更新改造大型汽轮机时的热力学考虑

1、更新改造大型汽轮机时的热力学考虑摘 要：一直以来，发电机组的更新改造都是电力公 司、工业企业和独立发电厂的焦点问题。通常，借此可以获 得原设备制造厂商（ OEM ）“如新”的性能水平， 或采购其 更新改造产品。本文介绍了恢复或提高现役汽轮机性能的一 些新途径。通过新开发的涡轮机械通流部分设计、分析和优 化软件 AxSTREAM 可以保证对现役汽轮机气动参数和热力 参数的分析能力以及对原有叶型调整的能力。关键词：大型汽轮机 ;更新改造 ;热力学1 引言 当今，化石燃料发电厂的二氧化碳排放是引起全球环境 污染的主要源泉之一。根据最新数据得知，约占全球发电量 的 67% 都是利用化石燃料。 大多数化

2、石燃料发电厂都安装额 定功率为1001000MW的汽轮机。近几年来，汽轮机的发 电量约占全球总电量的 80%。日益增长的能源需求要求汽轮 机的原设备制造商及其服务公司在设计和更新改造方面加 大投入，以向电力公司提供高效率的汽轮机，以节省燃料， 提高出力，降低排放。2 原始汽轮机模型的说明?原始汽轮机的技术数据如下：?额定功率 =160MW?汽轮机前进汽压力 =124.5bar?汽轮机前进汽温度=536 C?进汽质量流量 =139kg/s?转速 =3600rpm?冷凝器压力 =0.0556bar?再热温度 =536C?3缸结构：高压缸（双列调节级 +7 级），中压缸（7级）， 低压缸（ 6 级）

3、?高压缸和中压缸为合缸结构，低压缸为双流结构?回热抽汽：中压缸中有 3 个抽汽点（ 3kg/s， 3.96kg/s，3.6kg/s），低压缸中有2个抽汽点（3.85kg/s）本文介绍了高 /中压段的重新设计和更新改造，因此， 仅建立了高中压合缸的模型用于分析。3 汽轮机中压缸的重新设计3.1 中压缸重新设计的任务 汽轮机重新设计的第一步目标是由于中压缸前增加了 抽汽点，导致参数变化，故必须进行中压缸的调整和优化。 鉴于循环改进项目要求在高压缸后、 再热器前增加一个 30% 流量的抽汽点，所以必须根据其上游新的质量流量参数来重 新设计中压缸。中压缸重新设计的限制规定如下：1）保持叶片的根径不变，

4、以使更新后的叶片仍然能 安装在原先的叶轮上。 （ 2）不要超出现有汽缸的径向和轴向 尺寸。（3）叶片数量最少化。3.2 中压缸重新设计的研究本节专门介绍对中压缸重新设计的研究。如上所述，目 前唯一的限制就是要求轮毂直径不变。其余的几何参数，包 括各种角度和高度在内，都没有严格的限制。所以，在按照 新的参数开始进行中压缸重新设计时，应用了下列初始参 数：（1）中压缸进口滞止压力=22.4bar （对原始模型进行热 力计算而得）。（2）中压缸进口滞止温度 =536 C。（ 3）中压 缸出口静压=5.86bar。（4）中压缸进口质量流量 =97.53kg/s< （5）中压缸轮毂直径是常数 =1

5、100mm。 （6）叶顶最大直径 =1390mm。（ 7）级数=7按照边界条件和限制条件，通过初步设计允许创建新的 通流部分。中压缸的初步设计准则是使其产生最大功率。根 据上列数据准备了若干设计方案，并进行比较以获得能满足 所有几何限制条件、出口能量损失最小的的最佳设计，也即 最佳的末级出汽角。当选定设计方案后，必要时可以进行汽 封、间隙、平衡孔及各级轴向和径向尺寸的调整，以满足实 际条件。中压缸必须进行热力计算，以便对汽轮机的性能作 最终评定。中压缸性能之所以能得到如表所列的改进主要是 通过对其通流部分进行下列调整：改变了中压缸各级的叶高和喉部尺寸，从而改善了其中 的流动状况 ; 调整了叶片

6、进口角度， 使非最佳冲角损失降到最 小值 ;改进了间隙和汽封，从而降低了漏汽损失 ;重新进行了 各级间的热降分配，均衡了它们的比功率;调整了末级出汽角，从而降低了出口能量损失。为比较原始中压缸和重新设计中压缸，可以以重新设计 前后的各级出力和效率为例。重新设计后的中压缸能更好地 适应改变后的蒸汽压力和质量流量。通过各级叶片高度和角 度的全面重新设计和改进汽封，使中压缸出力比原始设计增 加了 6.54MW 。4 汽轮机高压缸更新改造的评定 上面已经示出了循环更新改造后的高压缸参数变化情 况。在增加了抽汽点后，高压缸后的蒸汽压力从 32.13bar 降 至 22.19bar ，高压缸的出力也相应从

7、 40MW 增至 51.6MW 。 当中压缸重新设计后，计算表明高压缸的出力增至 53.55MW 。为了改进出口压力已经改变的高压缸性能，需要 进行重新设计的可行性研究。改造高压缸的主要要求如下： ?必须保持高压缸原有动静 叶的直径及高度 ; 必须保持质量流量 140kg/s 不变。鉴于这些 要求，设计者只能改进叶型。高压缸重新设计时的主要问题 是：任何改变都会对已经重新设计的中压缸实际参数产生影 响。所以，高压缸的任何调整和改进都必须与中压缸一起进行，并一起进行评定。5 最终设计评定 进行了最终设计评审，确认在高压缸和中压缸进行了全 面更新改造之后，能确保它们在各种工况下都可靠的运行， 所有

8、各种更新改造的可能性均在现有的范围内得到了实现。 以下为对高压缸更新改造的内容如下：?调整了第 3和 4 级静叶的进口几何角，以及第 5到 7 级动叶的进口几何角 ;利用实验设计法优化了第 3 和 4 级静叶 的出汽角。在高压缸后增加了一个 30%流量的抽汽点，因此 高压缸和中压缸之间的压降分配有所改变，即高压缸的压降 增大，而中压缸的压降减小。在高压缸变化后按照新的进口 参数进行了中压缸的改型设计以实现升级改造： ?采用初始设 计程序完成了中压缸的重新设计 ;改变了叶片高度、进口角 度、喉部尺寸和叶片数量 ;改进了间隙和密封。 重新设计后的 通流部分性能如表 1 所列。表 1 重新设计后的高

9、压缸和中压缸的性能结束语 本文介绍了大型汽轮机在改变了蒸汽参数以及在高压 缸后增了一个 30%流量抽汽点后进行重新设计的全部步骤。 为建立汽轮机模型进行了 3D 扫描，利用新的数据提取法识 别了新的叶型特性。完成了所要求的汽轮机数据采集和处理 过程，并对汽轮机模型进行了分析和优化。对原始汽轮机的 状态进行了评定，作为重新设计前后对比的基准。在重新设 计过程中，采用初始设计程序对中压缸进行了全面改进。其 级数、径向和轴向尺寸均保持不变，以便利用原有的汽缸和 叶轮。这些改进有助于使中压缸出力增加了 6.54MW ，并且 使高中压缸的最终总功率达到 92.1MW 。在此进行的分析表明在重新设计中可以使用各种方法 和途径，主要取决于重新设计任务的复杂性、要求和现有的 制约条件，以及需要达到的目标。汽轮机可以采用重新设计 各汽缸的方