第３９卷第４期 热力透平 ＴＨＥＲＭＡＬ ＴＵＲＢＩＮＥ Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．４ ２０１０年１２月 Ｄｅｃ．２０１０ ３００ＭＷ汽轮机的通流部分改造 张东梅，张岚 ’ （上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，上海２００２４０） 摘要：主要介绍了望亭电厂１１号３００ＭＷ汽轮机的通流部分改造，通过对高中压缸汽封等进行改进、改型， 表明漏汽量大大减少，汽缸效率提高，热耗、煤耗降低，从而达到降低发电成本的目的。本文改造事例证明，该 项目在技术上首次综合应用迷宫式蜂窝汽封和布莱登汽封，并在喷嘴组下半水平结合面增加密封键，已取得 显著效果。为后续通流改造项目提供了成功的经验。 关键词：３００ＭＷ汽轮机；通流部分；改造；效率提高 中图分类号：ＴＫ２６７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—５５４９（２０１０）０４—０２５５—０３ Ｆｌｏｗ Ｐａｔｈ Ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｉｎｇ ｏｆ ａ ３００ＭＷ Ｓｔｅａｍ Ｔｕｒｂｉｎｅ ＺＨＡＮＧ Ｄｏｎｇ—ｍｅｉ，ＺＨＡＮＧ Ｌａｎ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｐｌａｎｔ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｐａｔｈ ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ３００ＭＷ ｓｔｅａｍ ｔｕｒｂｉｎｅ ｉｎ Ｗａｎｇｔｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ Ｎｏ．１ １ ｕｎｉｔ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｉｎｇ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ＨＰ—ＩＰ ｓｅａｌｉｎｇ ｅｔｃ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｅａｍ ｌｅａｋａｇｅ ｉｓ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｌｓｏ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｏｆ ｃｏｓｔ—ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｉｎｇ ｃａｓｅ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｓｉｎｃｅ ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ ｌａｂｙｒｉｎｔｈ ｓｅａｌ ａｎｄ Ｂｒａｎｄｏｎ ｇｌａｎｄ ｓｅａｌ ｗｅｒｅ ｆｉｒｓｔ ａｐｐｌｉｅｄ ａｎｄ ｓｅａｌ ｋｅｙ ｗａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｈｏｒｉｚｏｎｔＭ ｊｏｉｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｚｚｌｅ ｂｌｏｃｋ． Ａｌｓｏ，ｔｈｉｓ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ａｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｏｒｆ ｆｏｌｌｏｗ—ｕｐ ｌｆｏｗ ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｉｎｇ ｐｒｏｊｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ３００ＭＷ ｓｔｅａｍ ｔｕｒｂｉｎｅ；ｆｌｏｗ ｐａｔｈ；ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｉｎｇ；ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ １ 机组介绍 望亭电厂１１号机组是上海电气电站设备有 限公司上海汽轮机厂制造的国产引进型３００ＭＷ ２ 改造内容 ２．１ 高中压缸汽封改进、改型 缸效率降低、热耗增加的原因之一是汽封间 隙及漏汽量偏大，为此，我们对高中压缸汽封作了 如下改进、改型： 亚临界汽轮机，该机组于１９９７年６月正式投入商 业运行。长期运行后，机组受动、静汽封磨损，通 流部分结垢等因素影响，整个机组的运行性能水 平较差，高、中压缸效率远低于设计值，２００８年的 实际运行供电煤耗比设计值高９％以上。根据电 厂提高效率，降低热耗煤耗的要求，在尽可能使现 有机组缸体结构保持不变的基础上，２００９年８ 月，我们对本机组通流部分进行了改造，并取得预 期效果。本文以望亭电厂１ １号３００ＭＷ汽轮机为 （１）迷宫式蜂窝汽封的应用 改造中压２号静叶持环汽封时，在不改变原 装配方式和定位的情况下采用了高低齿迷宫式蜂 窝汽封，如图１所示。主要设计思想是：在原迷宫 结构中，保留高齿，在低齿地方用蜂窝带填满。高 低齿迷宫式蜂窝汽封是蜂窝技术和迷宫汽封的结 合，其密封效果是迷宫效应和蜂窝效应的综合组 成。该结构有以下优点： １）汽封的密封原理是通过多级节流膨胀以 ， 改造事例，叙述了本改造项目的成功案例，其改造 措施可供同类机组参考。 收稿日期：２０１０—０７—０１ 修订日期：２０１０—０８—１０ 作者简介：张东梅（１９７８一），女，毕业于哈尔滨工程大学热力涡轮机专业，学士，工程师，从事大型火电汽轮机设计开发工作。张岚 （１９７９一），女，毕业于合肥工业大学热力动能专业，学士，工程师，从事汽轮机设计开发工作。 ￥ＩＩＩ囫 第４期 汽＇流万同 —－－－－－—－－－—－——— 图１ 蜂窝汽封结构示意图 消耗汽流能量而产生阻尼效果，从而达到减少蒸 汽沿轴向问隙泄漏之目的。传统迷宫式汽封由于 齿问为环形腔室，环向流动大大减少了涡流降速 效果，其阻汽效果较差，泄露量较大，无法达到理 想的密封效果；而迷宫式蜂窝汽封由于无数个蜂 巢棱状的正六边形小孔（芯格）的综合阻滞作用， 致使进入密封腔室内的汽流能量迅速耗散，并在 蜂窝孔端部与轴径表面的缝隙问由轴高速旋转产 生一层汽膜直接阻止了汽流的轴向流动，以上两 种阻尼相叠加产生了较强的阻尼，使湍流阻尼作 用更强，汽流速度降低更大，从而达到良好的密封 效果，如图２所示。在同样的压力和间隙条件下， 迷宫式蜂窝汽封与传统迷宫式汽封相比，可减少 约３０％～５０％的泄漏损失。 图２蜂窝汽封密封原理不意图 ２）蜂窝带边缘很薄，如果直接受汽流冲刷容 易损坏，所以在高压侧，在最外边保留了高齿起到 保护作用，有效地防止了工质对蜂窝带边缘的冲 刷伤害。 ３）在安装过程中，高齿高度大于蜂窝带，因 此可以有效地避免蜂窝带被异物撞击损坏。 ４）由于没有改变原汽封环的装配方式和定 位方式，而改造后又采用可调整式，因此现场可以 方便快捷地进行调整安装，大大缩短了改造工期。 （２）布莱登汽封的运用 改造中，高压进汽平衡活塞、高压排汽平衡活 ｌ圈囊 ３００ＭＷ汽轮机的通流部分改造 塞和中压进汽平衡活塞处采用了布莱登汽封。布 莱登汽封取消了传统汽封背部的板弹簧，取而代 之的是在每圈汽封固定弧段端面处加装了４只螺 旋弹簧，被称作布莱登弹簧，如图３所示。布莱登 弹簧和弹簧孑Ｌ深将根据每级汽封所受压力的特性 来精确计算。自由状态下，在弹簧弹力的作用下 汽封弧块处于张开状态而远离转子；机组启机时， 随着蒸汽流量的增加，作用在每圈汽封弧块背部 的蒸汽压力逐步增大，当这一压力足以克服弹簧 应力、摩擦阻力等时，汽封弧块开始逐级关闭，直 至全部汽封处于工作状态，始终保持与转子的最 小间隙值运行；停机时，随着蒸汽流量的减小，在 弹簧力的作用下，汽封弧块远离转子，使汽封与转 子的径向间隙达到最大值。由于机组超过临界转 速时振动最大，因此汽封最大的磨损发生在机组 启停机时，尤其是在冷态的启动过程中。布莱登 汽封通过机组在启动停机过程中蒸汽参数的变 化，自动调整汽封与转子的工作间隙，在机组启停 机过程中间隙较大，从而有效地避免转子与汽封 的摩擦，在机组正常运行时间隙较小，减少了蒸汽 的泄漏。 工作时汽封辨汽侧视图 图３布莱登汽封 （３）高压隔板汽封的更换 高压隔板汽封磨损使隔板汽封与转子之间的 间隙变大，漏汽量增加，改造时，对该部分汽封进 行了全部更换，使汽封径向间隙恢复到设计值，这 对提高高压缸效率起到了积极作用。 （４）高压喷嘴组改进 望亭电厂ｌＩ号机组原喷嘴型号为２１９５（１）， 本次喷嘴改造只改喷嘴，不改动叶，主要考虑到最 新型的动叶叶根是三叉三销结构，无法安装在现 ３００ＭＷ汽轮机的通流部分改造 高压转子上，而只能安装在现高压转子上的动叶， 相对于现动叶，其效率提高仅有０．３％。所以此 次改造只改喷嘴。 喷嘴组优化的主要内容是： （１）在喷嘴顶部增加了３圈汽封环，并将汽 封径向间隙从２．５ｒａｍ减小至１．２ｒａｍ，大大减少了 漏汽； （２）适当调整喷嘴通流面积，尽量使机组在 满负荷时除一个调门关闭外其余调门处于全开位 置，减少调门节流损失； （３）喷嘴材料升级，将原材料１Ｃｒ１２Ｍｏ改为 ２Ｃｒｌ２ＮｉＭｏｌＷ１Ｖ，增强了叶片对蒸汽中颗粒的抗 冲刷能力； （４）在喷嘴组下半水平结合面增加了密封 键，使漏汽减少。此次望亭改造是首次在喷嘴组 中采用密封键，并取得良好效果，完全可以直接推 广到后续改造项目中。 ２．２高压进汽插管结构改进 高压进汽插管在钟罩式密封环外侧增加了两 道压力密封环，密封环有缺口的那个端面朝着漏 汽汽流的方向，使密封环没有缺口的那个端面在 蒸汽压力的作用下紧贴密封环槽的端面以形成有 效密封，防止蒸汽外漏，如图４和图５所示。 图４ 改造前高压进汽插管 ２．３ 中低压连通管改型 在早期的３００ＭＷ机组中，中低压连通管仍 然采用老式弹性补偿板结构，此次改造是更换为 新型虾米弯设计和带波纹管膨胀节形式的连通 管。通过在每个斜接的弯管中装入一组导流叶片 环使汽流平稳地改变方向。在低压进汽口前后部 热力透平 图５ 改造后高压进汽插管 位，连通管上有两个波纹管组件，用大拉杆拉住， 形成压力平衡膨胀节。由波纹管组件来吸收热胀 变形，而由拉杆来承受汽压产生的力ｄ压力平衡 膨胀节通过冷拉，减小了在汽轮机运行期间连通 管的应力和汽缸的作用力。所以该新型中低压连 通管具有压损小、热应力小的特点。而冷拉在制 造厂内就可以进行，无须在现场冷拉，这使得安装 时间减少，改造工期缩短。图６所示为中低压连 通管改造前后对比图。 萨 改造前 改造后 图６中低压连通管改造前后对比图 ３改造后效果 通过以上内容的改造，机组漏汽量大大减少， 高压缸效率提高了１．５１％，中压缸效率提高了 ３．３４％，热耗降低了１８２ｋＪ／ｋＷ・ｈ，使发电煤耗下 降了６．１ｇ／（ｋＷ・ｈ）左右，若按年发电量１７亿 （ｋＷ・ｈ）计算，每年可节约标煤１０３７０吨左右， ＣＯ２排放量约减少２７０００吨、ＳＯ 排放量约减少 １６９吨、ＮＯｘ排放量约减少７３吨。改造后效果表 明，设备运行更加安全可靠，经济效益和社会效益 明显 ４对后续通流改造项目的意义 该项目成功完成了对望亭电厂１１号汽轮机 组通流部分的改造，使通流部分径向（下转第２７３ ｙｉ／） 甏 蠢ｌ团 变转速５００ｍｍ叶片的强度振动有限元分析 热力透平 自锁叶片考核的重点。为了准确获得工作转速下 围带、凸台的接触状态，本文用有限元方法对围 ４ 结论 （１）应用ＡＢＡＱＵＳ程序，采用八节点减缩积 带、凸台的紧度进行了分析。表２列出了几个接 近锁紧的转速下围带和凸台的接触应力。 表２主要转速下围带和凸台的最大接触应力 内弧侧围带背弧侧围带内弧侧凸台背弧侧凸台 转速ｒ／ｍｉｎ 最大接触 最大接触 最大接触 最大接触 分单元以及相邻围带、凸台接触面之问干摩擦力 作用的边界设置对超超临界１０００ＭＷ机组给水 泵汽轮机的末级５００ｍｍ叶片进行了振动特性计 应力／ＭＰａ 应力／ＭＰａ 应力／ＭＰａ 应力／ＭＰａ 算。频率特性与专用设计程序的结果基本一致。 （２）接触应力计算表明在２８００ｒ／ｍｉｎ转速， ５００ｒａｍ叶片已为整圈连接。给水泵汽轮机设定 的工作转速范围２８００～６０００ｒ／ｍｉｎ是合适的。 （３）计算结果表明在３８００ｒ／ｍｉｎ、４６００ｒ／ｍｉｎ 由表２数据以及专用程序的计算结果均得到 了如下一致的结论：按５００ｍｍ叶片的设计间隙， 凸台上的接触应力大于围带的接触应力；凸台比 围带先锁紧。 如何判断叶片已处于整圈锁紧状态，工程上 有各种经验准则，例如根据不同叶片动振动试验 的转速和频率特性数据，可将接触应力达到 １１ＭＰａ以上作为判断相邻围带、凸台之间已经锁 及６０００ｒ／ｍｉｎ附近将分别出现１阶６、５、４节径，３ 个三重点共振点。按变转速运行的特点，５００ｍｍ 叶片不可避免地在这３个三重点共振转速下运 行，从安全性角度，下一步有必要采用ＡＢＡＱＵＳ 程序进行动力响应的分析计算。 参考文献： ［１］，彭泽瑛．复杂阻尼结构对９１Ｏｍｍ整圈自锁叶片振动 特性的影响［Ｊ］．热力透平，２００７，３６（３）：１５８—１６３． 紧的准则。从表２可见，按此准则，２４００ｒ／ｍｉｎ时 围带和凸台已经锁紧，满足该变转速叶片最低工 作转速为２８００ｒ／ｍｉｎ的设计要求。锁紧状态分析 ［２］褚玉喜，陆伟．整圈自锁叶片的设计及其动静频试验［Ｊ］． 上海汽轮机，２００２（３）：ｌ５—２０． ［３］刘展．ＡＢＡＱＵＳ６．６基础教程与实例详解［Ｍ］．北京：中国 水利水电出版社，２００８，２． 表明，叶片围带和凸台的间隙设计是合理的。 （上接第２５７页）间隙减小，漏汽量大大减少，降低 措施也可以直接应用到其它同类型机组中。目前 已经应用的电厂有汉川２号机改造、杨柳青改造 等，并都取得了良好效果。此项成果也可以推广 应用到其它类型的机组改造中，这对提高汽缸效 了热耗、煤耗，同时提高了汽缸效率，达到了低发 电成本的目的。尤其是迷宫式蜂窝汽封和布莱登 汽封的综合应用，以及在喷嘴组下半水平结合面 增加了密封键，成为了此次改造的关键技术，在我 厂尚属首创。 率，降低热耗、煤耗有明显的效果，不仅可降低发 电成本，同时会产生节能减排的社会效益。 参考文献： ［１］蔡颐年．蒸汽轮机［Ｍ］．西安：西安交通大学，２００７． 根据经济持续发展的要求，“节能减排”已成 为电力企业的一项重要工作内容。在这种形势 下，我国建设比较早的大批３００ＭＷ机组由于运 行时间长，系统及通流部分由于动、静汽封磨损严 ［２］柯丽娜．铁素体蜂窝式密封在汽轮机中应用［Ｊ］．机电技术， ２００８（２）：５３—５５，６６． 重等原因，致使运行热耗和煤耗指标明显上升，这 已成为电力企业关注的重点。本改造项目的成功 提供了一个行之有效的解决案例，所采用的改造 ［３］盛伟，刘旭东，卫运钢．蜂窝汽封流场及泄漏特性的数值模拟 研究［Ｊ］．汽轮机技术，２００９，５１（３）：２０１—２０３，２４０． 鼍一圆
