給水泵汽輪機寬負(fù)荷高效技術(shù)方案研究與應(yīng)用

摘

要：以某熱電廠的給水泵汽輪機寬負(fù)荷高效改造工程為例，介紹改造的內(nèi)容和具體方案，包括對低壓調(diào)節(jié)閥、轉(zhuǎn)子、隔板、動葉片、噴嘴組、汽封圈等的改造。對改造后給水泵汽輪機進(jìn)行熱力性能試驗，證明此次給水泵汽輪機寬負(fù)荷高效改造達(dá)到了改造的目的，改造措施對于提高給水泵汽輪機寬負(fù)荷高效靈活運行性能具有較高的實踐意義。關(guān)鍵詞：給水泵；汽輪機；寬負(fù)荷；高效；改造引言為了貫徹落實2020年煤電平均供電煤耗降至每千瓦時310g標(biāo)準(zhǔn)煤以下的要求，一些投產(chǎn)較早、煤耗較高的燃煤發(fā)電廠通過對老舊機組進(jìn)行提效改造來實現(xiàn)節(jié)能減排、提高效益。某熱電廠主機為2×300MW燃煤供熱機組，給水泵汽輪機為某廠設(shè)計生產(chǎn)的TGQ10/6-1型鍋爐給水泵汽輪機，銘牌出力10MW。根據(jù)該廠2018年進(jìn)行的給水泵汽輪機性能試驗，一號機組給水泵汽輪機300MW工況下效率為68.242%，二號機組給水泵汽輪機300MW工況下效率為72.85%，都低于當(dāng)前先進(jìn)水平。1改造目標(biāo)和原則1.1

改造目標(biāo)本項目計劃對機組給水泵汽輪機通流部分進(jìn)行深度定制提效改造，結(jié)合用戶真實運行邊界，采用最新的通流技術(shù)重新優(yōu)化通流設(shè)計，以提高給水泵汽輪機性能，實現(xiàn)小汽機安全穩(wěn)定運行和寬負(fù)荷高效的目標(biāo)。1.2

改造原則在不影響安全和改造效果的前提下，盡可能利用原有設(shè)備，減少改造工作量；采用先進(jìn)的汽輪機改造技術(shù)進(jìn)行本汽輪機的技術(shù)改造；改造后的機組實現(xiàn)改造目標(biāo)，降低維護(hù)成本。小汽機外缸不變，小汽機與給水泵連接方式和位置、現(xiàn)有汽輪機基礎(chǔ)等不變；設(shè)計、制造、檢驗符合標(biāo)準(zhǔn)要求；在保持現(xiàn)有熱力系統(tǒng)以及汽輪機冷再、四抽抽汽能力前提下，通過對小汽機通流部分進(jìn)行改造，達(dá)到提高汽輪機熱效率的目的。2改造技術(shù)方案本次改造有兩個主要目標(biāo)：一是改造后采暖期不使用高壓汽源，避免高壓汽源引入造成小汽機轉(zhuǎn)速波動；二是要求寬負(fù)荷高效，在供暖期和非采暖期小汽機均保持高效。所謂“高效寬負(fù)荷汽輪機”即變工況下依然具有較高的經(jīng)濟性，汽輪機的經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在汽輪機缸效率，而缸效率的高低直接與蒸汽流過葉柵通道損失的大小相關(guān)，很多文獻(xiàn)都對減小葉柵的能量損失進(jìn)行了大量而細(xì)致的研究。葉型載荷特性與其氣動性能密切相關(guān)，葉片載荷特性不同，流經(jīng)葉柵轉(zhuǎn)捩點位置不同，對端部二次流的影響程度差異明顯，從而影響葉柵損失。同時，汽輪機末級焓降大、流動速度高，尤其是動葉通道內(nèi)的超音速汽流，很容易形成強激波，帶來無法避免的激波損失。末級靜葉按照自適應(yīng)性成型規(guī)律能夠影響動靜之間參數(shù)的大小及其沿徑向的分布規(guī)律，從而改變末級的流場特性，降低損失。小汽輪機在變負(fù)荷運行時，因流量、轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，各級速度三角形會偏離設(shè)計值，導(dǎo)致變負(fù)荷性能下降。為解決高效寬負(fù)荷運行問題，本次改造主要從兩方面入手：其一，全面分析小汽輪機所有運行工況，評估各個工況的運行時長及其對電廠整個機組的經(jīng)濟性影響權(quán)重，最終合理選擇一個最優(yōu)工況點作為設(shè)計工況，使變工況對性能的影響降到最小。其二，優(yōu)化小汽輪機葉片設(shè)計，精心設(shè)計進(jìn)汽攻角、反動度，使葉片自身的變工況性能較原設(shè)計得到大幅提升。2.1

確定機組熱力邊界根據(jù)改造要求和機組實際運行情況現(xiàn)場調(diào)研，得到給水泵汽輪機實際熱力邊界和出力需求如表1所示。從表1可以看出，給水泵汽輪機在變工況運行時，四抽壓力隨著主機負(fù)荷降低而降低，疊加抽汽供熱影響，降低幅度更大，導(dǎo)致在40%～75%低負(fù)荷時，四抽參數(shù)降低明顯，比容增加較多，反而超過了THA工況的容積流量，這是本項目機組實際運行的重要特點。2.2

改造方案技術(shù)特點本次改造主要從機組實際運行邊界和需求出發(fā)，實現(xiàn)寬負(fù)荷高效運行，同時解決原機組存在的問題。2.2.1

多級流場計算為準(zhǔn)確獲得小汽輪機在各個運行工況下的整機性能，本次改造進(jìn)行了多級、變工況、全三維黏性流場求解，計算通過求解雷諾平均的Navier-Stokes方程得到，控制方程如下：連續(xù)性方程：動量方程：能量方程：其中，湍流模型采用基于SST模型的κ-ω方程，并結(jié)合自動壁面函數(shù)處理方法，空間離散采用有限體積法，方程采用基于壓力與速度耦合關(guān)系的方法進(jìn)行求解；相鄰兩排葉片通過混合平面模型實現(xiàn)上下游流動數(shù)據(jù)的傳遞。多級計算每排葉片通道網(wǎng)格點數(shù)約30萬。變工況時，根據(jù)機組熱力邊界改變汽輪機進(jìn)口總溫、總壓，改變工作轉(zhuǎn)速和出口靜壓。2.2.2

新型通流葉型優(yōu)化在小汽輪機變工況時，流量、焓降、轉(zhuǎn)速的變化將造成速度三角形改變，使葉片進(jìn)口氣流角偏離設(shè)計值，進(jìn)而造成較大的攻角損失，甚至在葉片內(nèi)背弧發(fā)生流動分離。針對小汽輪機變工況的運行特點，本次改造以氣動性能較好的后加載葉型為母型，優(yōu)化出具有良好攻角適應(yīng)性的高效葉型，以滿足機組寬負(fù)荷高效運行的要求。（1）攻角適應(yīng)性分析：攻角適應(yīng)性主要由葉片進(jìn)汽邊附近的造型決定?；谛∑啓C變工況條件，選取根、中、頂3個典型截面進(jìn)行分析。圖1～圖3給出了3個典型截面攻角與葉型損失的關(guān)系，從圖中可以看出，攻角在±30°范圍內(nèi)，損失系數(shù)變化基本不超過0.5%。根截面葉型在+30°攻角時損失系數(shù)開始增大，但增加值不超過1%。從整體來看，中截面變工況性能最好（損失系數(shù)變化不超過0.2%），而葉片通道葉展中部流量占比較高，這將保證葉片具有較好的整體變工況性能。（2）馬赫數(shù)適應(yīng)性分析：馬赫數(shù)適應(yīng)性主要由葉片喉部之后的型線決定，本文計算了小汽輪機100%THA及常用工況75%THA下整個流場情況，以末三級葉片根、中、頂三個截面的馬赫數(shù)為例，計算結(jié)果如圖4～圖6所示。精心設(shè)計優(yōu)化葉片背弧喉部下游型線的彎曲變化，可使葉型在不同工況馬赫數(shù)條件下都具有較低的葉型損失系數(shù)。如圖7～圖9所示，在本文計算的小汽輪機變工況馬赫數(shù)范圍內(nèi)，葉片根、中、頂三個截面的葉型損失系數(shù)變化較小。2.2.3

給水泵汽輪機通流選型優(yōu)化（最大出力）由于給水泵汽輪機的出力用于驅(qū)動給水泵，故理論上小機最大的輸出功率對應(yīng)給水泵的最大出力，而給水泵的出力可以由主機鍋爐的上水量、揚程等參數(shù)確定。在此基礎(chǔ)上考慮給水泵的效率、小機與泵之間的傳遞損失等功率損耗，并預(yù)留一定百分比的功率余量，即可確定給水泵汽輪機的最大功率。原電廠設(shè)計時，給水系統(tǒng)的設(shè)計水量為1

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m3/h，考慮了10%余量，給水泵容量在給水系統(tǒng)設(shè)計容量的基礎(chǔ)上再考慮10%的余量，故選定給水泵出口流量為1

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m3/h，揚程為2190m，因此改造前小汽機最大出力定型為12MW。本次改造對電廠實際運行情況進(jìn)行了充分調(diào)研，改造后小汽機通流選型對應(yīng)的最大出力優(yōu)化為10MW，實現(xiàn)與小機實際運行出力需求的最優(yōu)匹配。2.2.4

閥門優(yōu)化設(shè)計選用成熟且已優(yōu)化完成的閥門型線，匹配好流動狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)主蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度和數(shù)量，可降低流動損失，減少調(diào)閥寬負(fù)荷工況的節(jié)流損失。由表2可知，原設(shè)計低壓汽源調(diào)門為8個φ85的蒜頭閥，過流速度超過規(guī)范值，閥門節(jié)流損失大。改造采用8個φ100的球形閥，過流速度比改造前降低了27.7%，減少過流閥門損失約1%，汽機效率提升約1%。2.2.5

變轉(zhuǎn)速末級葉片選型優(yōu)化低壓末級通流面積大、葉片高，葉片通流部分根部和頂部的流動差異非常大，因此末級動、靜葉片的型線以及彎扭規(guī)律的優(yōu)劣相對于壓力級顯得更為重要。氣動設(shè)計上，需要保證額定工況和變工況整個運行范圍內(nèi)都具有較高的氣動性能。在進(jìn)行末級葉片設(shè)計開發(fā)時，對其變工況性能給予了特別關(guān)注。如圖10所示，選用的末級葉片余速損失在所有工況均優(yōu)于改造前。通常意義上來講，年平均負(fù)荷較大、背壓較低的機組可選擇末級葉片長一些，但是具體選擇何種末級葉片受多種因素影響，其中機組年平均負(fù)荷的影響較背壓的影響要大得多。因此對改造機組來說，在背壓一定的情況下，配合機組常年運行負(fù)荷區(qū)間選擇合適的末級葉片，對于改造機組保持寬負(fù)荷經(jīng)濟性具有重要意義。2.2.6

汽封技術(shù)優(yōu)化原有汽封是高低齒結(jié)構(gòu)，且經(jīng)過一段時間的運行，汽封間隙因汽封摩擦、變形而增大。本項目汽封采用鑲齒片的結(jié)構(gòu)，配合獨特的轉(zhuǎn)子凸臺，具有良好的密封效果。通流葉頂汽封推薦使用常規(guī)梳齒結(jié)構(gòu)，配合獨特的圍帶凸臺設(shè)計，具有良好的密封效果。3改造效果本項目完成改造后，在整個供熱季高壓汽源均沒有參調(diào)，保證了機組的安全運行穩(wěn)定。和改造前比，給水泵汽輪機效率有了較大幅度提升，限于現(xiàn)場條件目前只完成了THA工況性能試驗，給水泵汽輪機缸效高達(dá)83.9%，達(dá)到了本次改造的目標(biāo)值，具體數(shù)據(jù)如表3所示。4結(jié)語本文從多方面論述了為