摘要: 汽輪機(jī)通流改造是一項(xiàng)技術(shù)集成度高的系統(tǒng)工程，既要提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性、安全性，又要適應(yīng)非改造部件和系統(tǒng)，還要滿足如深度調(diào)峰、低頻保護(hù)等的新要求。梳理了通流改造可研階段、設(shè)計(jì)和制造階段、安裝調(diào)試與試驗(yàn)階段的改造范圍確定、螺栓材料選用、軸向定位等常見問題，總結(jié)提出了有效處理及預(yù)控措施，有利于發(fā)電企業(yè)今后更好地實(shí)施汽輪機(jī)通流改造工作。
前 言
我國資源特點(diǎn)導(dǎo)致煤電長期以來一直占據(jù)電源結(jié)構(gòu)的核心地位，2017 年煤電裝機(jī)量為10．2億千瓦，占裝機(jī)總量58% ，煤電全年發(fā)電量為42 000 億千瓦時，占比更是高達(dá)67% ，因此，提高煤電機(jī)組效率對我國能源發(fā)展戰(zhàn)略及環(huán)境保護(hù)具有重大意義。**《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計(jì)劃( 2014) 》明確了現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組改造后的總體目標(biāo)，對 300MW 和 600MW 等級亞臨界、超臨界機(jī)組的節(jié)能改造推薦因廠制宜采用汽輪機(jī)通流部分改造。
國內(nèi) 300MW 和 600MW 等級汽輪機(jī)主要為早期引進(jìn)型產(chǎn)品，或者是早期引進(jìn)型機(jī)型國產(chǎn)優(yōu)化改進(jìn)型產(chǎn)品，汽輪機(jī)普遍存在高中低壓缸效率低于設(shè)計(jì)值、汽輪機(jī)熱耗率偏高、汽輪機(jī)高效負(fù)荷區(qū)間狹窄等問題，嚴(yán)重影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。同時，近年來國內(nèi)煤電機(jī)組有效利用小時數(shù)持續(xù)下降，煤電機(jī)組平均負(fù)荷率不斷下降，并且需要經(jīng)常性參與深度調(diào)峰。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，國內(nèi)主要廠家先后采用了不同的先進(jìn)的通流設(shè)計(jì)技術(shù)對 300MW 和 600MW 等級汽輪機(jī)進(jìn)行了通流改造。2007 年至 2012 年前后，早期投產(chǎn)的 300MW 等級汽輪機(jī)已較大規(guī)模地進(jìn)行了通流改造。2012 年 起， 600MW 等級汽輪機(jī)開始進(jìn)行了通流改造。
汽輪機(jī)通流改造一般主要目的是提效、增容、大流量供熱，目前相關(guān)文獻(xiàn)主要側(cè)重于通流改造的經(jīng)濟(jì)性研究和振動治理上。汽輪機(jī)通流改造是一項(xiàng)技術(shù)集成度高的系統(tǒng)性工程，從可研階段、項(xiàng)目執(zhí)行階段到性能試驗(yàn)階段，各階段工作中一點(diǎn)小小的紕漏都有可能導(dǎo)致通流改造效果打折。本文梳理了通流改造過程中一些常見問題，并提出了處理及預(yù)控措施，方便發(fā)電企業(yè)今后更好地實(shí)施汽輪機(jī)通流改造工作。
1 可研階段
1． 1 改造范圍確定
在對經(jīng)濟(jì)性和安全性影響較小的情況下，汽輪機(jī)通流改造應(yīng)盡可能保留現(xiàn)有設(shè)備，改造設(shè)備與保留設(shè)備的機(jī)械接口基本保持不變，改造后的各技術(shù)參數(shù)應(yīng)基本保持不變。改造范圍一般包括高中低壓缸內(nèi)缸、隔板( 持環(huán)) 、轉(zhuǎn)子等，更準(zhǔn)確的范圍確定應(yīng)取決于原設(shè)備性能狀況和通流改造的技術(shù)路線。
進(jìn)行通流改造的汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性方面總體表現(xiàn)為熱耗率偏高，不同的汽輪機(jī)熱耗率偏高的原因會有所不同，除了高中低壓缸效率偏低外，有些還有高壓閥組壓損偏大、背壓偏大等問題。通流改造時需一并解決安全性問題，安全性問題一般有: (1) 汽門振動與閥桿斷裂問題; ( 2) 缸體及軸系振動偏大問題; (3) 軸承溫偏高問題; (4) 螺栓、缸體等各部件裂紋問題; (5) 滑銷系統(tǒng)膨脹不暢問題。通流改造范圍應(yīng)針對性地涵蓋原設(shè)備問題的解決。
發(fā)電企業(yè)對汽輪機(jī)通流改造的個性化需求越來越突出，出現(xiàn)了單獨(dú)提高再熱蒸汽溫度和同時提高主汽、再熱蒸汽溫度的汽輪機(jī)通流改造，也出現(xiàn)了冷再和熱再超大抽汽流量供熱的汽輪機(jī)通流改造。這些個性化需求勢必?cái)U(kuò)大改造范圍，如更換高中壓外缸、更換高中壓導(dǎo)汽管、更換高中壓閥組、中壓調(diào)門參調(diào)等。蒸汽參數(shù)的提高會導(dǎo)致抽汽參數(shù)的變化，結(jié)合抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)備的狀況對加熱器及管道進(jìn)行評估并針對性地更換。
1． 2 邊界條件確定
邊界條件是設(shè)備廠家設(shè)計(jì)和性能考核試驗(yàn)的基準(zhǔn)，應(yīng)通過試驗(yàn)測試獲取擬考核工況點(diǎn)的實(shí)際值，尤其是高中壓閥組壓損、再熱器壓損、給水泵汽輪機(jī)效率、加熱器端差等。給定的邊界條件如與實(shí)際值偏差較大，將誤導(dǎo)設(shè)計(jì)及決策，影響通流改造的效果。如再熱器壓損給定值偏大會導(dǎo)致通流設(shè)計(jì)偏大，降低部分負(fù)荷時效率; 給水泵汽輪機(jī)效率給定值偏大會導(dǎo)致設(shè)計(jì)嚴(yán)重偏離實(shí)際運(yùn)行，某機(jī)組給水泵汽輪機(jī)效率給定值為83% ，實(shí)際試驗(yàn)值 THA 工況為62． 4% 、75% THA 工況為60． 8% 、50% THA 工況為38． 9% 。
1． 3 熱耗率考核條款制定
隨著火電機(jī)組利用小時數(shù)降低，發(fā)電企業(yè)一般都會根據(jù)不同負(fù)荷工況下的實(shí)際運(yùn)行小時數(shù)，確定機(jī)組熱耗率考核權(quán)重，形成*終的加權(quán)熱耗率考核值。考核加權(quán)熱耗率對設(shè)備廠家末級葉片選型、高壓調(diào)門與高壓缸匹配性提出了更高的要求，在當(dāng)前負(fù)荷率偏低的情況下增強(qiáng)了發(fā)電企業(yè)的競爭力。然而，僅僅對加權(quán)熱耗率進(jìn)行考核是不夠的，設(shè)備廠家為了增強(qiáng)自身的競爭力，往往會把全部重點(diǎn)放在如何降低占比大的低負(fù)荷熱耗率上而犧牲高負(fù)荷的熱耗率，這無疑削弱了發(fā)電企業(yè)的適應(yīng)性。某廠一臺 600MW 汽輪機(jī)通流改造時僅對加權(quán)熱耗率進(jìn)行考核，THA 熱耗率要高出設(shè)計(jì)值43． 7 kJ/( kW·h) ，詳見表 1。通流改造時既要對加權(quán)熱耗率進(jìn)行考核，也要對 THA工況時熱耗率進(jìn)行考核。

2 設(shè)計(jì)、制造階段
2． 1 螺栓材料選用
汽輪機(jī)通流改造設(shè)計(jì)時會盡可能利用現(xiàn)有的空間，如果同時又提升了參數(shù)，這勢必會使得設(shè)計(jì)上需要高強(qiáng)度、耐高溫的材料，尤其是一些高溫區(qū)域的螺栓。應(yīng)慎重使用鎳基材料和鈷基材料的螺栓，這類材料普遍存在缺口敏感性，對冶金質(zhì)量、熱處理工藝、螺栓制造工藝和檢修工藝要求較高，部分鎳基材料在某一溫度區(qū)間會出現(xiàn)負(fù)蠕變現(xiàn)象，這些問題都是導(dǎo)致螺栓斷裂的原因。
當(dāng)出現(xiàn)必須使用鎳基或鈷基螺栓時，應(yīng)優(yōu)化螺栓設(shè)計(jì)和嚴(yán)控檢修工藝: ( 1) 設(shè)計(jì)配置厚墊圈，以降低各工況下螺栓緊力變化; ( 2) 螺栓伸長量盡量控制在下限，緊固過程中伸長量不應(yīng)超出上限; ( 3) 嚴(yán)格規(guī)范螺栓解體、安裝工藝，嚴(yán)禁使用火焰加熱、管子鉗、大榔頭，杜絕野蠻施工; ( 4) 采用專用的螺栓加熱棒，加熱螺栓有效長度段，控制螺栓內(nèi)壁加熱溫度，防止加熱棒過熱受損致使螺栓內(nèi)壁高溫氧化; ( 5) 對螺栓進(jìn)行光譜分析、硬度測試、超聲測試和螺紋著色檢查，對光譜分析和硬度測試處打磨光滑; ( 6) 禁止使用含 Cl、S 等氧化元素的清洗劑、防咬劑。
2． 2 轉(zhuǎn)子重量增加
為了確保設(shè)計(jì)更加精準(zhǔn)，汽輪機(jī)通流改造方案大多增加通流級數(shù)，有時會采用反動式設(shè)計(jì)取代原有的沖動式設(shè)計(jì)，如此轉(zhuǎn)子重量會大幅增加。轉(zhuǎn)子重量增加帶來的問題有: ( 1) 基礎(chǔ)承載、軸承懸掛在缸體上的低壓缸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要校核; ( 2) 盤車功率適應(yīng)性需要校核，必要時增加頂軸油系統(tǒng); ( 3) 對軸承進(jìn)行降低比壓和提高巴氏合金溫度等級的改造，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，常規(guī)的可傾瓦軸承設(shè)計(jì)比壓應(yīng)小于1． 45MPa，橢圓瓦軸承設(shè)計(jì)比壓應(yīng)小于2． 0MPa; ( 4) 軸承比壓變化后，需要對各軸承的潤滑油和頂軸油進(jìn)行重新分配，甚至需要調(diào)整潤滑油供油母管壓力; ( 5) 低壓轉(zhuǎn)子重量增加后起吊重量( 包括起吊設(shè)備) 超出行車荷載限值，某 600MW 亞臨界汽輪機(jī)通流改造時低壓通流采用反動式技術(shù)，新的低壓轉(zhuǎn)子重量加上起吊裝置重量分別為77． 2t、78． 5t，原配置的兩輛行車設(shè)計(jì)荷載均為 80t，對行車進(jìn)行改造，將兩輛行車合并，對低壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行抬吊操作。
2． 3 軸系振動控制
汽輪機(jī)通流改造后常常存在振動問題，如汽封間隙過小引起的動靜碰磨、質(zhì)量不平衡、汽流激振等，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。針對這些常見的引起軸系振動異常的因素，在通流改造設(shè)計(jì)、制造階段應(yīng)做好以下幾方面工作: ( 1) 設(shè)計(jì)采用合適的汽封及汽封間隙，發(fā)電企業(yè)應(yīng)將保留設(shè)備的特性詳實(shí)地反饋給改造廠家，切莫盲目地采用小間隙汽封及減少汽封間隙; ( 2) 盡可能減少轉(zhuǎn)子的剩余不平衡量，單根轉(zhuǎn)子高速動平衡的試驗(yàn)精度為不低于1． 0mm/s，過臨界及超速時的振動值均要符合標(biāo)準(zhǔn); ( 3) 選擇非常好的配汽方式，兼顧機(jī)組經(jīng)濟(jì)性、軸承瓦溫和轉(zhuǎn)子振動，以*大程度減小蒸汽靜態(tài)力; ( 4)采用防汽流激振汽封并合理設(shè)計(jì)汽封間隙，減少運(yùn)行期間汽流激振力，如采用碎波技術(shù)的汽封; ( 5) 選用油膜動特性系數(shù)交叉耦合項(xiàng)小、穩(wěn)定性好的軸承，增大軸承阻尼力。
2． 4 深度調(diào)峰適應(yīng)性
大型煤電機(jī)組深度調(diào)峰已成為普遍現(xiàn)象，浙江省大型煤電機(jī)組的深度調(diào)峰至40% THA 基本全部實(shí)現(xiàn)。為適應(yīng)機(jī)組深度調(diào)峰的需要，通流改造需在經(jīng)濟(jì)性、安全性兩方面開展如下工作: (1) 將低負(fù)荷熱耗率納入考核范疇，改造廠家設(shè)計(jì)時充分降低低負(fù)荷熱耗率; (2) 采用合適的末級葉片表面硬化措施，設(shè)置合理的低負(fù)荷運(yùn)行方式，以防止低排汽流量下末級葉片出汽側(cè)發(fā)生的回流汽蝕; (3) 增加低壓缸外缸剛性，合理調(diào)整低壓軸封間隙，避免低負(fù)荷時高真空下低壓軸封處的碰磨，某 600MW 機(jī)組通流改造后曾發(fā)生低壓軸封碰磨導(dǎo)致軸振高而跳機(jī)事件; (4) 通流改造配置熱應(yīng)力控制模塊，避免出現(xiàn)機(jī)組深度調(diào)峰時，運(yùn)行人員因操作量大而忽視對主機(jī)參數(shù)的監(jiān)視，出現(xiàn)汽溫大幅下降、缸體溫度差偏大等異常時沒有及時發(fā)現(xiàn)并調(diào)整的現(xiàn)象。
2． 5 低頻保護(hù)
如果電網(wǎng)系統(tǒng)頻率下降時處理不當(dāng)而將機(jī)組跳閘，則此時機(jī)組跳閘造成的電網(wǎng)功率短缺將進(jìn)一步導(dǎo)致頻率降低，因而形成連鎖反應(yīng)，嚴(yán)重時*終導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰。1996 年 7 月及8 月美國西部電力系統(tǒng)大停電、1999 年 7 月 29 日臺灣大停電都是機(jī)網(wǎng)嚴(yán)重不協(xié)調(diào)的典型案例。限制汽輪機(jī)頻率異常運(yùn)行的主要因素是汽輪機(jī)葉片諧振問題，通流改造時應(yīng)明確提出低頻保護(hù)的要求: ( 1) 低頻保護(hù)不投跳; ( 2) 即使投跳閘，低頻保護(hù)投跳定值應(yīng)低于電網(wǎng)低頻減載裝置*后一輪定值; ( 3) 特殊情況下當(dāng)?shù)皖l保護(hù)需要跳閘時，保護(hù)動作時間必須符合《GB/T31464 電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則》中關(guān)于汽輪發(fā)電機(jī)頻率異常允許時間規(guī)定。
2． 6 新舊設(shè)備接口匹配
任何改造與非改造部件間的配合或系統(tǒng)中改造后的熱力參數(shù)與原參數(shù)之間的配合，在銜接處即形成接口，一般遵循改造部件適應(yīng)非改造部件原則。
常見的系統(tǒng)接口及處理方法有: ( 1) 改造后抽汽參數(shù)變化，尤其在提參數(shù)通流改造中重點(diǎn)關(guān)注，應(yīng)結(jié)合對加熱器、抽汽管路、疏水管路的評估，針對性地更換加熱器、抽汽管道、疏水調(diào)節(jié)閥、疏水管道，避免通流改造后出現(xiàn)加熱器和抽汽管路超溫超壓運(yùn)行、管道壓損大、疏水不暢等現(xiàn)象; ( 2) 通流改造機(jī)組增容后，額定負(fù)荷時發(fā)電機(jī)的發(fā)熱量增加，原有的定子冷卻水系統(tǒng)及氫氣冷卻系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行適應(yīng)性評估，尤其是對夏季工況的評估，必要時進(jìn)行兩個冷卻系統(tǒng)的擴(kuò)容改造; ( 3) 高度關(guān)注熱工測點(diǎn)安裝特性的變化，防止出現(xiàn)測點(diǎn)接錯、定值設(shè)定錯誤等問題，如獲取各轉(zhuǎn)子材質(zhì)相同的靶板以校核軸系位移、差脹、振動等測點(diǎn)特性，對比改造后轉(zhuǎn)速盤齒數(shù)，區(qū)分新舊軸向定位方式等。
常見的機(jī)械接口及處理方法有: ( 1) 汽門改造及外缸更換時保證各管道接口外，還應(yīng)校核接口處的推力和力矩，并校核鋼結(jié)構(gòu)及支吊架載荷; ( 2) 高壓轉(zhuǎn)子與機(jī)頭小軸( 主油泵小軸或盤車小軸) 接口、低壓轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子( 或盤車齒輪) 接口，可先采用現(xiàn)場加工小軸和盤車齒輪凸肩的辦法，時間允許也可以將其返至改造廠家裝配并隨轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速動平衡; ( 3) 保留外缸時，內(nèi)缸與外缸裝配接口是影響安裝質(zhì)量和工期的關(guān)鍵所在，盡可能地給設(shè)備廠家創(chuàng)造精確接口測繪的條件，*一時間完成新舊設(shè)備的試裝工作，檢查各螺栓孔是否對應(yīng)、軸向定位是否到位、膨脹間隙是否充足等。
3 安裝、調(diào)試、試驗(yàn)階段
3． 1 軸向定位
軸向定位包括軸系軸向定位和缸體軸向定位兩方面內(nèi)容，軸向定位堅(jiān)持三大原則: 改造部件適應(yīng)非改造部件、可調(diào)部件適應(yīng)非可調(diào)部件、靜止部件適應(yīng)轉(zhuǎn)動部件。非改造部件軸向定位應(yīng)在全冷態(tài)收縮到位后進(jìn)行，必要時需要滑銷系統(tǒng)檢修后重新吊回轉(zhuǎn)子裝復(fù)推力軸承進(jìn)行。以圖 1 所示的某600MW 四缸汽輪機(jī)通流改造為例，軸向定位的常規(guī)工序如下: ( 1) 根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子定位尺寸及改造后前后差脹變化定位低壓 2 轉(zhuǎn)子，并調(diào)整低壓 2 軸向通流間隙定位低壓內(nèi)缸 2; ( 2) 由低壓內(nèi)缸 2 通過中低壓連通管定位低壓內(nèi)缸 1 和中壓外缸，并調(diào)整低壓 1 軸向通流間隙定位低壓 1 轉(zhuǎn)子，調(diào)整中壓軸封軸向間隙定位中壓轉(zhuǎn)子并調(diào)整推力軸承位置，調(diào)整中壓通流間隙定位中壓內(nèi)缸; ( 3) 根據(jù)中壓轉(zhuǎn)子的位置定位高壓轉(zhuǎn)子，調(diào)整外缸上高壓軸封軸向間隙定位高壓外缸，調(diào)整高壓軸向通流間隙定位高壓內(nèi)缸; ( 4) 調(diào)整主油泵小軸軸向間隙定位前軸承箱。這些設(shè)備的定位一般通過靠背輪墊片、軸向定位鍵( 環(huán)) 、貓爪橫銷等實(shí)現(xiàn)，鑒于中低壓連通管螺栓孔、膨脹節(jié)有一定的間隙補(bǔ)償量及各環(huán)節(jié)調(diào)整手段豐富，一般可優(yōu)化為分缸初調(diào)、軸系復(fù)核。

3． 2 保護(hù)邏輯修訂
通流改造后新的設(shè)計(jì)、新的設(shè)備會有新的保護(hù)邏輯和定值修訂，如修訂不合適，或達(dá)不到保護(hù)設(shè)備的目的，或容易導(dǎo)致機(jī)組跳閘。常見的保護(hù)邏輯修訂有: (1) 軸向位移、差脹定值修訂; ( 2) 保護(hù)末級葉片用的凝汽器背壓保護(hù)邏輯修訂及后缸減溫水投運(yùn)邏輯修訂; ( 3) 為保護(hù)調(diào)節(jié)級葉片，特殊閥序下主蒸汽壓力保護(hù)邏輯修訂; ( 4) 中調(diào)參調(diào)供熱時，大流量供熱情況下中調(diào)門開度保護(hù)邏輯修訂、中壓閥組壓差保護(hù)邏輯修訂、一抽與高排壓力保護(hù)邏輯修訂。
3． 3 性能考核試驗(yàn)
通流改造后的性能考核試驗(yàn)雖然和新機(jī)組的性能考核試驗(yàn)內(nèi)容是相同的，但是試驗(yàn)條件遠(yuǎn)沒有新機(jī)組的試驗(yàn)條件理想。為給通流改造創(chuàng)造良好的試驗(yàn)條件，可做好如下幾方面: (1) 做好閥門檢修工作，將系統(tǒng)外漏和內(nèi)漏控制在 ASME標(biāo)準(zhǔn)控制范圍內(nèi)，重點(diǎn)有凝結(jié)水壓縮空氣流量計(jì)后的各疏水和放水閥、加熱器的事故疏水閥、各氣動疏水閥、定排和連排閥門、安全閥等; (2) 做好關(guān)鍵性能試驗(yàn)測點(diǎn)的整治工作，重點(diǎn)是各壓縮空氣流量計(jì)的校核，壓縮空氣流量計(jì)一般有凝結(jié)水壓縮空氣流量計(jì)、主汽和再熱汽減溫水壓縮空氣流量計(jì)、密封水進(jìn)回水壓縮空氣流量計(jì)、給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽壓縮空氣流量計(jì)、軸封系統(tǒng)壓縮空氣流量計(jì)等，確保凝結(jié)水壓縮空氣流量計(jì)旁路隔離嚴(yán)密及壓縮空氣流量計(jì)后無水回流至壓縮空氣流量計(jì)前;(3) 試驗(yàn)宜安排在環(huán)境溫度較低的季節(jié)進(jìn)行，避免出現(xiàn)試驗(yàn)期間背壓偏高且無法調(diào)低、試驗(yàn)背壓修正曲線無法獲得、熱耗率的背壓修正量偏大現(xiàn)象; (4) 為了深度挖掘通流改造的節(jié)能成果，需進(jìn)行包括滑壓優(yōu)化試驗(yàn)、冷端優(yōu)化試驗(yàn)、變背壓試驗(yàn)在內(nèi)的性能診斷試驗(yàn)。
4 結(jié) 論
本文梳理了汽輪機(jī)通流改造各個階段的常見問題，總結(jié)提出了處理及控制措施。通流改造是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，只有將可研階段、設(shè)備采購階段、設(shè)計(jì)階段、生產(chǎn)制造階段、施工階段、調(diào)試階段和性能考核階段的每一項(xiàng)工作做到盡善盡美，才能*大程度地發(fā)揮改造的效果、提高設(shè)備本質(zhì)安全。