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標準煤以下的要求[1],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計生產(chǎn)的TG○10/6-1型鍋爐給水泵汽輪機,銘牌出力10Mw。根據(jù)該廠2018年進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%,都低于當前先進水平。

1改造目標和原則

1.1改造目標

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

1.2改造原則

在不影響安全和改造效果的前提下,盡可能利用原有設備,減少改造工作量:采用先進的汽輪機改造技術進行本汽輪機的技術改造:改造后的機組實現(xiàn)改造目標,降低維護成本。小汽機外缸不變,小汽機與給水泵連接方式和位置、現(xiàn)有汽輪機基礎等不變:設計、制造、檢驗符合標準要求: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行改造,達到提高汽輪機熱效率的目的。

2改造技術方案

本次改造有兩個主要目標: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速波動:二是要求寬負荷高效,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,很多文獻都對減小葉柵的能量損失進行了大量而細致的研究。葉型載荷特性與其氣動性能密切相關,葉片載荷特性不同,流經(jīng)葉柵轉換點位置不同,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,汽輪機末級恰降大、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。

小汽輪機在變負荷運行時,因流量、轉速發(fā)生變化,各級速度三角形會偏離設計值,導致變負荷性能下降。為解決高效寬負荷運行問題,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)濟性影響權重,最終合理選擇一個最優(yōu)工況點作為設計工況,使變工況對性能的影響降到最小。其二,優(yōu)化小汽輪機葉片設計,精心設計進汽攻角、反動度,使葉片自身的變工況性能較原設計得到大幅提升。

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荷降低而降低,疊加抽汽供熱影響,降低幅度更大,導致在40%~75%低負荷時,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K-o方程,并結合自動壁面函數(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系的方法進行求解: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口總溫、總壓,改變工作轉速和出口靜壓。

2.2.2新型通流葉型優(yōu)化

在小汽輪機變工況時,流量、恰降、轉速的變化將造成速度三角形改變,使葉片進口氣流角偏離設計值,進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性的高效葉型,以滿足機組寬負荷高效運行的要求。

(1)攻角適應性分析:

攻角適應性主要由葉片進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系,從圖中可以看出,攻角在±30o范圍內(nèi),損失系數(shù)變化基本不超過0.5%。根截面葉型在＋30o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)適應性分析:

馬赫數(shù)適應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,計算結果如圖4~圖6所示。

精心設計優(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動給水泵,故理論上小機最大的輸出功率對應給水泵的最大出力,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。

原電廠設計時,給水系統(tǒng)的設計水量為1165m3/h,考慮了10%余量,給水泵容量在給水系統(tǒng)設計容量的基礎上再考慮10%的余量,故選定給水泵出口流量為1280m3/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行了充分調(diào)研,改造后小汽機通流選型對應的最大出力優(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)閥寬負荷工況的節(jié)流損失。

由表2可知,原設計低壓汽源調(diào)門為8個小85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個小100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。在進行末級葉片設計開發(fā)時,對其變工況性能給予了特別關注。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荷區(qū)間選擇合適的末級葉片,對于改造機組保持寬負荷經(jīng)濟性具有重要意義。

2.2.6汽封技術優(yōu)化

原有汽封是高低齒結構,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構,配合獨特的轉子凸臺,具有良好的密封效果。通流葉頂汽封推薦使用常規(guī)梳齒結構,配合獨特的圍帶凸臺設計,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83.9%,達到了本次改造的目標值,具體數(shù)據(jù)如表3所示。

4結論

本文從多方面論述了為提高給水泵汽輪機寬負荷高效靈活運行性能所進行的研究工作和成果,總結如下:

(1)對于小型汽輪機的提效改造,調(diào)研和掌握其實際運行情況和確定數(shù)據(jù)十分重要,這是后續(xù)優(yōu)化設計的依據(jù)和基礎。

(2)通過定制化高效通流設計,給水泵汽輪機實現(xiàn)寬負荷高效運行,缸效相對值提升10%以上,缸效絕對值(83.9%)也達到了國際先進水平,充分證明了電廠大型輔機設備給水泵汽輪機的節(jié)能潛力。