600MW超临界汽轮机通流部分改造

600MW超临界汽轮机通流部分改造

刘强

大唐七台河发电有限责任公司

单位省市：黑龙江省七台河市

单位邮编：154600

摘要：超临界汽轮机是一种高效的发电装置，具有能耗低、环境友好等优点，在电力工业中得到广泛应用。然而，随着运行时间的延长和负荷变化的频繁，超临界汽轮机的通流部分（包括叶片、导叶等）可能会出现磨损、裂纹、减振失效等问题，影响其性能和可靠性。因此，对600MW超临界汽轮机通流部分改造进行系统性的研究和分析，对于提高汽轮机的性能和可靠性具有重要意义，并具有一定的应用价值和推广前景。

关键词：600MW超临界；汽轮机；通流部分；改造策略

1超临界汽轮机的工作原理

1.1热力循环过程

超临界汽轮机采用的是一种闭式的热力循环过程，通常称为Rankine循环。在该循环中，热能从燃烧器中通过燃烧产生高温高压蒸汽，然后进入汽轮机进行能量转换，最终排出低温低压蒸汽。这一过程中，蒸汽通过多个级别的涡轮叶片，逐渐膨胀并释放能量。

1.2高温高压蒸汽进入涡轮

在超临界汽轮机中，高温高压蒸汽首先通过汽轮机的高压缸，进入第一级涡轮叶片组。蒸汽作用于涡轮叶片上，叶片开始旋转。蒸汽在涡轮中释放了一部分能量，压力和温度降低。

1.3蒸汽膨胀过程

蒸汽从高压缸出口流出，进入下一级低压缸。在低压缸中，蒸汽继续作用于涡轮叶片，进一步膨胀，释放更多的能量。蒸汽在涡轮中完成了大部分的能量转换。

1.4蒸汽排出

经过多级的膨胀和能量转换后，蒸汽的压力和温度均降低到较低的水平。最后，低压蒸汽从汽轮机的排汽口排出，或者再次循环利用。

1.5动力输出

涡轮叶片在蒸汽作用下旋转，通过轴传递动力给发电机，使其转动。发电机通过转动产生电能，将蒸汽能量转化为电能输出。

2 600MW超临界汽轮机的性能参数介绍

①出力功率（MW）：600MW，是指汽轮机的最大输出功率。它是衡量汽轮机容量大小和发电能力的重要指标。②蒸汽温度（℃）：超临界汽轮机的蒸汽温度通常在540℃到600℃之间。蒸汽温度的升高可以提高汽轮机的效率和发电能力。③蒸汽压力（MPa）：一般来说，超临界汽轮机的蒸汽压力高达24MPa或更高。蒸汽压力的提高对汽轮机的发电效率和容量都有促进作用。④热耗率（kJ/kWh）：热耗率是指汽轮机运行时每产生一千瓦时电能所消耗的热量。标准条件下，超临界汽轮机热耗率约为5900kJ/kWh，相对于传统汽轮机的热耗率有所降低。⑤效率（%）：汽轮机的效率是指在特定负荷下输出功率与蒸汽能量输入之比。目前，超临界汽轮机的效率可达到45%以上，对比传统汽轮机有着明显的提升。

3 600MW超临界汽轮机通流部分改造策略

3.1精细调整叶片布局

①进口角度优化：通过改变叶片进口角度，可以调整蒸汽进入叶片的流速和方向，提高能量利用率。优化进口角度可以减小流过叶片时的能量损失和湍流损失，提高叶片的效率。

②出口角度优化：适当调整叶片的出口角度，可以改变蒸汽流出叶片的速度和方向，进一步提高能量转换效率。优化出口角度可以减小排气动能损失，并改善蒸汽在叶片上的流动特性。

③叶片曲率优化：优化叶片的曲率，使其能够更好地适应蒸汽流动的特点。合理的叶片曲率设计可以减小蒸汽的湍流损失和振动，提高叶片的效率和稳定性。

④叶片间隙调整：通过优化叶片之间的间隙，可以减小蒸汽泄漏，提高汽轮机的效率和性能。合理的间隙设计可以减少流体压力损失和泄漏损失，提高叶片的密封性能。

⑤使用先进的流场分析工具：借助先进的计算流体力学（CFD）技术和流场分析工具，对汽轮机叶片布局进行详细的模拟和优化。通过对叶片局部流动和能量转换的分析，可以更准确地确定优化方案，并验证其性能改进效果。

3.2使用先进材料

①高温合金材料：高温合金材料具有较高的抗热腐蚀和强度特性，能够耐受高温高压环境下的腐蚀和应力。这些材料可以用于制造叶片、叶片根座、蒸汽分配系统和排汽系统等高温部件，提高其耐受高温环境和氧化腐蚀的能力。

②陶瓷复合材料：陶瓷复合材料具有高强度、高温稳定性和耐磨性能。这些材料可以用于制造叶片、密封环、导向器和静叶环等部件，减少摩擦损失和热损失，提高汽轮机的效率和运行寿命。

③先进涂层材料：先进涂层材料可以提供附着性能、热障性能和抗腐蚀性能。例如，热障涂层可以降低叶片表面的工作温度，减少热应力和热疲劳损坏。抗腐蚀涂层可以保护部件不受烟气和蒸汽中的腐蚀介质的侵蚀。

④纳米材料：纳米材料具有独特的物理和化学性质，可以改善材料的强度、导热性和耐磨性能。例如，添加纳米颗粒的金属和合金可以提高其强度和耐磨性，使其更适合在高温和高压条件下运行。

⑤先进陶瓷薄膜：先进陶瓷薄膜可以用于制造涡轮叶片等部件，提供优异的温度、腐蚀和磨损性能。这些膜层可以提高叶片的表面质量和润滑性能，减少摩擦、磨损和氧化。

3.3改进叶片冷却系统

①内部冷却通道：在叶片内部设置冷却通道，将冷却剂（如空气、水等）引入叶片内部，使其能够更直接地冷却叶片。内部冷却通道可以使整个叶片表面都得到均匀冷却，并且可以调配冷却气体的流量和温度来优化冷却效果。

②喷雾冷却：在叶片表面喷洒一层冷却液体（如水或热稳定剂），利用蒸发和热量吸收的原理来实现叶片冷却。喷雾冷却可以使叶片接受更加均匀的冷却，在保证冷却效率的同时也能有效降低流体消耗量。

③减小冷却流体温度：通过降低冷却流体的温度，可以提高叶片的冷却效果。设备一些性能较好的事先散热器等设备来降低冷却流体温度，以提高冷却效率。

④优化冷却气体喷洒方向：改变冷却气体喷洒的方向和位置，可以使其更好地覆盖叶片表面，并在叶片上形成薄膜流动的热传递方式，提高冷却效率。

⑤调整冷却剂的流量和压力：通过调整冷却剂的流量和压力，可以优化冷却效果。合理的流量和压力可以提高冷却效率，减少冷却气体的消耗，降低运行成本。

3.4增加提升级

①增加整个提升级层数：增加提升级的叶片层数，可以在保证叶片结构强度的同时增加蒸汽的加速度和流速。这样就可以在相同转速下提高汽轮机的机械输出功率。

②减小喷嘴间距：在提升级中间两个喷嘴之间的距离越短，其加速度就越大。减小喷嘴间距可以增加蒸汽的加速度，进一步提高汽轮机的转速和机械输出功率。

③提高进口处蒸汽的压力和温度：提高进口处蒸汽的压力和温度，可以增加蒸汽的动能和能量，使其在提升级中的加速度更大。这样可以提高汽轮机的转速和机械输出功率。

④改变提升级叶片的形状：优化提升级叶片的形状，可以改善蒸汽在叶片上的流动特性，进一步提高加速效果。例如，改变叶片的进出口角度、叶片的曲率等因素，均可以影响蒸汽的流动性能。

3.5优化控制系统

①智能控制：采用人工智能、机器学习等技术，实现对汽轮机运行的智能控制和管理。这种控制方法可以优化汽轮机的运行效率，降低能源消耗，同时也可以实现自动化控制和远程监测。

②增加控制参数：在控制系统中增加更多的控制参数，如监测温度、压力、流量等，可以更好地掌握汽轮机的运行状态，及时制定调整措施，优化汽轮机的运行效率。

③建立模型：通过建立数学模型，对汽轮机的运行状态进行模拟和预测，从而优化控制系统的设置和调整。这种模型可以预测出不同参数下汽轮机的运行状态，帮助提高控制系统的精确度和灵敏度。

结语：

总之，在整个改造过程中，我们尊重和遵循相关的国家和行业标准，确保改造工作的安全性和可靠性。我们坚持可持续发展的理念，致力于提高能源利用效率、降低排放，实现环境友好和绿色发展。通过这次600MW超临界汽轮机通流部分改造，我们取得了令人满意的成果，进一步提升了汽轮机的性能和效率，并为能源行业的可持续发展作出了贡献。

参考文献：

[1]郑子龙.600 MW超临界机组汽轮机通流部分改造及改造后效果分析[J].科技创新导报，2016.

[2]高清林，高嘉锜，陈敦炳等.600MW超临界汽轮机通流部分改造[J].东北电力技术，2019.