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200MW汽轮机通流改造分析

学校代码：

10128

学号：

200930301025

本科毕业论文

题目：

200MW汽轮机通流部分改造分析

学生姓名：

郭强

学院：

能源与动力工程

系别：

热能与动力工程系

专业：

热能与动力工程

班级：

热动09-4班

指导教师：

张立茹副教授

二〇一三年六月

摘要

汽轮机是以蒸汽为工质的将热能转变为机械能的大型旋转式原动机，它是火电厂的三大主要设备，其通流部分的运行情况直接决定了火电厂的经济效益。

我国自20世纪80年代后期开始重视和研究汽轮机组技术改造工作，经过近30年的发展，围绕着提高效率和效益、改善环境、降低成本的宗旨，各火电厂开始实施旧机组通流部分改造。

本文较为详细的分析了200MW汽轮机通流部分普遍存在的问题和原设计制造存在的缺陷，结合汽轮机通流部分的理论基础，提出了对200MW汽轮机通流部分的改造措施，目前国内的各大汽轮机厂消化吸收了较为先进的三元流技术、引进最新型叶型、结构、工艺的通流改造技术，降低了通流部分的能耗，提高了机组的效率，增加了机组出力。

接着通过对华能淮阴电厂N200-12.75/535/535型汽轮机和丰镇电厂N200-130/535/535型汽轮机低压缸改造前后各项数据的分析证明了通流改造的必要性。

关键词：

200MW汽轮机；通流部分；改造分析

Abstract

Steamturbineastheworkingsubstanceisheatenergyintomechanicalenergyoflargerotatingprimemover,Itisthemainequipmentofthethreethermalpowerplants,Partofitsflowdirectlydeterminestheoperationoftheeconomicbenefitsofthermalpowerplants.

Chinasincethelate1980s,startingtofocusontechnologicalinnovationandresearchworkofSteamTurbine,Afternearly30yearsofdevelopment,Aroundefficiencyandeffectiveness,improvetheenvironment,reducethecostofthepurpose,theoldunitthermalpowerplantbeganFlowtransformation.

Thismoredetailedanalysisofthe200MWsteamturbineflowpassageofacommonproblemandoriginaldesignmanufacturingdefects,TurbineFlowcombinesthetheoreticalbasis,Presentedto200MWturbineflowpartofthetransformationmeasures,Currently,themajorsteamturbineplantdigestionandabsorptionofmoreadvancedthree-dimensionalflowtechnology,Theintroductionofthelatestleaftype,structure,processflowmodification,techniques-Lowerpartoftheenergyflow,improvetheefficiencyoftheunit,increasingtheunitoutput.FollowedbyHuanengHuaiyinPowerPlantTurbineandFengzhenN200-12.75/535/535N200-130/535/535typesteamturbinepowerplantbeforeandafterthetransformationofthedataflowanalysisprovesthenecessityofreform.

Keywords:

200MWSteamturbine;Flowpassage;TransformationAnalysis

目录

第一章绪论1

1.1选题背景1

1.2选题意义1

1.3汽轮机通流改造现状2

1.3.1国外汽轮机通流部分改造现状2

1.3.2国内汽轮机通流部分改造现状2

1.4本文的主要内容3

第二章汽轮机通流改造的基本理论4

2.1汽轮机通流部分4

2.1.1静子4

2.1.2转子6

2.3通流部分及其装置的评价指标8

2.3.1汽轮机的相对内效率8

2.3.2机械效率8

2.3.3发电机效率9

2.3.4汽轮发电机组的相对电效率9

2.3.5汽轮发电机组的绝对电效率9

2.3.6汽轮机的汽耗9

2.3.7汽轮机的热耗率10

第三章200MW汽轮机通流部分存在的问题12

3.1通流部分结构不合理12

3.2通流部分损失大13

第四章汽轮机改造措施及效果分析15

4.1汽轮机通流部分改造技术原则15

4.2改造目标15

4.3通流部分技术改造措施16

4.4200MW汽轮机通流部分改造后的实例分析20

4.4.1华能淮阴电厂N200-12.75/535/535型汽轮机的改造20

4.4.2丰镇电厂N200-130/535/535型汽轮机低压缸的改造21

第五章总结22

参考文献23

谢辞25

第一章绪论

1.1选题背景

随着经济快速发展，特别是“十一五”以来，随着工业化、城市化进程加速，能源消费大幅增加，工业用能推动能耗快速上升，能源对外依存度逐年提高，以煤为主的能源格局对环境构成巨大压力。

电力行业是国家的基础能源行业，电力行业的健康发展关系国家命脉。

随着电力工业的发展和电力体制的完善，电力行业竞争日益激烈，节能更是电力企业减低成本，增强自身竞争力的有效手段。

电力工业正在进行的体制改革，标志着电力工业在建立社会主义市场经济体制中进入了一个新的发展时期。

这种新的形势要求各发电公司必须狠抓安全生产，强化设备可靠性管理工作，同时需要认真研究市场动向，努力降低成本，提高经济性，只有这样最终才能取得良好成效，提高企业竞争能力。

机组的经济性和可靠性将直接关系到企业的信誉、效益、生存和发展。

发电站是能源的转换工厂。

火电发电机组的任务是将煤炭等一次能源的化学能转换为电能，锅炉、汽轮机、发电机是大型火力发电机组的主要设备。

锅炉将煤炭、油、天然气等资源的化学能转换为工质的热能；汽轮机将工质的热能转换为机械能；发电机将机械能转换为电能并输出到电网。

其中汽轮机组承担着国家大部分电力的生产任务，也消耗了大量一次能源。

因此，对汽轮机发电机组进行通流部分改造，以提高经济性和可靠性，意义重大。

1.2选题意义

汽轮机的通流部分对汽轮发电机组的功率、可靠性和热经济性有着决定性的影响。

国内外汽轮机组的长期运营实践表明，随着时间的推移和科学技术的不断进步，同类型机组的热耗在逐步下降，一般规律是每隔10年下降1%~2%，即在相同的蒸汽参数和功率等级条件下，对于机组的热耗值，20世纪90年代设计制造的机组要比80年代的低1%~2%。

同时，机组经过长期的运行，会出现老化现象，通流部分的完整性（包括型线、表面粗糙度等）会有损伤，间隙会增大，部件有变形等也会使机组的热经济性和可靠性有所降低，而汽轮机发电机组的服役期通常为30年。

当前的做法是在服役期限未到之前，一般是服役10余年（视不同电厂、不同机组而定）后选择适当时期对老机组进行技术改造，把切实可行的新技术用上去，更换必要的部件，使机组的可靠性、热经济性以及出力能力都得到提高。

200MW汽轮机由于设计年代较早，限于当时设计技术水平和制造条件，加之运行时间太长，主设备严重老化，能量消耗非常严重。

所以汽轮机通流部分效率较低，热耗，煤耗高，机组热力性能较差，与现代大型汽轮发电机组相比，缺乏竞争力。

因此，提高汽轮机通流部分效率，增加功率及降低煤耗，提高机组运行可靠性是势在必行之举。

1.3汽轮机通流改造现状

1.3.1国外汽轮机通流部分改造现状

火电厂汽轮机组的设计寿命通常为30~40年，当接近设计寿命时，它的可靠性、可用率和效率会迅速降低。

目前许多大型火电厂原是按基本负荷设计的，后来随着老机组台数逐年增加和新型高效率机组的不断投运以及电网用电结构的变化，昼夜需电量的峰谷差不断扩大，迫使现有汽轮机组带周期性负荷或中间负荷。

这种运行方式，对机组的使用寿命有很大的影响。

电力系统的这一老化趋势已经引起美国、日本和西欧一些工业发达国家的高度关注。

汽轮机作为一种大型叶轮机械，汽轮机改造的科技含量高，工艺制造难度大，目前世界上只有美、英、日、德、俄、法、瑞士等工业发达国家具备先进的技术。

近年来，美国、日本等国对运行中的汽轮机组进行改造，并做了大量的工作，取得了显著成绩。

二十世纪九十年代以来，以全三维气动热力设计体系为核心的第三代新技术己成为世界范围内汽轮机技术进步的主流。

采用了当代计算流体力学的最新成就，即全三维粘性N.S方程数值解来分析级内全三维流场，气动热力设计从一维、二维（准三维）进入全三维阶段。

通流部分气动热力设计概念的进步使汽轮机热效率有了显著提高，汽轮机热耗比六十年代前设计的汽轮机下降3%~4%。

对典型冲动式汽轮机级，动、静叶片的型损失约占流道总损失的1/3，二次流损失约占1/3，其它非叶片部件约占1/3。

九十年代以来世界各国开发的新一代汽轮机叶型的基本特征是作用于叶型表面的气动负荷的最大值位于叶型的后部，因此称为“后加载”叶型，而传统叶型的最大气动负荷往往在叶型前部。

后加载气动布局的作用主要不是减少叶型损失，而是减少叶栅流道的二次流损失。

国外的实验研究表明，后加载叶型可使叶栅总损失下降20%~25%。

1.3.2国内汽轮机通流部分改造现状

随着发电设备设计制造技术、加工工艺水平的不断提高以及计算机技术的更新进步，加之国内各制造厂与国外制造公司合作，各方面水平有了长足的进步，为火电厂对机组进行技术改造创造了条件。

国际上一些工业先进的国家亦将老机组改造放在重要位置上，因为老机组采用新技术改造，不仅效率提高、出力增加，而且可大大节省基建投资，使老机组“焕发青春”，真正做到“物尽其才。

我国的火电机组中，性能较好的大型新机组约占1/3，大部分在运机组设计年代早，热力性能差，还有不少应淘汰的小机组。

这导致我国目前火电平均供电煤耗比发达国家水平高约1/4。

为此全国每年多消耗标煤约5500多万吨，造成能源的巨大浪费和环境污染的加剧。

这一情况早已引起国家有关部门和专家的高度重视，国家经贸委把“火电老机组完善化改造”列为“八五”双加强重点技改项目，全国各地都在20世纪80年代后期开始重视和研究汽轮机组技术改造工作。

经过近二十几年的发展，围绕提高效率和效益、改善环境、降低成本，各汽轮机制造厂纷纷引进和消化国外最先进的、成熟的三维气动热力设计技术，开始有计划、有规模地实施旧机组通流部分改造。

总体来看，汽轮机通流改造后，机组效率提高，热耗率下降，出力可增加，经济效益显著。

国产200MW汽轮机高、中、低压缸效率与国外同容量机组存在一定的差距，见表1-1。

究其原因，关键在于国产机组通流部分设计落后，蒸汽流动效率低下。

表1-1国产200MW汽轮机高、中、低压缸效率与国外机组的比较

项目

高压缸

中压缸

低压缸

国产机组

0.800~0.820

0.900~0.908

0.785~0.815

国外机组

0.890

0.900~0.920

0.896

1.4本文的主要内容

本文首先介绍了选题的背景、意义以及近年来国内外对汽轮机通流部分研究改造的现状，接着对汽轮机的结构、通流部分的概念和通流部分及其装置的评价指标进行了描述，然后分析了200MW汽轮机通流部分的存在的普遍问题，论述了通流改造的必要性。

本文重点阐述了200MW汽轮机通流改造的具体措施，然后通过实例分析证明通流改造的效果和价值。

第二章汽轮机通流改造的基本理论

2.1汽轮机通流部分

汽轮机通流部分是工质在汽轮机本体中流动做功所经过的汽轮机部件的总称。

汽轮机通流部件主要包括静止部分和转动部分，静止部分包括汽缸、喷管、隔板、隔板套（或静叶持环）、汽封、轴承、滑销系统以及有关紧固件等。

转动部分包括动叶栅、叶轮（转鼓）、主轴和联轴器以及紧固件等旋转部分。

2.1.1静子

1.汽缸

汽缸即汽轮机的外壳，是汽轮机静止部分的主要部件之一。

它的作用是将汽轮机的通流部分与大气隔绝，以形成蒸汽能量转换的封闭空间，以及支承汽轮机的其他静止部分（如隔板、隔板套、喷管室等）。

对于轴承座固定在汽缸上的机组，汽缸还要承受汽轮机转子的部分质量。

汽缸一般分为水平中分式，上、下两个半缸通过水平法兰用螺栓紧固。

为了便于加工和运输，汽缸也常以垂直接合面分成几段，各段通过法兰螺栓连接。

汽缸通过猫爪或撑脚支承在轴承座或基础台板上，汽缸的外部连接有进气管、排气管和抽气管等管道。

对于中小功率的汽轮机，一般都设计制造成单体缸；而功率较大些（100MW）以上的机组，特别是再热机组，都设计成多缸结构，按汽缸进汽参数的不同，分别称为高压缸、中压缸和低压缸。

根据每个汽缸的工作条件不同，汽缸可设计制造成单层缸、双层缸和三层缸。

按通流部分在汽缸内的布置方式可分为顺向布置、反向布置和对称分流布置；按汽缸形状可分为有水平接合面的或无水平接合面的以及圆筒形、圆锥形和阶梯圆筒形。

2.隔板、隔板套和静叶环、静叶持环

冲动式汽轮机为隔板型结构，汽缸上有固定静叶的隔板和支承隔板的隔板套；反动式汽轮机为转鼓型结构，汽缸上有静叶环及支承静叶环的静叶持环。

1）隔板

隔板是汽轮机各级的间隙，用以固定汽轮机各级的静叶片和阻止级间漏气，并将汽轮机通流部分分隔成若干个级。

隔板可以直接安装在汽缸内壁的隔板槽中，也可以借助隔板套安装在汽缸上。

隔板通常做成水平对分形式，其内圆孔处开有隔板汽封的安装槽，以便安装隔板汽封。

2）隔板套

隔板套用来固定隔板。

现代高参数大功率汽轮机往往将相邻的几级隔板装在同一隔板套中，隔板套再固定于汽缸上。

隔板套结构上的分级基本上是由汽轮机抽汽情况决定的，相邻隔板套之间有抽汽，这样可充分利用隔板套之间的环状汽流通道，而无须借加大轴向尺寸的办法取得必要的抽汽流通面积。

隔板套分为上下两半，二者通过中分法兰用螺栓和定位螺栓连接在一起。

隔板套在汽缸内的支承和定位采用悬挂销（搭子）和键的结构。

隔板套通过其下半部分两侧的搭子支承在下汽缸上，其上下中心位置由其底部的定位销或平键定位。

为保证隔板套的自由膨胀，装配时隔板套与汽缸凹槽之间留有1~2mm的间隙。

3）静叶环和静叶持环

在反动式汽轮机中没有叶轮和隔板，动叶片直接装在转子的外缘上，静叶则固定在汽缸内壁或静叶持环上。

静叶环和静叶持环一般为水平中分式。

3.轴承

轴承是汽轮机的一个重要组成部件。

汽轮机采用的轴承有径向支持轴承和推力轴承两种。

径向支持轴承用来承担转子的重量和旋转的不平衡力，并确定转子的径向位置，以保持转子旋转中心与汽缸中心一致，从而保证转子与汽缸、汽封、隔板等静止部分的径向间隙正确。

推力轴承承受蒸汽作用在转子上的轴向推力，并确定转子的轴向位置，以保证通流部分动静间正确的轴向间隙。

推力轴承被看成转子的定位点，或称汽轮机对转子的相对死点。

由于汽轮机轴承是在高转速、大载荷的条件下工作，因此，要求轴承工作必须安全可靠，另外还要摩擦力小。

为了满足这两个要求，汽轮机轴承都采用以油膜润滑理论为基础的滑动轴承。

这种轴承采用循环供油方式，由供油系统连续不断地像轴承供给压力、温度合乎要求的润滑油。

转子的轴颈支承在浇有一层质软、熔点低的巴氏合金，俗称乌金的轴瓦上，并做高速旋转。

为了避免轴颈和轴瓦直接摩擦，必须用油进行润滑，建立液体油膜，从而减少轴颈和轴瓦间的摩擦阻力。

4.汽封

汽轮机运转时，转子高速旋转，而汽缸、隔板等静止部分则固定不动，为避免转子与静子间碰磨，他们之间应留有适当的间隙。

有间隙的存在，就会导致漏汽。

在汽轮机级内，主要是在隔板和主轴的间隙处，以及动叶顶部与汽缸（或隔板套）的间隙处存在漏气。

为了减小蒸汽的泄漏和防止空气漏入，在这些间隙处设置有密封装置，通常称之为汽封。

汽封按其安装位置不同，可分为通流部分汽封、隔板（或静叶环）汽封、轴端汽封。

反动式汽轮机还装有高、中压平衡活塞汽封和低压平衡活塞汽封。

轴端汽封：

主轴穿出汽缸处的汽封，该汽封用于减少蒸汽自缸内向缸外泄漏或防止空气漏入汽缸。

隔板汽封：

隔板（或静叶环）内孔与主轴间隙处的汽封，用于减少动叶隔板（或静叶环）前后的漏汽。

通流部分汽封：

动叶栅与隔板及汽缸之间间隙处的汽封，用于减少动叶根部和顶部的径向和轴向漏汽。

汽封的结构形式有曲径式、炭精式和水封式等。

在现代汽轮机中广泛采用齿形曲径汽封。

在汽轮机的高压段（或高中压段）常采用高低齿曲径轴封；在汽轮机的低压段（或低压缸）常采用平齿光轴轴封。

2.1.2转子

转子是汽轮机转动部分的总称，主要由主轴、叶轮（或轮毂）、动叶及联轴器等组成，它是汽轮机最主要的部件之一，起着工质能量转换及扭矩传递的任务。

它汇集了各级动叶栅上得到的机械能并传给发电机（或其他机械）。

汽轮机工作时，转子的工作条件相当复杂，它处在高温工质中，并以高速旋转，它不仅承受着叶片、叶轮、主轴本身质量离心力所引起的巨大应力、蒸汽作用在其上的轴向推力以及由于温度分布不均匀引起的热应力，而且还要承受巨大的扭转力矩和轴系振动所产生的动应力，因此要求转子具有很高的强度和均匀的质量，以确保安全工作。

汽轮机转子可分为轮式和鼓式两种基本形式，轮式转子具有安装动叶片的叶轮，鼓式转子则没有叶轮，动叶片直接装在转鼓上。

通常冲动式汽轮机转子采用轮式结构，反动式汽轮机转子采用鼓式结构。

按主轴与其他部件间的组合方式，轮式转子有套装式、整锻式、组合式和焊接式四种结构形式。

1）叶轮

叶轮是用来装置叶片并传递汽流力在叶珊上产生的扭矩的。

由于处在高温工质内并以高速旋转，使叶轮受力情况非常复杂：

除叶轮自身和叶片等零件的质量引起巨大的离心力外，还有因温度沿叶轮径向分布不均匀所引起的热应力、叶轮两边蒸汽的压差作用力以及叶片--叶轮振动引起的震动应力，对于套装叶轮，其内孔上还受到因装配过盈而产生的接触压力。

叶轮的结构与转子的结构形式密切相关，叶轮有轮缘、轮面和轮毂三部分组成。

轮缘上开有叶跟槽用来装置叶片，其形状取决于叶跟的型式；轮毂是为了减小内孔应力的加厚部分，其内表面上通常开有键槽；轮面把轮缘与轮毂连接成一体，高、中压级叶轮的轮面上还通常开有5~7个平衡孔。

2）动叶片

动叶片就是在汽轮机工作过程中随汽轮机转子一起转动的叶片，也称工作叶片，动叶片安装在叶轮或轮毂上，由多个叶片组成动叶栅。

其作用是将蒸汽的热能转换为动能，再将动能转换为汽轮机转子的机械能，使转子旋转。

叶片是汽轮机重要的零件之一，是汽轮机中数量和种类最多的零件其工作条件和复杂，除因高速转动和气流作用而承受较高的静应力和动应力之外，还因其分别处在高温过热蒸汽区、两相过渡区和湿蒸汽区内工作而承受高温、腐蚀和冲蚀作用。

因此叶片结构的型线、材料、加工、装配质量等直接影响着汽轮机中能量转换的效率和汽轮机工作的安全性。

为了使汽轮机安全经济运行，在设计、制造叶片时，对动叶的要求有：

具有良好的空气动力特性，提高流动效率；要有足够的强度；对于湿汽区工作的叶片，要有良好的抗冲蚀能力；要有完善的震动特性；结构合理，工艺良好。

3）联轴器

联轴器又叫做背轮或对轮，用来连接汽轮机各个转子以及发电机的转子，并将汽轮机的扭矩传给发电机。

在多缸汽轮机中，如果几个转子合用一个推力轴承，则联轴器还将传递轴向推力。

联轴器一般有三种形式：

刚性联轴器、半挠性联轴器和挠性联轴器。

4）盘车装置

在汽轮机内不进蒸汽时就能使转子保持转动状态的装置称为盘车装置。

盘车装置的作用是在汽轮机启动冲转前或停机后，让转子以一定的速度连续转动起来，以保证转子均匀受热或冷却，从而避免转子产生热弯曲。

汽轮机启动时，为了迅速提高真空，常在冲转前向汽轮机轴封供汽，这些蒸汽进入汽缸后大部分滞留在汽缸上部，造成汽缸与转子上下受热不均匀，如果转子静止不动，便会引起自身上下温差而产生向上弯曲变形。

变行后的转子其重心与旋转中心不重合，机组冲转后势必会引起振动，甚至还可能造成动静部分摩擦。

因此，在汽轮机冲转前要用盘车装置带动转子做低速转动，以便使转子受热均匀，有利于机组顺利启动。

汽轮机的盘车装置在机组启动前即投入运行，机组的冲转是在盘车状态下进行的。

为此，对盘车装置的要求是：

它既能盘动转子，又能在汽轮机转子冲转，当转速高于盘车转速时自动脱开，并使盘车装置停止转动。

盘车装置的分类有以下几种型式：

按其动力来源分，可分为电动盘车和液动盘车；按其结构特点分，可分为具有螺旋轴的电动盘车、具有摆动齿轮的电动盘车以及具有链轮--蜗轮蜗杆的电动盘车；按盘车转速的高低分，可分为低速盘车（转速为2~4r/min）和高速盘车（转速为40~70r/min）。

2.3通流部分及其装置的评价指标

热力发电厂的生产过程实际上是一系列的能量转换过程，从热力学可知，热能是不可能被全部转换成机械能的。

在实际的汽轮机装置中，除循环的冷源损失外，还存在有各种热力损失以及机械、电机等损失，故在汽轮机装置中，通常用各种效率来评价整个能量转换过程的完善程度。

2.3.1汽轮机的相对内效率

在汽轮机中，由于能量转换存在损失，蒸汽的理想比焓降

（2-1）

相应地，汽轮机的内效率

（2-2）

式中：

和是分别以t/h和kg/s为单位的汽轮机进汽流量。

2.3.2机械效率

汽轮机运行时，要克服支持轴承和推力轴承的摩擦阻力，还要带动主油泵、调速器等，这都将消耗一部分有用功而造成损失，这种损失称为机械损失。

由于存在机械损失，汽轮机联轴器上可用来带动发电机的功率（称为汽轮机的轴端功率或有效功率）将小于汽轮机实际发出的功率（内功率）。

因此，汽轮机的机械效率为：

（2-3）

式中：

--汽轮机的有效功率；

--汽轮机的内功率；

--机械损失，其大小与转速有关，并随转速增大而增大。

对于同一台汽轮机，在一定转速下机械损失在不同负荷下近似为一常数，因此汽轮机的机械效率是随着内功率的增大而增大的。

对于不同功率的机组，功率大的机组的调速器、主轴泵等所消耗的功率并不是成比增大，所以大功率机组的机械效率比小功率机组的高。

2.3.3发电机效率

考虑了发电机机械损失和电气损失后，发电机出线端的要小于汽轮机的轴端功率，两者之比即为发电机效率，可表示为：

（2-4）

式中：

为发电机损失，包括发电机的机械损失（机械摩擦和鼓风等）和电气损失（电气方面的励磁、铁心损失和线圈发热等）。

2.3.4汽轮发电机组的相对电效率

由以上各式可得

（2-5）

由上式可知，表示1kg蒸汽所具有的理想比焓降中有多少能量最终被转换成电能，称为