低负荷运行条件下提升汽轮机效率的研究

温茂森

（国电建投内蒙古能源有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017000）

0 引言

随着国内工业化生产的不断推进，对能源的需求也在不断增加。汽轮机作为一种重要的能源设备，设备质量的好坏会直接影响到燃煤电站的电力供给稳定性。在高参数大功率火电机组参与调峰的情况下，汽轮机常常需要在低负荷的情况下运行，而这种运行状态容易导致汽轮机效率的下降和运行安全性的降低。因此，如何在低负荷运行条件下提高汽轮机的效率，成为当前亟需解决的问题之一。

1 低负荷运行对汽轮机运行系统的影响分析

1.1 导致末级桨叶失水

实践结果表明，在低载条件下汽化系数降低，汽化系数降低，汽化过程中汽化系数增大，会导致叶片被水侵蚀。

1.2 末级叶根对叶轮载荷影响大

在低负荷的情况下，涡轮末端会产生颤振，从而导致整个涡轮的振动，并使其产生疲劳损失。其中，叶顶间隙和二次流动是叶轮气动损失的主要形式。

1.3 负压漏失的增加

在低负荷阶段，由于部分位置的负压增加，使得漏气率相应增加，导致蒸汽侧真空漏气率增加，水侧凝结水溶氧增加，且负压系统的各项参数容易超标。主要表现为机组出现异常振动，气体压力异常下降，水套水温过高等。

1.4 对加热炉的影响

在低负荷工况下，高、低压加热器难以保持水位，且由于疏水压力差过小，更易引起疏水不顺畅及疏水阀气穴，致使加热器失水，严重影响加热器的工作效率，并对机组的安全运行构成了潜在的威胁。这将导致供水管网的渗漏，直至供水管网损坏，从而对供暖产生一定的影响。

1.5 对除氧器的影响

为改善机组经济性、增加裁减载机动，常以滑压方式操作，但在降载时，由于抽汽量与设计偏差，脱氧效率会下降。其中，热态温度是一个重要因素，过高的热态温度会引起汽缸壁面过热、进气不畅等问题，同时还会导致润滑失效，增大压气机的能耗[1]。

2 汽轮机喷嘴组的优化改造

由于燃煤发电机组在实际电力系统中会受现有电力系统的负荷分配的制约，无法实现高负荷高效率长期稳定运转，必须进行大量的能源调峰，造成了电力市场中的峰谷差值越来越大，负荷的变化也越来越剧烈，加大了汽轮机设备对电力市场的影响，在这种情况下，其经济效益就会下降。并且，蒸汽透平的动力与其经济性能密切相关，因此，其经济性能的降低与蒸汽透平调整层的喷射单元密切相关。为了减少汽轮机在低负荷运行状态下造成的负面影响，必须通过对各循环体系全面特性的对比与研究，选取出更优的循环体系及优化的热工参数，以达到节能增效的目的（图1）。

图1 汽轮机设备

在技术改造过程中，重点对旋风筒、连接管路等重要工序的工艺参数进行优化。虽然受到有关条件的限制，但总体上还是要遵守如下原则：①采用现代蒸汽透平机的技术思想，对其高压过流段进行技术改造，实现节能，提高经济性；②按照现行的国际、国内及行业标准及规定进行设计、生产及检验；③最大限度减少技术更新的费用，同时增加单元的工作效率。这种方法既能防止设备改造过头，降低设备的投资费用，又能激发企业进行设备改造的积极性。

喷嘴组与相对应的高压调节汽阀相通，是高压调节汽阀的延伸，与高压调节汽阀一起，共同参与流量调节过程。允许各喷嘴组建立不同的压力，通过不同的流量，以降低气流的节流损失。由于喷嘴内、外环都与喷嘴腔相连接，因此，与隔离腔相比，静叶片的应力状态更佳。喷嘴组可采用整体铣削或精铸成型，也可采用电脉冲锻造或钻削成型，制成整体式喷嘴组的弧段。该型号的喷嘴组与蒸汽腔之间不是以螺钉固定，而是以凸台安装的形式与蒸汽腔相连。本机内装全不锈钢，可避免因长时间接触水蒸汽流体而产生锈蚀，外装固定架，可确保本机的稳定性。新的蒸汽流体经过主气门的调整后，流入了蒸汽室内，其中一部分经过加热炉加热后，进入一个较高的分汽缸，用于分配和利用，另外一部分从汽包中抽出，进入较低的分汽缸。在此过程中，空气通过蒸汽流体腔流向喷嘴群，并通过调整级动叶片对空气进行加热，使空气中的压力能转变为动力。在这种情况下，如果有大量的高温、高压蒸汽泄漏，将会对机组的运行造成很大的影响。以往的纯凝结单元，其喷嘴的径向汽封间隙是2.5 mm，而本招标型号则将其降低到1 mm，并且尽可能地在受限空间中设置更多的齿形，从而大幅度地降低空气的泄漏。该喷嘴群在结构上使用了三联式、三叉戟、三针插脚等先进的结构，大大增加了其安全性和可靠性[2]。

3 改造后的调整措施

3.1 喷嘴组的最佳叶型和子午缩径型线

将原JZ-81（层流式）改为JZ-343（后负荷式），以提高调整级动、静叶片的空气动力负荷分配，降低叶栅槽的二次流动损失。为了减小静叶片前缘的载荷，减小叶片的末端损耗，对叶片的收缩型线和槽道收缩率进行优化。对过电流保护作再整定，增设定向元件，避免继电器的误动，并在需要的情况下，采取其他无指导方式，以保证继电器的“四性”。在此基础上，对该装置进行改进，将调质池改为溢流池，将UASB 改为UBF，增加了均衡池、纳滤池。在此基础上，对发动机的结构进行优化，使用一种新的耐热合金，并改善发动机的冷却方式，从而达到减重的目的。

3.2 新增先进的蒸汽泄漏治理新技术

增大叶顶汽封齿的数量，从1 个汽封齿增至3 个，使叶顶汽封漏气的损耗大为减少；为了降低喷嘴群中间分面上的泄漏，在中分面增设一个门形密封条。采用以上方法，可使蒸汽最大限度地流向管道，使其在管道中做功。将Ovation 的安全仪器系统用于锅炉的防护系统和燃烧设备的管理系统。利用PLC 控制技术，在下位机控制系统中，对多个泵、阀门等设备的启停、开/关进行控制，从而使得系统可以根据工艺的要求，完成对其的自动控制。

3.3 适当减小喷嘴组的出风口

300 MW 发电机组运行时，由于喷嘴组出口面积过大，会对其工作性能造成很大的影响。为此，在提高设备输送负荷的前提下，对喷嘴组的容量做适当的设置，同时适当缩小喷嘴组出口面积，将喷嘴导叶的数目从148只减到133 只，将导叶型线的安装角由原来的6925′33″缩小至67935′54″，因此，导叶出口面积从245 cm2减到195 cm2。将调整升级后压强提高至7 atm（1 atm=0.101 MPa），优化调整级速比，适当提高级后压，既提高了调整级的效率，又将熵值降至较高的压强，同时对加力燃烧器、尾喷管等进行优化，使用新的耐热合金，改善冷却方式，达到减重的目的。

3.4 使用高性能材料，改善喷嘴组气路的加工技术

喷嘴组的材料使用2Cr11MolVNbN 锻造，其抗弯强度、抗拉强度、弹性变形等都超过了常见的材料（强度超过常规铝镁合金的5 倍，铝7 系的5 倍，不锈钢的3 倍，钛合金的2 倍）。在加工制造尺寸大、结构复杂、性能要求高的零件时，具有加工周期短、材料节省、加工方便等优势，可以提高喷嘴组的机械性能和使用寿命。对喷嘴组气路进行优化，采用电解腐蚀的方法对其进行紫铜电极的处理，提高了气路的加工精度和对固体粒子的侵蚀能力。

4 改造效果

2009 年8 月14 日—9 月6 日，在某公司7 号汽轮机组完善化大修期间，对靖远7 号汽轮机调节级喷嘴组实施了优化改造。图2 为2300 MW 喷嘴组结构示意。

图2 2300 MW 喷嘴组结构示意

主要优化措施如下：

（1）对喷嘴组的叶形进行优化，以增加射流的波浪系数。对调整级动、静叶片的空气动力负荷进行改进，降低叶栅槽内的二次流动损耗；为了减小静叶片前缘的载荷，减小二次流损失，对叶片的二次流损进行优化。

（2）为了减小阀的节流损耗，增加调节段的效率，应适当减小喷嘴组的出风口区域。在决定喷嘴组出口面积时，要对汽轮机、凝汽器等装置的实际性能进行全面的调查和掌握，并结合机组的负荷率和夏季工况的背压，选取一个合适的喷嘴组出口面积。

（3）为了减少汽封的漏气损耗，减少汽封的齿数，减小汽封的径向间距，以减少汽封的漏气和汽封对主流的干涉。随着漏气体积的减小，漏气对主流的干涉作用也明显减弱。选择更为合理、精确的喷嘴形式、压力、流量等设计参数，可使过程设计更加精确、高效，从而达到节水的目的。

（4）在介质温度、压力较高、波动较大的情况下，夏季外界温度升高时，进气门的开启要进行相应的调节。

测试结果显示，改造后在额定状态下（5 阀全开状态），调节级的效率从改进前的52.8%提升至69.3%，同时，机组的发电煤耗率降低了2.3 g/（kW·h）（取锅炉效率为92%，管道效率为99%）。在局部负载条件下，该系统的改造费用及改造效果均得到控制。改进后，通过减少喷嘴组出口面积，使进气阀节流损耗减少，提高系统低负荷性能。

5 结束语

通过对汽轮机低负荷运行适应性最优的改造实践中发现，在低负荷运行模式下，喷嘴组的改造是一种适合于汽轮机低负荷运行模式的最优方案，该方案既能防止改造量过多、降低公司在大型改造中的投资费用，还能激发企业改造的积极性和主动性。并将其与蒸汽分配规律相结合进行优化，从而较好地解决了由于喷嘴组的改变所引起的不利影响，为国内大型机组的节能、最优运行和改造提供了宝贵的经验。