第４Ｏ卷第２期 ２０１１年６月 Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．２ Ｊｕｎ．２０ｌｌ 大型火电机组汽轮机通流状态评估技术的分析应用 杨海生 （河北省电力研究院，河北石家庄０５００２１） 摘要：对汽轮机通流状态经济性评估的基本概念进行了阐述，并对影响汽轮机通流效率的各项因素的作用 机理进行了定性分析。通过汽轮机通流部分的经济性状态评估，可以利用相关的分析工具软件对影响汽轮机 通流部分经济性的因素进行有效分析及计算，并为电厂大修中汽轮机内部通流检修工作确定检修的重点。以 某一超临界６６０ＭＷ汽轮机为例，给出了汽轮机通流状态经济性评估的大修通流状态实测数据及评估结果，证 明了通流状态评估技术的优越性。 关键词：汽轮机；通流状态；经济性；评估 中图分类号：ＴＫ２６２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—５５４９｛２０１１）０２—００７８—０４ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｔｅａｍ Ｐａｔｈ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｌａｒｇｅ Ｓｔｅａｍ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ ＹＡＮＧ Ｈａｉ—ｓｈｅｎｇ （Ｈｅｂｅｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｈｅｂｅｉ ０５００２１；Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｍａｄｅ ｏｎ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｔｈｅ ｔｕｒｂｉｎｅ ｓｔｅａｍ ｐａｔｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｒｂｉｎｅ ｓｔｅａｍ ｐａｔｈ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｅａｍ ｔｕｒｂｉｎｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｃａｎ ｂｅ ｍａｄｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｔｏｏｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｓｔｅａｍ ｐａｔｈ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｈｅｌｐ ｔｈｅ ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｍａｋｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ａｒｅａ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｔｕｒｂｉｎｅ ｏｖｅｒｈａｕ１．Ｔａｋｉｎｇ ｏｎｅ ｓｕｐｅｒｅｒｉｔｉｃａｌ ｓｔｅａｍ ｔｕｒｂｉｎｅ ８．８ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄａｔａ ａｎｄ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｕｒｂｉｎｅ ｏｖｅｒｈａｕｌ Ｃａｎ ｂｅ ｇｏｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｓｔｅａｍ ｔｕｒｂｉｎｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｐｒｏｖｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｔｅａｍ ｔｕｒｂｉｎｅ；ｓｔｅａｍ ｐａｔｈ；ｅｃｏｎｏｍｙ；ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ 国内大型汽轮机，无论是新投运机组，还是正 大修项目进行维修，但由于机组运行状态及汽轮 常运行机组，普遍存在着汽轮机通流效率偏低的 机形式上的差别，每台汽轮机在大修中的检修重 技术问题，对大型火电机组的运行经济性产生很 点及策略并不相同。汽轮机通流部分经济性，存 大的影响。如某６００ＭＷ超临界机组，投运后验 在着各种多变的影响因素，例如汽封间隙改变、通 收试验结果表明，高压缸本体效率比设计效率值 流部分叶片表面结垢、叶片叶型受损、叶片表面粗 低１．３％，中压缸本体效率比设计效率值低１．２％， 糙度增大等。但现场工作中，由于缺少一种实用 低压缸本体效率比设计效率值低１．５％。综合下 的方法或工具对影响汽轮机通流部分经济性的各 来，由于本体效率偏低，将影响机组热耗及煤耗值 项因素进行定量分析和计算，造成汽轮机大修中 达１．５％。因此，对影响汽轮机通流效率的各种 无法确定检修重点和主要控制目标。 因素进行定量分析，并进行针对性的检修工作，对 汽轮机通流状态经济性评估技术，由于可以 提高汽轮机通流效率进而改善机组运行的经济性 实现对影响汽轮机通流效率的各种因素的定量分 具有重要意义 析，已在国外汽轮机检修实践中得到了应用，并且 目前，国内汽轮机在大修中普遍采用标准的 取得了成功。 收稿日期：２０１ｌ—Ｏ１一ｏ４ 修订日期：２０１１—０４—２０ 作者简介：杨海生（１９７４一），男，河北井陉人，毕业于哈尔滨工程大学，学士，工程硕士，高级工程师，２００８年获英国工程技术学会（１ＥＴ） ＭＩＥＴ会员证书及英国工程学会（ＥＣ—ＵＫ）注册企业工程师证书，副主任工程师，主要研究方向热力发电厂节能及经济性分析、 电厂汽轮机及系统调试、蓄冷电力需求侧项目评价等。 圈重ｎｉｌ｜ 大型火电机组汽轮机通流状态评估技术的分析应用 热力透平 厚度越薄，则表面粗糙物更易于穿越层流区，产生 ｌ 汽轮机通流状态经济性评估的基 本概念 汽轮机通流状态经济性评估，重点是对汽轮 机本体的通流部分的经济性进行评估，通过评估 来确定本体因素中影响通流效率的主要因素，并 额外的磨擦损失。 （３）固体颗粒侵蚀的作用机理 Ｊ。固体颗粒 侵蚀可直接造成汽轮机通流效率的降低及运行成 本增加，其主要原因如下： ・动叶进口汽流角度处在非设计状态 ・动叶及静叶的型线损失 提供定量的影响数据。 完整的汽轮机通流状态经济性评估，包括以 下三方面的内容： （１）对影响汽轮机通流效率的汽轮机内部通 流状态进行完整的检查； （２）根据大修中现场检查得到的数据，采用 专用评估工具进行定量的评估，确定出各种影响 因素对汽轮机通流部分效率影响的定量数据； （３）向电厂检修部门提供评估计算结果，并 确定本次汽轮机大修中的检修重点部位及检修策 略。 １．１影响汽轮机通流效率的因素 大多数汽轮机内的损失可以归纳为两种类 型，即泄漏损失和非泄漏损失 。造成这两类 损失的主要因素如下： （１）泄漏损失 动叶顶部径向密封损失； 静叶汽封或级问汽封； 端部汽封或轴封； 其它泄漏（平衡孔堵头、内缸、密封环等）。 （２）非泄漏损失 通流损坏，包括固体颗粒侵蚀、叶片表面沉积 物、机械外物对叶片造成的损坏等； 叶片表面粗糙度增加； 叶片围带沉积物； 叶片出汽边厚度增加。 这些因素对汽轮机通流效率均产生不同程度 的影响，但其产生作用的机理是不同的。 １．２影响汽轮机通流效率因素的作用机理分析 （１）蒸汽泄漏偏离设计状态 。汽轮机内部 各种位置汽封及缸内的泄漏均属于这种类型。蒸 汽泄漏偏离设计，直接造成部分蒸汽无法在级内 正常做功，从而影响汽轮机效率。 （２）表面粗糙度增加造成额外的磨擦损 失 ］。例如，在高压缸内，通流级相比中、低压缸 而言在更高的雷诺数下运行，雷诺数越高，边界层 ・静叶片上的汽流分离 ・叶片出汽侧流动损失增加 ・汽轮机叶片表面粗糙度增加 ・由于颗粒物造成的径向叶顶汽封间隙增 加 这些原因中汽轮机叶片表面粗糙度增加，可 由叶片表面粗糙度增加的影响因素来进行分析； 径向叶顶汽封间隙增加，可由汽封间隙增加的影 响因素来进行定量分析。 （４－）叶片表面沉积物的作用机理 。叶片表 面的沉积物会产生两个效果，一方面是由于沉积 物使叶片表面粗糙度增加，降低了通流级的效率； 另一方面，由于表面沉积物的存在，使叶片之间通 流面积减少。 （５）机械外物对叶片损坏的作用机理。外物 对叶片损坏后，一方面改变了叶片的形状，造成某 一级通流面积的增大或减小；另一方面，根据叶片 损坏后的形状改变，必须对其影响级效率的程度 进行评估。 （６）动叶叶顶围带沉积物的作用机理。动叶 叶顶围带沉积物存在后，会对动叶叶顶区域的蒸 汽流动产生扰动，并产生额外的端部损失。 （７）叶片出汽边厚度增加对级效率的作用机 理。在设计中，叶片出汽边厚度一般在保证叶片 强度的前提下尽量保持较薄，以减小叶片出口气 流分离产生的损失。如运行或检修中，叶片出汽 边厚度增加（如对叶片出汽边进行焊补处理）后， 会增加叶片出口气流分离，产生额外的扰流，影响 通流级的效率。 ２ 国内外汽轮机通流状态经济性评 估技术的应用状况 国外大型汽轮机通流状态经济性评估的研 究，无论是理论还是实践，起步都比较早，并已在 工具软件方面很早就实现商用化。大的汽轮机制 ｉ ｎ■■ 第２期 大型火电机组汽轮机通流状态评估技术的分析应用 表１ 高压缸级间汽封实测间隙数据 造厂商，如ＳＩＥＭＥＮＳ、ＧＥ公司等都具有自己专用 的汽轮机通流状态经’济｜眭评估软件。比较成熟的 分析工具软件包括ＧＥ公司的ＳＰＡ２００２软件等。 这些软件均可以对汽轮机通流状态的经济性进行 评估及计算。但是这些软件由于涉及厂家的技术 专利，无法从正常渠道购买获得。 国外的相关分析工具软件在大的汽轮机制造 公司及研究机构等得到了比较广泛的应用。软件 在大型汽轮机通流状态经济性评估分析计算方 面，被研究机构或发电公司的性能分析工程师广 泛采用，这些软件一般均配合汽轮机的现场数据 测试，测试数据输入分析软件后可以很直观地获 得相关计算结果。国外公司如美国Ｅｎｃｏｔｅｃｈ公 司等应用通流评估软件对大型火电机组汽轮机、 大型核电厂汽轮机的通流性能经济性评估进行分 析计算，并可向发电公司提供针对性的汽轮机通 流状态经济性评估服务。 国内在汽轮机通流状态经济性评估技术的 应用方面，基本还处于空白阶段。一方面，国内 尚未见到相关的通流经济性评估工具；另一方 面，结合现场汽轮机实测通流数据，并进行汽轮 机通流状态评估的实例工程应用，文献中未见相 关报道。 ３ 汽轮机通流状态经济性评估技术 的现场应用 某新建６６０ＭＷ发电机组，汽轮机为某厂生 产的ＣＬＮＺＫ６６０－２４．２／５６６／５６６型超临界、一次中 间再热、单轴、二缸二排汽、直接空冷凝汽式汽轮 机。 汽轮机通流部分共２８级，其中高压缸有１个 单列调节级＋９个压力级，中压缸共６个压力级， 低压缸采用双流反动压力级，共２ ｘ６级。汽轮机 总长为２７．１０ｍ，低压末级叶片高度为９３９．８ｍｍ。 ３．１ 开缸后通流状态检查结果 对汽轮机开缸后的通流状态进行了测量和评 估，以高压缸为例，主要的测量数据如下表所示。 ３．２开缸后通流状态评估结果 本次汽轮机通流状态经济性评估采用专用评 估软件进行评估。将现场检查测量数据输入评估 软件进行计算，开缸后通流状态评估结果如下表 所示。 圈蟹ＩＩＩＩＩ１｜ 表２高压缸级间汽封实测间隙数据 表３ 高压缸各级叶片表面粗糙度实测数据 汽轮机通流状态因素 ） ） 大型火电机组汽轮机通流状态评估技术的分析应用 热力透平 评估结果图表上显示如图１所示。 ４ 结论 通过对影响汽轮机通流效率的各项因素的分 类阐述，以及对其作用机理的分析，本文介绍了汽 轮机通流状态经济性评估技术。特别是通过对某 一６６０ＭＷ大型汽轮机通流状态评估实例的介 绍，进一步证明了汽轮机通流状态评估技术在汽 轮机检修决策中的优点与重要作用。 裂 辎 裁罪 磬 辖 璺 辆 媛 娶 蟮 预计汽轮机通流状态评估技术在未来大型汽 嚣 赠 恒 轻 琼 筐｝－ 重 ￥ 藕 斌 匾 轮机通流效率分析及检修决策中具有广泛的应用 占 辑 霄 旧 匿 《 量 丑 前景，希望本文能为未来的汽轮机通流状态评估 Ｌ Ｌ 技术的工程应用，起到积极的推进作用。 图１ 汽轮机大修开缸后经济性状态评估结果 参考文献： 从计算结果来看，影响汽轮机通流效率的主 ［１］沈士一．汽轮机原理［Ｍ］．中国电力出版社，１９９２． 要因素是叶片表面粗糙度增加，其次是汽轮机汽 ［２］Ｋ．Ｃ．Ｃｏｔｔｏｎ，Ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ ａｎｄ Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ Ｓｔｅａｍ Ｔｕｒｂｉｎｅ 封泄漏，包括汽轮机轴封泄漏、叶顶汽封泄漏及级 Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｍ］，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｃｏｔｔｏｎ Ｆａｃｔ ｌｎｃ．，１９９３ 间汽封泄漏；汽轮机通流损坏因素主要是汽轮机 ［３］Ｒｏｅｄｉｇｅｒ，Ｐａｕｌ Ｆ．，“Ｏｐｅｎｉｎｇ ａｎｄ Ｃｌｏｓｉｎｇ Ｆｕｒｂｉｎｅ Ｓｔｅａｍ Ｐａｔｈ Ａｕｄｉｔｓ Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｓｔｅａｍ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ 叶片表面沉积物。 （ｅＳＴＰＥ）Ｐｒｏｇｒａｍ Ｖｅｒｓｉｏｎ ７．２”，Ｆｅｂｒｕａ￣２０，２００３ 根据汽轮机大修后开缸的通流状态经济性评 ［４］Ｐａｕｌ Ｅ．Ｂａｂｓｏｎ，“Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｓｔｅａｍ Ｐａｔｈ Ａｕｄｉｔｓ ｆｏｒ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ 估结果，可以确定汽轮机大修中的重点为叶片表 Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ Ｐｒｏｆｉｔａｂｉｌｉｔｙ”，Ｊｕｎｅ ６，１９９４ 面打磨及清理，以及汽轮机轴封间隙的调整。 ［５］Ｄｅｂｏｒａｈ Ｈ．Ｃｉｏｆｉｆ，“Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ Ｓｔｅａｍ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ”， Ａｕｇｕｓｔ １５，１９９６ （上接第７７页）于末级动叶顶部超音速流动，高马 的流动进行了研究，研究结果表明：该末级叶片和 赫数流动在扩散段内加速流动容易使得导流环侧 排汽缸的气动设计良好，末级叶片气动性能较高， 流速增大，易发生流动分离，在扩压器下游的气流 排汽缸压力恢复能强。通过计算发现排汽缸的流 形成两个较大尺度的通道涡，涡流的耗散性作用 动受末叶片气动参数影响较大，因此在今后设计 使得该部分区域的流动损失显著增加。 的过程中应考虑将末级叶片和排汽缸进行联合设 计，以确保满足设计要求。 参考文献： ［１］Ｌｅｙｚｅｒｏｖｉｅｈ，Ａ Ｓ．Ｓｔｅａｍ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ ｆｏｒ Ｍｏｄｅｒｎ Ｆｏｓｓｉｌ—Ｆｕｅｌ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔｓ［Ｍ］．ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ，Ｔａｙｌｏｒ＆Ｆｒａｎｃｉｓ Ｇｒｏｕｐ，２００７：１３５— １６８． ［２］樊涛，谢永慧．汽轮机排汽通道复杂流动数值模拟研究的进 展与现状［Ｊ］．热力透平，２００７，３６（３）：１４３—１４９． ［３］孔祥林．汽轮机低压排汽缸气动性能分析和结构改进设计 图７损失系数分布 ［Ｄ］．西安交通大学工学硕士学位论文，２００５． ［４］付经伦．轴流透平级与非轴对称排汽系统非定常相互作用研 ３ 总结 究［Ｄ］．中国科学院工程热物理研究所工学博士学位论文， ２ｏｏ７． 本文通过数值模拟方法对排汽缸和末级叶片 ！ｉｉ！ｌ！ｉ！ｉ ｉＷ ｉｌ ｌ圈