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汽輪機(jī)節(jié)能改造技術(shù)

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汽輪機(jī)節(jié)能改造技術(shù)一、汽輪機(jī)通流改造概述隨著葉輪機(jī)械氣動(dòng)熱力學(xué)和汽輪機(jī)通流部分設(shè)計(jì)概念與手段迅速發(fā)展與更新，目前，以氣動(dòng)熱力分析計(jì)算為核心的汽輪機(jī)通流部分設(shè)計(jì)方法已成熟，以彎扭聯(lián)合成型為代表的第四代通流設(shè)計(jì)已進(jìn)入工業(yè)化實(shí)用階段，其效率比第二代汽輪機(jī)提高約5%

詳細(xì)介紹

汽輪機(jī)節(jié)能改造技術(shù)

一、汽輪機(jī)通流改造概述

隨著葉輪機(jī)械氣動(dòng)熱力學(xué)和汽輪機(jī)通流部分設(shè)計(jì)概念與手段迅速發(fā)展與更新，目前，以氣動(dòng)熱力分析計(jì)算為核心的汽輪機(jī)通流部分設(shè)計(jì)方法已成熟，以彎扭聯(lián)合成型為代表的第四代通流設(shè)計(jì)已進(jìn)入工業(yè)化實(shí)用階段，其效率比第二代汽輪機(jī)提高約5%。目前，世界上幾乎所有大型汽輪機(jī)制造廠家如三菱、ABB、GE、日立、東芝、西門子、GEC-ALSTHOM等都在生產(chǎn)彎扭葉片的新一代汽輪機(jī)產(chǎn)品投入市場(chǎng)。這一設(shè)計(jì)體系主要特征是：

1、對(duì)每一排靜、動(dòng)葉片不同截面葉型的流動(dòng)性能進(jìn)行詳細(xì)的全四維計(jì)算分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化；

2、對(duì)每一排靜、動(dòng)葉柵內(nèi)部的流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化；

3、對(duì)高、中、低壓缸多級(jí)透平各級(jí)靜、動(dòng)葉片排的相互匹配進(jìn)行精確流場(chǎng)計(jì)算與設(shè)計(jì)優(yōu)化。

上述改造需要大量的計(jì)算分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化，這些都是首先在現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)上由、可靠的計(jì)算機(jī)軟件來完成，所有的靜、動(dòng)葉片都是采用的CAD軟件在電子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行全三維造型。然后，還對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，在驗(yàn)證了其性能的性之后，再由制造廠采用的工藝加工制造出來的。

在汽輪機(jī)通流部分現(xiàn)代化改造中，老機(jī)組的全部靜、動(dòng)葉片都將被更換，在新的隔板、轉(zhuǎn)子中采用了具有當(dāng)代水平的新技術(shù)。

二、汽輪機(jī)通流改造主要內(nèi)容

2.1更換調(diào)節(jié)級(jí)子午面收縮靜葉柵

子午面收縮降低靜葉柵二次流損失，一般可使透平級(jí)效率提高1.5-2%。子午面收縮是一種全四維設(shè)計(jì)概念，其主要優(yōu)點(diǎn)是降低靜葉柵通道前段的負(fù)荷，減少葉柵的二次流損失。對(duì)于調(diào)節(jié)級(jí)靜葉柵，由于其相對(duì)葉高很短（一般l/b≤0.4），二次流損失占葉柵總損失比例很大，因此使用子午面收縮的收益相當(dāng)可觀，這對(duì)提高高壓缸效率十分重要。在新設(shè)計(jì)高壓缸調(diào)節(jié)級(jí)中采用了子午面收縮靜葉柵，經(jīng)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可使調(diào)節(jié)級(jí)效率提高1.7%。

圖片1.png

圖1. 子午面收縮靜葉柵示意圖

2.2新型“后加載"靜葉葉型

理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證均表明這一新葉型的效率大大高于老機(jī)組中使用的傳統(tǒng)葉型。圖1、圖2是新、老葉型以及其表面速度分布的比較。特別應(yīng)指出的是，“后加載"葉型在來流方向由－30°到+30°的變化范圍都可保持低損失，而老葉型的這一范圍約為±20°，這就使得新設(shè)計(jì)的通流部分在負(fù)荷（即流量）變化范圍很大時(shí)仍有較高的效率，這對(duì)機(jī)組參加調(diào)峰運(yùn)行非常有利。

圖片2.png

圖2. 新（左）老（右）葉型比較

2.3高壓缸隔板靜葉分流葉柵

高壓靜葉原設(shè)計(jì)為窄葉片加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)（見圖5），由于加強(qiáng)筋的型線與葉型不匹配，特別是早期的汽輪機(jī)加強(qiáng)筋數(shù)目多，又缺乏嚴(yán)格的工藝要求，加強(qiáng)筋加工粗糙且加強(qiáng)筋與葉型通常不能對(duì)齊，造成靜葉柵損失大大增加。本方案采用新葉型的分流葉柵（圖5），可使葉柵損失大幅度降低，高壓級(jí)采用分流葉柵可使缸效率提高4%以上。

圖片3.png

圖3. 高壓原設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋葉柵（左）與新設(shè)計(jì)分流葉柵（右）

2.4彎扭聯(lián)合成型靜葉柵

彎扭聯(lián)合成型靜葉柵，是第四代汽輪機(jī)技術(shù)的集中體現(xiàn)，世界各國的大量理論與實(shí)踐都證明采用這一技術(shù)可使汽輪機(jī)級(jí)的效率提高1.5~2%。這些葉片已在12MW-200MW系列機(jī)組通流部分廣泛采用。圖3是適用于低壓缸的彎曲加扭轉(zhuǎn)的葉片，圖4是適用于低壓末級(jí)的根部彎曲、頂部不彎曲（或少許彎曲）、變截面扭轉(zhuǎn)葉片。計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明彎扭葉柵總損失比傳統(tǒng)直（扭）葉柵下降1/4甚至更多。

圖片4.png

圖4. 低壓缸通流部分彎扭靜葉片低壓缸末級(jí)彎扭靜葉片

2.5新型動(dòng)葉片型線

動(dòng)葉片的自帶圍帶內(nèi)側(cè)通常按流道形狀設(shè)計(jì)成圓錐面，相應(yīng)地，動(dòng)葉片根部及相鄰靜葉片根部與頂部也設(shè)計(jì)成圓錐面，于是通流部分子午面十分光順，而原設(shè)計(jì)通流子午面都呈現(xiàn)明顯的階梯狀。顯然，新設(shè)計(jì)的光順的子午面有更高的流動(dòng)效率。

圖片5.png

圖5. 動(dòng)葉鉚接圍帶（左）與自帶圍帶（右）對(duì)比示意圖

2.6增加汽封齒數(shù)

新設(shè)計(jì)自帶圍帶動(dòng)葉片的頂部外圓可以布置多個(gè)汽封齒，還可以加工成凹凸形狀構(gòu)成高、低汽封（參見圖5），從而大大減少了漏汽損失。

2.7末級(jí)根部高反動(dòng)度設(shè)計(jì)

通過采用彎扭靜葉片、新型動(dòng)葉片、子午面根部反凹造型、靜動(dòng)葉匹配等多項(xiàng)措施，將設(shè)計(jì)工況下末級(jí)根部反動(dòng)度提高到25%以上，這就使得末級(jí)氣動(dòng)性能大為改善，特別是防止了在低壓缸小流量時(shí)末級(jí)根部通常容易出現(xiàn)的脫流和倒流以及由此帶來的動(dòng)葉根部出汽邊水蝕現(xiàn)象，大大提高了低壓缸運(yùn)行安全可靠性，增強(qiáng)了機(jī)組調(diào)峰和變工況運(yùn)行能力。

2.8鑄鐵隔板改為焊接鋼隔板

隔板設(shè)計(jì)全部改為焊接鋼隔板。焊接鋼隔板材質(zhì)好、葉柵部分加工精度高，能保證靜葉柵達(dá)到設(shè)計(jì)氣動(dòng)熱力性能，并可延長隔板使用壽命。

三、汽輪機(jī)通流改造優(yōu)點(diǎn)

改善汽輪機(jī)內(nèi)部流體通道環(huán)境，綜合能效提高10%左右；

提高密封性能，減少蒸汽泄漏率；

增強(qiáng)負(fù)荷調(diào)節(jié)和適應(yīng)能力，低負(fù)荷狀態(tài)下保持較高的運(yùn)行效率；

增強(qiáng)汽輪機(jī)運(yùn)行的安全可靠性，延長使用壽命。

四、工程案例

晉煤集團(tuán)旗下某煤化工企業(yè)，實(shí)施B9-8.83/4.9高背壓汽輪機(jī)節(jié)能改造。采用合同能源管理分享型模式，合同期限5年，改造前測(cè)得汽耗值為42kq/kwh，發(fā)電功率6000kw左右。改造后同等工況下，發(fā)電功率8500kw左右，汽耗值降到30kq/kwh以下，節(jié)能效率25%以上。