流道、分流葉柵技術(shù)、優(yōu)化可控渦技術(shù)、焓降優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用確保了機組較高的經(jīng)濟性。2.2優(yōu)化設(shè)計汽輪機通流，提高機組經(jīng)濟性為了提高機組經(jīng)濟性，汽輪機高、中、低壓通流采用

10、了光滑子午面流道、等根徑設(shè)計，靜葉采用高效后加載層流葉型，薄出汽邊設(shè)計（=0.38 mm），自帶冠彎扭靜葉，焊接隔板。動葉采用國際上最先進的子午收縮調(diào)節(jié)級和彎扭馬刀葉片且自帶冠。有效地提高了機組的經(jīng)濟性，另外葉片在允許的頻率變化范圍內(nèi)不會產(chǎn)生共振并能保證機組長期安全運行。為了減小級間漏汽損失，去除原橢圓汽封，采用引進日立技術(shù)的圓柱汽封。汽封為高低齒尖齒汽封，錐型結(jié)構(gòu)，強度高，并適當(dāng)放大軸向間隙12 mm，避免汽封倒伏，并將彈簧片更換為圓柱形彈簧，使汽封退讓時，具有良好的退讓能力。另外，改進汽封材料，高中壓缸采用鐵素體鑲片式汽封，硬度低，即使碰磨也不淬硬，低壓汽封采用銅汽封。 2.3改進汽缸支承

11、方式，徹底根制膨脹不暢改進高中壓缸的支承方式，對汽輪機高中壓靜轉(zhuǎn)子進行了更換。由上缸支承改為下缸支承，改造后的高壓缸為雙層缸，內(nèi)下缸通過法蘭螺栓吊在內(nèi)上缸上，內(nèi)上缸通過上部4個貓爪搭在外缸上；外下缸為貓爪中分面支承，通過外下缸中分面前后兩端、左右兩側(cè)伸出的個元寶形貓爪搭在軸承箱上，外上缸對正法蘭螺栓孔落在外下缸上。在高壓內(nèi)缸外壁第4級處設(shè)置隔熱環(huán)將內(nèi)外缸夾層空間分為2個區(qū)域，既可降低內(nèi)缸外壁溫差，又可以提高外缸溫度，有利于汽缸膨脹。中壓缸亦采用中分面下貓爪支承且全部采用隔板套結(jié)構(gòu)。總之，高中壓缸所采用的中分面下貓爪支承方式降低了支承高度。另外，在1號軸承箱與高壓缸之間使用了H型定中心梁推拉機構(gòu)

12、，高壓外缸、中壓外缸與2號軸承箱之間的推拉力靠汽缸貓爪橫鍵和縱鍵之間的推拉桿來傳遞，并降低高中壓缸推拉機構(gòu)的高度，減小了推力矩。滑銷系統(tǒng)無論從材質(zhì)還是潤滑方式上都有了質(zhì)的突破，改造后的軸承箱滑動面采用自潤滑滑塊與不銹鋼滑塊配合成滑動副，下滑塊為DEVA自潤滑滑塊，滑塊用螺釘固定在基架上，上滑塊為不銹鋼，用螺釘固定在軸承箱底部，減少了滑動摩擦系數(shù)。另外，高壓外缸前貓爪、中壓缸前后貓爪下的橫鍵兩側(cè)裝有自潤滑墊片，使汽缸能向兩側(cè)自由膨脹，增強了高中壓缸膨脹的可靠性。針對軸承箱剛性差的問題，更換后的軸承箱同時增加了底板、端板、側(cè)板的厚度，底板采用100 mm的鋼板，端板、側(cè)板采用80 mm的鋼板，并將

13、軸承箱設(shè)計成整體框架結(jié)構(gòu)，在軸承箱內(nèi)部軸向、橫向增設(shè)筋板，筋板與側(cè)板連成一體，使軸承箱在軸向、橫向連為框架結(jié)構(gòu)，并增加了軸承箱與基架的連接螺栓數(shù)量，使軸承箱與基架的連接更為牢固，從根本上解決了高中壓缸膨脹不暢引起的軸承箱拱起，死點前移的問題。軸承箱拱起，死點前移又加大了高中壓缸膨脹阻力的惡性循環(huán)。機組改造后，高中壓轉(zhuǎn)子的軸瓦采用振動抑制性能好的可傾瓦，機組啟停過程中及正常運行時，軸瓦振動都保持在安全范圍（見表1）。 表1300 MW機組改造后各軸瓦（112）的技術(shù)指標(biāo) 項目 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 瓦振/m 6 4 5 6 4 12 7 11 14 9 19 6

14、X向/m 10 6 5 8 7 11 11 23 26 12 12 8 Y向/m 4 3 2 4 6 12 13 13 8 24 24 16 瓦溫/ 56.7 56.1 55.3 57.2 58.6 58.3 57.1 56.7 56.7 58.9 56.9 572.4采用高中壓缸聯(lián)合啟動方式為了提高機組啟動靈活性及負荷快速跟蹤能力，高中壓缸中分面采用高窄法蘭，取消了螺栓及法蘭的加熱裝置，采用倒錐螺紋，既可防止螺紋咬死，又簡化了預(yù)暖系統(tǒng)。汽缸與螺栓選材也遵循線脹系數(shù)非常接近的原則，高壓螺栓采用綜合性能優(yōu)良的20Cr1MoVNbTiB鋼。采用高中壓缸聯(lián)合啟動方式，提高了機組的啟動速度。機組啟動時

15、間見表2。 表2高中壓缸聯(lián)合啟動時間 啟動狀態(tài) 沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速時間/min 并網(wǎng)至額定負荷時間/min 沖轉(zhuǎn)至額定負荷時間/min 冷 態(tài) 約110 約250 約360 溫 態(tài) 約25 約115 約140 熱 態(tài) 約20 約75 約95 極熱態(tài) 約10 約50 約602.5提高高中壓缸第一級噴嘴及動葉抗固體微粒侵蝕性能優(yōu)化設(shè)計噴嘴葉型，改變固定微粒沖擊角度；靜葉片出汽邊適當(dāng)加厚(=0.6 mm),表面進行氮化處理；合理配置動靜葉軸向間隙（擴大12 mm），消除動靜葉間固體微粒的多重反射沖擊。另外，調(diào)節(jié)級動葉和中壓第12級動葉采用日立Cr-Mo-Nb-V鋼，提高動葉的耐沖蝕性能。2.6660 m

16、m末級葉片的應(yīng)用660 mm末級葉片的設(shè)計采用高效的851葉型為母型，應(yīng)用先進的三元流動設(shè)計方法和可控渦流型優(yōu)化等較多的先進技術(shù)，確保了660 mm末級葉片的技術(shù)含量和最佳型線，為葉片的高效、可靠奠定了設(shè)計基礎(chǔ)。660 mm末級葉片頂部設(shè)置了圍帶，并重新調(diào)整了低壓缸各級焓降分配，增大了末級焓降。末級葉片改型后，靜葉型線也采用與851動葉配對的靜葉型線模化，且采用彎曲靜葉技術(shù)，焓降分配、速比、根部反動度、動葉進口攻角、動葉出口汽流角等都有較大改善，級效率可提高4%5%。660 mm末級動葉采用拱型圍帶和整圈松拉筋結(jié)構(gòu)，葉根采用五叉葉根，動葉片材料采用具有優(yōu)良阻尼特性的1Cr12Ni2W1MoV，

17、并進行了等離子淬火，提高了葉片抗水蝕能力，確保了660 mm末級葉片具有較高的強度。另外，葉片等離子淬火過程采用計算機控制，其可控性、穩(wěn)定性、精確性和安全保障性，皆優(yōu)于其他工藝方法。660 mm末級葉片以高效851葉片型線為母型，考慮到與母型葉片氣動工況的不完全相似，采用了母型葉片低跨音速部分，并適當(dāng)修改了進口幾何角以適應(yīng)不同的進口汽流。經(jīng)試驗：確認了靜葉柵和動葉柵的高效性，靜、動葉各試驗截面葉型的設(shè)計工況接近最佳工況，且葉型變工況能力較好。660 mm末級葉片在實際安裝與應(yīng)用中,提高了葉片的根部反動度,避免了在低負荷時動葉根部倒流引起的根部沖刷。另外，低壓末級及次末級動葉和隔板采用抗腐蝕和抗

18、濕汽侵蝕的材料（末級、次末級隔板正反板體材料為ZG230-450，導(dǎo)葉材料為1Cr13），汽機設(shè)有足夠的除濕用疏水口，為防止低負荷的回流采用優(yōu)化末級流場。2.7優(yōu)化機組調(diào)節(jié)汽輪機在改造中去除了全液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，安裝了高壓抗燃油全電調(diào)系統(tǒng)（DEH）。DEH是控制汽輪發(fā)電機的實時控制系統(tǒng)，是機組啟停運行和防止事故發(fā)生的重要裝置，采用美國貝利公司的INFI90功能模件和系統(tǒng)軟件構(gòu)成的INFI90分布式控制系統(tǒng)，成熟可靠的INFI90系統(tǒng)已在過程控制的各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，實踐證明INFI90系統(tǒng)安全可靠。高壓抗燃油全電調(diào)的供油系統(tǒng)是一套以磷酸脂抗燃油為工質(zhì)的集裝油箱，主要設(shè)備包括：EH可變量柱塞、控

19、制塊、濾油器、磁性過濾器、安全閥、冷油器、油加熱器蓄能器、空氣過濾器、空氣干燥器、油再生裝置等重要設(shè)備，既保證了油質(zhì)，又保證了油動機快速動作時補充工作油系統(tǒng)安全可靠。DEH的ATS程序可根據(jù)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力、機組振動、脹差、參數(shù)自動設(shè)定目標(biāo)值、速率、負荷率，實現(xiàn)自動升速和升降負荷。升速過程中目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定后，給定轉(zhuǎn)速將按啟動曲線逐步增加，實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速相比較，經(jīng)PI校正后得到閥位設(shè)定值，從而控制閥門開度，使機組平穩(wěn)升速。需暖機時，給定轉(zhuǎn)速保持不變，達臨界轉(zhuǎn)速時，提高升速率，并網(wǎng)時由自動同期裝置TAS自動并入電網(wǎng)。升負荷過程中，目標(biāo)功率設(shè)定后，給定功率將按啟動曲線同步增加，實際功率與給定功率相比較，

20、經(jīng)PI校正后，計算出閥門開度指示，經(jīng)電氣凸輪曲線修正得到閥位指示值，從而控制各閥門開度，使機組平穩(wěn)升負荷，保證了機組啟動速度選擇的科學(xué)性，延長了機組壽命，保證設(shè)備安全。2.8避免了環(huán)境污染改進后的機組采用了軸封自密封系統(tǒng)，減輕了漏汽；推力軸承由球面結(jié)構(gòu)改為垂直向的球面結(jié)構(gòu)，其瓦塊最高溫度不超過90（進瓦油溫45）；運行中距汽輪發(fā)電機組主蒸汽閥、再熱蒸汽進汽閥等設(shè)備外表面1 m處測得燥聲值不大于85 dB（A），包括化裝板。3改造效果3.1改造經(jīng)濟分析鄒縣電廠4號300 MW機組改造后，由山東電力研究院、鄒縣發(fā)電廠、東方汽輪機廠、上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究所共同對其進行考核性試驗，試驗嚴格執(zhí)行AS

21、ME-PT6.0-1996標(biāo)準(zhǔn)，對測點的安裝、元件精度及標(biāo)定方法，試驗結(jié)果的計算處理，試驗的組織和試驗過程中的有關(guān)問題進行了詳細討論，以保證試驗數(shù)據(jù)的可靠有效。試驗儀表精度及機組系統(tǒng)狀況見表3。 表3試驗儀表精度及機組系統(tǒng)狀況 項目 數(shù)據(jù) 主凝結(jié)水流量（采用喉部取壓的長頸噴嘴測量） 標(biāo)定精度0.25級 壓力測量（0.1級或0.2級壓力變送器） 精度為0.075% 溫度測量（0.4級高精度E分度鎧裝熱電偶） 精度為0.25% 功率測量（在發(fā)電機出線兩側(cè)接2臺0.02級的日本橫河2885型功率變送器） 精度為0.05% 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（temp scan） 掃描速度800CH/s 機組系統(tǒng)不明泄漏量（第1次/第2次）/% 經(jīng)多方研究，性能考核試驗以6閥點為基準(zhǔn)，即6閥全開。由于機組進行了DEH改造，使該工況順利實現(xiàn)，試驗共進行了3次。改造后的機組主要技術(shù)指標(biāo)基本達到了制造廠設(shè)計值，