给水泵汽轮机高背压供热改造技术研究及应用

2017-04-24栾俊蒋建平高鹏

综合智慧能源 2017年3期

关键词：通流叶型背压

栾俊，蒋建平，高鹏

(1.华能济南黄台发电有限公司，济南 250002；2.山东泓奥电力科技有限公司，济南 250002)

给水泵汽轮机高背压供热改造技术研究及应用

栾俊1，蒋建平1，高鹏2

(1.华能济南黄台发电有限公司，济南 250002；2.山东泓奥电力科技有限公司，济南 250002)

针对330 MW机组的给水泵汽轮机高背压供热改造，提出了保证机组运行稳定性与经济性的技术措施，对同类型机组的节能降耗具有一定的指导作用。

高背压;供热;给水泵汽轮机;热力系统优化;稳定性

0 引言

高背压供热是指提高汽轮机排汽压力从而提高循环水温度用以供热的技术，这也是响应国家“十三五”发展规划的节能减排目标、满足地区冬季供暖需求的一项重要措施。50 MW以下小型凝汽式汽轮机高背压(即低真空度)供热改造已有较多的成功案例[1]，150 MW等级汽轮机高背压供热改造第1台机组是由华电十里泉电厂实施，300 MW等级汽轮机高背压供热改造首个项目是由华电青岛发电厂实施[2]，近年来已有黄台、裕华、清苑、大连等多个电厂开展了300 MW等级汽轮机的高背压供热改造。300 MW汽轮机高背压供热改造采用双转子互换技术，供热季与非供热季采用不同的低压转子，与之配套的给水泵汽轮机采用同一转子适应2个极端工况，这样就对给水泵汽轮机改造提出了更高的要求。

高背压供热改造后主机凝汽器压力在冬季供热时高达54 kPa，夏季仅为5 kPa，给水泵汽轮机排汽通过排汽接管进入主机凝汽器，其排汽压力随主机凝汽器背压变化。给水泵汽轮机排汽容积流量在冬季与夏季相差达5倍，末级处于“阻塞”和“脱流”状态之间，排汽温度的变化对轴系也有较大的影响。由于给水泵汽轮机采用双汽源保证运行稳定[3]，汽源切换方式也是高背压供热改造需重点考虑的内容。为保证给水泵汽轮机高背压供热改造的稳定性与效率，需要从轴系、叶片设计等方面进行综合研究[4]。

华能济南黄台发电有限公司#8机组于2016年进行了高背压供热改造。改造后供热期给水泵汽轮机排汽压力升高到55.7 kPa，采用了最新的通流技术重新设计通流部分，以适应2个背压工况的高效率运行需要及出力要求。

1 给水泵汽轮机改造前性能方面存在的问题

华能济南黄台发电有限公司#8机组配置的2台给水泵汽轮机为上海汽轮机有限公司生产的ND(G)83/83/07型凝汽式汽轮机，该汽轮机设计成型年代早，叶片型线设计技术比较落后，通流叶型损失、二次流损失较大，同时汽轮机通流部分子午面光顺程度较差，流动损失较大。本机原设计为匹配湿冷方式，最大运行背压一般不大于15.0 kPa，当背压升高到55.7 kPa时，受通流能力所限，无法满足主机高背压供热条件下的额定出力。

2 给水泵汽轮机改造原则

为控制改造工作量和现场施工周期，维持系统稳定性，降低后期维护成本，在不影响运行安全和改造效果的前提下，尽可能利用原有的设备和结构，给水泵汽轮机的基础、外缸、低压进汽系统、排汽系统、轴承接口、输出接口等原有设备均不做变动。

改造后的机组在非供热期纯凝工况和供热期高背压供热工况均能安全、高效、长期运行，能够匹配主机各种运行方式下给水泵的负荷要求。

3 给水泵汽轮机改造特点

非供热期纯凝工况和供热期高背压供热工况下，给水泵汽轮机的最大出力基本一致，但由于高背压供热工况下排汽焓比纯凝工况下要高240 kJ/kg左右，故在同样进汽参数和给水泵汽轮机出力的条件下，高背压供热工况要求更大的进汽流量。

在压力级设计上，高背压供热工况下排汽质量流量较纯凝工况要增加50%左右，但由于对应排汽参数下纯凝工况排汽比容为高背压供热工况下的7倍左右，故纯凝工况下要求更大的排汽面积，如图1所示。

图1 压力级改造后通流示意

在满足匹配机组运行需求，不改变原机组汽缸结构的前提下，对内部通流进行了优化。

3.1 通流结构优化

根据最佳速比设计原则调整通流几何尺寸，通过调整叶片高度和角度优化汽机通流。为了获得更好的速比匹配，通过增加部分级的导流环或调整进汽边围带长度来减少级间动静间隙。

3.2 通流光顺

高低压所有动叶片均采用自带围带整圈联接结构，动叶围带设计为外斜内平结构，按流道形状进行光顺设计，动叶片根部及相邻静叶片根部与顶部也进行光顺设计，使通流子午面形成几何光滑的锥形膨胀通流截面，以减少流动损失。

3.3 动叶型线优化

改造后机组效率的提高主要是靠GE改进型SCHLICT叶片设计来实现的。前4级动叶使用SCHLICT系列的SC直叶型，其余长叶片选用SCHLICT系列的L-0和L-1型三维可控涡弯扭叶型，该叶型除了具有很小的叶型损失外，还具有很好的攻角适应性，叶型效率在很宽的攻角范围内变化很小，因而使得机组在纯凝工况、高背压供热工况下及很大的负荷变化范围内都具有高效率。

动叶型线优化后，汽轮机可以在较大的变工况运行范围内保持较高的效率，并且能够降低动叶的激振力，提高机组的安全性。

3.4 分流叶栅

短叶片采用美国通用公司的A4C系列截面叶型，该叶型适应高雷诺数低膨胀比设计。改造后的短叶片级采用优化的分流叶栅技术，结构如图2所示；同时，针对给水泵汽轮机复杂的变工况特性进行专门设计，合理选取大小叶片结合的方式和比例，既能增加隔板强度又能减少流动损失，且将变工况攻角损失控制在一定范围内，从而提高机组的变工况效率。

图2 短叶片级分流叶栅

3.5 弯扭叶片

长静叶片采用GE的N系列低雷诺数大膨胀比的三维弯扭联合成型叶片，能够将壁面的气流压向中间的主流，从而有效减少二次流损失，提高级效率；同时进行了非定常优化，减少二次流损失，提高级效率。

3.6 蒸汽泄漏控制

将隔板汽封、叶顶汽封及平衡孔结构纳入叶片流场设计和分析中，多通流部件、多蒸汽泄漏部件的流场分析如图3所示，既保证最小的蒸汽泄漏量，又使得泄漏蒸汽对主流的干扰最小，保证通流效率。

图3 多通流部件、多蒸汽泄漏部件的流场分析

3.7 定制化的喷嘴设计

给水泵汽轮机低压进汽为提板式配汽，改造前各阀所对应的喷嘴组内叶栅采用相同的叶片型线，流量随阀门开启近似呈线性增加。在高背压供热与纯凝运行工况下，进汽流量变化幅度极大。为保证高背压工况输出功率，在纯凝工况下存在很大的节流损失和部分进汽损失，性能下降很大，对动叶片也产生复杂的蒸汽激振，严重影响了机组的安全运行。

若采用常规设计方法设计喷嘴结构，在纯凝工况下阀门开度较小，部分进汽度也较小，调节级焓比下降很大，使得调节级效率下降；在高背压运行工况，进汽量增加50%以上，调节级效率变化幅度也很大，不能保证高效率，同时调节级焓比下降的大幅度变化会导致动叶片所承受的蒸汽弯应力大幅度变化，影响动叶片的长时间安全运行。

本次改造的喷嘴叶栅根据各工况不同的蒸汽量，综合考虑改造前蒸汽室隔筋的分布，分别设计各个进汽弧段的喷嘴叶栅叶片。按照不同工况对应的流量变化，调整叶片的出汽角，使得调节汽阀的节流压力损失最小，并保证进汽弧段与叶片的光顺连接，使得同一弧段的相邻叶片形成收敛通道。

改造后的低压喷嘴可同时兼顾纯凝工况下的高效率与高背压工况下的进汽量需求，通过各调节阀对应的不同进汽弧段上定制化设计的叶片来匹配不同运行工况下的通流能力，结构简单且运行可靠。

3.8 高压汽源的配置

考虑到低压汽源所用的主机四段抽汽(中压缸排汽)若出现蒸汽参数降低，或给水泵效率由于老化等原因在实际运行过程中较设计值出现明显下降，所需蒸汽流量会有所增加。尽管低压喷嘴的通流能力留有一定余量，但上述情况出现后，仍有可能在高背压抽汽工况下出现机组出力不足的情况。为保证机组在极端情况下仍能满足出力需求，增设了高压进汽系统。

高压汽源利用主机高压缸排汽管路抽汽，经过高压汽源主门和调门后，接入汽机下部原高压蒸汽室，相当于增加了一路外切换补充汽源。同时将机组原钻孔式高压喷嘴改造为叶栅式喷嘴，既能提高高压喷嘴的流通能力，也大幅提高了喷嘴的效率。