［摘要］汽輪機作為火力發電系統中的核心設備，其經濟性直接關系到整個發電系統的效能；火電行業發展新的趨勢對于深度提升和長期保持汽輪機效率提出了新的要求。東汽積極推進汽輪機性能的提升工作，自主研發的第三代、第四代先進通流技術已經在300～1 000MW機組通流改造項目上得到成功驗證；同時，在減小機組性能老化方面，東汽也采用了一系列先進的保效技術，取得了卓有成效的應用效果。
陳顯輝1，孫 濤2，萬忠海3，饒真炎1，劉 昊1
1.東方電氣集團東方汽輪機有限公司；
2.國家電投集團江西電力有限公司；
3.國網江西省電力有限公司電力科學研究院
0 引言
伴隨著我國經濟社會的高速發展和國家節能減排政策的深入推進，提高燃煤發電機組的經濟性一直是火力發電行業高質量健康發展的熱點和主線[1-3]。當前，在“碳中和，碳達峰”的能源新形勢下，大容量火電機組逐漸發展成為承擔調峰任務的主體，電站汽輪機快速起動和深度調峰日漸成為常態[4-6]。汽輪機作為火力發電系統中的核心設備，其經濟性直接關系到整個發電系統的效能[7]；火電行業發展新的趨勢對汽輪機的高效運行提出了新的要求——從關注機組高負荷的經濟性到更加關注機組部分負荷的經濟性，從關注機組新機投產時的經濟性到更加關注機組全生命周期運行中的經濟性。深度提升和長期保持汽輪機運行經濟性對于改善電站發電效益，降低檢修運維成本具有積極意義[8-11]。
汽輪機熱耗隨運行年數的增長而增加，被稱為性能劣化，也稱為性能老化。汽輪機性能老化具有熱耗逐年遞增，增加的幅度逐年減小的特點；而減小汽輪機熱耗增加速率的措施稱為機組保效技術。東汽積極推進汽輪機性能的提升工作，自主研發的第三代、第四代先進通流技術已經在300~1000MW機組通流改造項目上得到成功驗證；同時，在減小機組性能老化方面，東汽也采用了一系列先進的保效技術，取得了卓有成效的應用效果。
1 汽輪機性能老化的主要原因
汽輪機性能老化不僅受設計和加工制造的影響，還和機組運行條件、運行方式等因素相關，主要影響因素包括汽輪機的結構設計、機組運行的汽水品質、運行方式等[12-17]。總體而言，汽輪機性能劣化主要有以下幾方面的原因：
1.1 固體顆粒侵蝕
國內外研究表明，固體顆粒侵蝕（Solid Particle Erosion，SPE）一般發生在鍋爐啟動或長期低負荷運行情況下。特別在鍋爐啟動時，過熱器管和再熱器管道由于受熱沖擊，引起管道內側氧化鐵剝離從而形成固體顆粒。固體顆粒以高速度撞擊靠近高壓第1 級或調節級噴嘴后緣的壓力（凹）面，由于隔板靜葉的后緣區域相對較薄，因此可能會迅速損壞，從而導致機組效率降低[18]。
1.2 結構性變形引起的機組內漏
進汽采用插管形式將汽缸和閥門連接的機組以及一段抽汽采用插管的機組，在高溫、高壓的工作環境下，進汽和抽汽插管的密封可能失效，從而造成部分未經做功的蒸汽通過內、外缸之間的夾層直接漏至汽缸排汽端，引起汽缸溫差異常，并導致缸效率下降；高中壓汽缸工作溫度高、工作壓差大，隨著機組長時間運行容易發生高溫蠕變永久變形。高中壓內缸變形是由高中壓內缸內外壁溫差大及相鄰部位溫度梯度大引起的，溫差大會導致汽缸中分面內壁的徑向應力、彎曲應力過大，從而導致中分面產生張口變形，造成部分蒸汽通過汽缸張口泄漏，引起機組效率降低[19]。
1.3 軸封、汽封磨損導致間隙變大
隨著運行時間的增加，以及啟動和停機次數的增多，汽輪機各段軸封和通流內部汽封齒等位置動靜之間可能發生接觸和摩擦。一方面，引起軸封間隙有所增大，從而更多的高品位的蒸汽漏至系統其他部位，導致機組熱耗升高、經濟性下降；另一方面，在通流內部靜葉根部汽封、動葉頂部汽封間隙會有所增大，導致相應部位的蒸汽泄漏量增加，引起通流效率下降[20]。
1.4 葉片水蝕影響
汽輪機中的水蝕是由蒸汽穿過飽和線后形成的液滴。在再熱蒸汽汽輪機上，水蝕通常限于較長的末級動葉的頂端部分。水蝕造成兩個主要的性能損失：動葉前緣的侵蝕和靜止件的侵蝕和腐蝕。末級動葉的頂端區域的水蝕是由于從靜葉及隔板側壁形成的大的、緩慢移動的液滴進入動葉時的高切向速度引起的。動葉前緣的粗糙化導致摩擦和空氣動力學損失的增加。由水份引起的性能劣化的第二個來源是在由碳鋼制成的靜止部件上發生的腐蝕現象。這些包括后面的LP隔板側壁和LP內缸。這種現象使表面變粗糙，增加了蒸汽流道路徑部件周圍的摩擦損失和泄漏。
1.5 機組通流部分結垢
汽輪機通流部分結垢與電廠機組運行的汽水品質關系很大，不良的給水化學控制是汽輪機通流部分出現沉積物的主要來源。通流部分沉積物對汽輪機性能的影響取決于它們在汽輪機內的位置、它們在噴嘴和動葉上的位置、厚度以及由此產生的表面形態。通流部分沉積物可以改變噴嘴和動葉的基本輪廓形狀，導致改變汽輪機內的焓降分布，較差的通流部分氣動特性以及由于較粗糙的表面狀況引起的增加的摩擦損失相關聯的效率損失。當沉積物發生在汽輪機高壓缸部分時，會減小汽輪機的通流能力。這是由于高壓缸部分蒸汽壓力高，動靜葉片葉高相對較短，通流面積較小，沉積物附著在葉片表面，會極大地減少噴嘴和動葉通流面積，從而對汽輪機整體通流能力造成較大影響。
1.6 汽輪機受異物擊打損壞
汽輪機蒸汽通道的異物損壞是由外來物質進入汽輪機造成的。典型的異物包括焊條，焊珠，焊接飛濺物，諸如小螺母和螺栓的松散碎屑以及可能從蒸汽系統或汽輪機本體中的上游部件松動的其它材料或部件。異物造成的損壞通常在噴嘴后緣和動葉前緣處發現。異物容易通過噴嘴，但是它不能加速到足以穿過動葉通道，導致異物在噴嘴和動葉之間來回彈射。這將一直持續，直到它破裂。汽輪機受異物擊打損壞主要是與機組安裝和運行等水平有較大關系；相對而言，此類問題占比較低。
2 東汽保效措施
近年來，隨著通流技術的發展和進步，東汽積極推進火力發電設備經濟性的提升和改善工作，以創新推動技術進步，自主研發的第三代、第四代先進通流技術已經在三河、德州、鄒縣、景德鎮以及新昌等300~1000MW機組通流改造項目上得到成功驗證。同時，東汽在減小機組性能老化方面也開展了大量工作，在機組長期保效上采用了一系列先進技術，成績優異。
2.1 防固體顆粒侵蝕（SPE）措施
國內外研究表明，固體顆粒侵蝕一般發生在鍋爐啟動或長期低負荷運行情況下。特別在鍋爐啟動時，過熱器管道由于受到熱沖擊，引起管子汽側氧化鐵剝離從而形成固體顆粒。東汽在防止固體顆粒沖蝕方面，通過合理選擇高溫部件材料、優化相關部件設計、采用相應的加工工藝等有效的措施，已投運機組大修開缸檢查時，基本上未發生明顯的固體顆粒侵蝕現象。
為了防止固體顆粒對機組的沖蝕，在機組部件結構優化方便采取了如下措施：
2.1.1.1 高壓第1級采用斜面噴嘴型線（SPE 葉型）技術，應用大節距、少葉片只數噴嘴設計，有效防止固體顆粒沖蝕（見圖1、圖2）。
圖1 普通噴嘴及斜面型線噴嘴示意圖
圖2 調節級動葉實物圖
設計合理的動靜葉軸向間隙，可使動葉反射的固體顆粒不能打在靜葉背弧上，徹底切斷多重反射的途徑。GE、日立等公司均進行了軸向間隙與顆粒沖擊力關系的試驗研究。其結果表明：在常規間隙的基礎上，動靜葉軸向間隙增大1 mm，沖擊力可降低65%；增大2 mm，沖擊力可降低90%。因此，優化機組動靜設計間隙，可有效防止固體顆粒侵蝕，實現再熱第1級的無老化設計，提高持久效率（見圖3）。
圖3 改進前及改進后固體顆粒軌跡
新型永久性濾網能夠有效防止大顆粒固粒進入通流部分，避免大固體顆粒對通流部分靜葉和動葉的侵蝕破壞，保持通流持久高效（見圖4）。
圖4 新型永久性濾網
對于高壓第一級和再熱第一級，除過優化高溫部件結構外，還合理的選取高溫部件材料，并采用相應的加工工藝等有效措施來防止固體顆粒沖蝕。
采用Cr-C 保護涂層技術（見圖5），有效減小高壓第1級和再熱第1級的固體顆粒侵蝕，提高持久效率。
圖5 采用Cr-C保護涂層技術高壓第一級噴嘴
高壓第1級和再熱第1級動靜葉采用耐固體顆粒侵蝕能力強的含鈮鋼材料。靜葉、動葉采用Cr-Mo-V-Nb-N鋼。
為防止可能加劇的固體顆粒侵蝕，除汽機采取防護措施外，建議整機系統及運行也采取適當的措施：
1）建議采用兩級串聯旁路，機組啟動前，通過旁路系統可帶走固體顆粒，減少再熱系統氧化物進入汽輪機通流。
2）機組安裝及大修時需對鍋爐蒸汽發生器、再熱器及主要管道和主蒸汽管道、再熱蒸汽管道進行必要的清洗去除殘留物。
3）保證必要的鍋爐啟動時間，減少熱應力沖擊引起的氧化物。氧化物的產生，主要是在鍋爐的啟動、停爐和負荷驟變過程中，管子溫度變化幅度較大，由于母材和氧化膜的熱膨脹能力不同，會導致氧化膜開裂脫落，且氧化膜的厚度越厚，脫落所需應力越小。過快的啟動速率，是其產生氧化物較多的一個重要原因。因此，在高再熱參數的機組中，需合理設計啟動時間，避免過快啟動，引起氧化膜脫落。過熱系統和再熱系統管材內表面可采用噴丸或鍍Cr處理工藝，減小汽側氧化物的形成。
2.2 消除機組結構性內漏
在對運行的機組進行調查之后，關于用戶所反映機組經濟性下降的問題，東汽分析認為：長期運行后的機組結構性內漏是重要原因之一。東汽通過對機組結構性內漏的原因進行分析，確定了解決這類問題的思路和辦法，并在改造和新機組中應用，從而解決機組經濟性下降的問題：
現對高中壓內缸兩端隔熱板處增加相應的汽封結構以減少蒸汽流動，這樣可以達到減少高中壓內缸內外壁溫差的效果，如圖6所示：
圖6 設計間隙由5 mm優化為2 mm
高壓內、外缸間定位槽增加盤根密封，阻止高壓側蒸汽通過定位槽泄漏至中壓部分，見圖7。
圖7 高壓內、外缸肩胛處密封
制造、安裝精度對機組經濟性的影響已經越來越受到重視。如圖8 所示，在高、中壓進汽管處，東汽采用疊片式密封，其主要特點在于：金屬密封疊環具有接觸部位少、在極小的間隙內形成多重迷宮密封；設計間隙小，密封環與進汽管間隙小；進汽管管件表層堆焊司太立合金，具有持久、耐磨特性。
圖8 進汽管密封結構
根據電廠大修反饋的情況，進汽管密封結構主要存在的問題在于：
1）密封間隙偏大主要原因在于加工制造，有效措施是加大產品質量的監控力度，密封環與進汽管是配車，在東汽總裝、現場安裝時對每圈均檢查間隙，必須保證滿足設計要求；
2）經過多臺超、超超臨界機組運行實踐，司太立合金堆焊是成熟可靠的，但仍有必要提高司太立合金焊接的工藝和探傷檢查，保證焊接的質量可靠性。
另外，針對安裝精度對機組的經濟性影響，除圖紙要求外，設計部門已經對機組的主機證明書進行了整頓，對機組的安裝提出了嚴格要求，以保證機組的安裝滿足設計的要求。
原機組高壓噴嘴室采用獨立裝配式結構，存在進汽插管與進汽室的密封問題；低壓內缸采用獨立的進汽室結構，采用螺栓把合，進汽結構設計、制造、安裝不好極易產生漏汽，從而影響機組保效。
改造機組的高壓內缸經過優化，噴嘴室與內缸鑄為一體，進汽插管一端用螺栓把接在高壓內缸上，另一端與外缸采用密封圈密封，減少一個漏點，有利于提高高壓缸效率。進汽插管與外缸的密封經過優化，采用多金屬密封圈組成，利用不同金屬的冷熱態線脹系數差保證密封效果，允許管道與汽缸之間的存在相對位移同時，保證漏汽量為零。同時，改造機組的低壓內缸經過優化，新方案取消了原來單獨的低壓進汽室，將進汽部分結構整體焊接到低壓缸上，這樣就避免了原來因裝配而帶來的蒸汽泄漏的問題。
原機組高壓進汽處為獨立噴嘴室，中壓側設有BDV接口及中壓一級葉輪冷卻接口。如圖9所示：
圖9 縱剖面圖
優化后設計為整體式內缸，取消獨立噴嘴室，減少漏點；優化進汽型線，減少效率損失；同時該結構整體應交較小，減小機組長期運行后的汽缸變形。中壓側取消BDV 接口及葉輪冷卻接口，減少漏汽及蒸汽耗損，提升機組經濟性。優化后內缸如圖10 所示：
圖10 優化后高中壓內缸示意圖
通過對改造部件進行結構優化，對重要部件進行有限元分析，增加其強度與剛度，降低機組運行時部件的應力水平。機組長期運行后，汽缸不易變形，各密封面處不張口，減少內漏。圖11 為汽缸在穩態運行時的Mises應力分布云圖。
圖11 應力云圖
高壓內缸在穩態運行時，汽缸整體的應力水平較低，中分面汽密性也滿足要求。圖12 為中分面接觸壓力分布云圖。
圖12 中分面接觸壓力分布圖
低壓缸結構重新設計，新方案取消了原來單獨的低壓進汽室，將進汽部分結構整體焊接到低壓缸上，這樣就避免了原來因裝配而帶來的蒸汽泄漏的問題。如圖13所示，新方案取消了中分面整體法蘭結構，而將中分面法蘭分散，使中分面螺栓只提供密封功能，不受軸向力；中分面法蘭分散還可避免原來因法蘭為整板而產生的熱應力及變形的情況，因此新方案降低了因中分面變形而產生蒸汽泄漏的概率。新方案低壓內缸采用斜置式支撐結構，并采用加強筋增加軸向剛度。新方案的結構具有一定的自密封性，在蒸汽壓力下，其受力特點可使中分面被壓的更緊，輔助中分面密封。
圖13 低壓缸結構優化設計
2.3 優化汽封配置
對已投運機組來說，漏氣損失是影響機組效率的主要因素。從保證機組經濟性而言，要求汽封漏汽量越少越好，也即汽封間隙越小越好；從保證機組運行安全而言，要求在各種狀態下，汽封不和轉子發生摩擦，或發生摩擦但對轉子磨損小。因此，對汽封要求是：泄漏量小，而且對轉子產生的附加作用力和損傷也要小。
從汽輪機的實際運行情況分析，影響汽輪機組效率的主要原因（只考慮汽輪機本體）有兩個方面：一是由于受機組當時設計制造水平的限制；二是汽輪機在安裝、檢修過程中，為保證機組的安全運行，采用傳統疏齒式汽封，并且人為地放大汽封間隙，增加了漏汽損失。錯齒汽封是近年來東汽大量采用的一種新型汽封形式，目前該種汽封已廣泛應用于機組軸封，以及反動式機組葉頂汽封位置，錯齒汽封主要結構如圖14 所示，采用填絲材料將汽封片鑲嵌于轉子及汽封圈上，相比傳統汽封形式，錯齒汽封主要具有以下優點：
圖14 汽封優化設計
1）取消轉子城墻齒，在相同長度范圍內，能夠設置更多的有效齒，增加密封性，減少軸封漏汽，提高機組經濟性。
2）汽流經過錯齒汽封齒，將會產生漩渦，使蒸汽能量耗散，增加密封性，減少軸封漏汽，提高機組經濟性。
東汽在自建汽封試驗臺上能進行各種典型密封結構的全尺寸試驗，運用高精度的測試系統得到準確可靠的試驗結果，真實、精確的反映了汽封的密封性能。東汽具有多種汽封的使用經驗，可根據用戶需求采用不同類型的汽封，在特殊部位采用特殊汽封，如刷式汽封、封嚴汽封、蜂窩汽封、布萊登汽封等（見圖15）。
圖15 東汽常用的汽封結構
2.4 低壓葉片防水蝕措施
為確保機組安全運行，東汽在設計時采取了完善的防水蝕及抗應力腐蝕措施來確保機組長期安全、經濟地運行。采用的主要措施有：
2.4.1 被動措施
大水滴撞擊動葉過程中，被動采用各種表面抗蝕技術，來提高金屬的抗侵蝕性能。主要手段為對葉片易受水滴撞擊的部位進行處理，包括對動葉葉頂部進行淬硬處理（如火焰淬硬、電火花強化、噴丸、等離子噴涂、表面氮化等，見圖16），動葉頂部堆焊司太立合金選用高合金葉片鋼等。
圖16 自動化高頻淬火設備
2）通過靜動間軸向間隙的設計，使水滴碎化，降低水滴半徑，減小對動葉進口的沖擊；
3）末級動葉葉身進行噴丸表面處理，提高其抗水蝕特性；
4）末級動葉對靠近動葉頂部進口區域進行高頻淬火工藝處理，大幅提高其抗水蝕特性。
根據水相演變過程中的形態及運動特性，主動采取各種除濕技術。除濕裝置和措施主要有：中間再熱、水分離/加熱器、隔板外環開設疏水孔/槽、加大靜葉柵與動葉柵的軸向距離、空心導葉除濕等（見圖17）。
圖17 低壓次末級隔板去濕結構示意圖
該方法主要利用水滴的徑向運動特性使水滴進入疏水孔、匯集到低壓缸下部疏水管后排出。
由于末級蒸汽濕度大，末級隔板出汽邊外沿裝有去濕環（見圖18），汽流中的小水滴在離心力的作用下落入去濕環中，繞過末級動葉，直接進入排汽口，去濕環可以有效地減輕末級動葉的水蝕現象。
圖18 末級動葉優化設計
通過以上措施，可使得末幾級動葉水蝕處于較低水平，不會對葉片安全可靠性造成影響。該系列技術成熟可靠，已在東汽機組中大范圍運用。
3 典型機組保效效果
近年來，東汽加強對汽輪機性能老化的研究并應用工程實踐，委托國內權威機構進行缸效率和熱耗測試。從已掌握的亞臨界和超臨界汽輪機試驗數據來看，保效性能優良。
3.1 北方臨河熱電廠亞臨界300 MW機組
表1 北方臨河熱電廠亞臨界300MW機組試驗數據
在沒有老化修正的情況下，北方臨河電廠機組運行3年后，熱耗率沒有升高，保效性能優異。
3.2 德州老化試驗
針對亞臨界700 MW 機組，從老化試驗情況來看，德州改造機組運行10個月后老化系數僅為0.18%左右，低于ASME規程的0.31%，保效性能良好。
3.3 景德鎮、鄒縣老化試驗
針對超超臨界機組，從老化試驗情況來看，景德鎮改造機組運行18 個月后老化系數僅為0.327%左右，低于ASME 規程的0.567%；而鄒縣改造機組運行23 個月后老化系數僅為0.464%左右，低于ASME 規程的0.615%，保效性能良好（見圖19）。
圖19 部分機組老化系數
4 結語
火電行業整體發電小時數和平均負荷率的下滑促使汽輪機提效和保效技術研究不斷深入。東汽立足自主研發與國際合作相結合的技術路線，建立以“理論優化→廠內試驗驗證→改造機組工業驗證→新機組應用”為特點的研制體系。實踐顯示，東汽第三代和第四代通過應用以上種種新技術，可以保證各項經濟指標在安裝調試完成后能達到機組設計值，使新建機組能長期安全連續高效運行；對于現役機組，采用新結構、新技術進行通流改造可以大幅降低老機組熱耗，也是減小性能老化速率的最有效手段。
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注：原文發表于《江西電力》2023年第2期
文章來源： 集控運行專業技術交流平臺
