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摘 要：一直以来，发电机组的更新改造都是电力公司、工业企业和独立发电厂的焦点问题。通常，借此可以获得原设备制造厂商（OEM）“如新”的性能水平， 或采购其更新改造产品。本文介绍了恢复或提高现役汽轮机性能的一些新途径。通过新开发的涡轮机械通流部分设计、分析和优化软件AxSTREAM可以保证对现役汽轮机气动参数和热力参数的分析能力以及对原有叶型调整的能力。
关键词：大型汽轮机;更新改造;热力学
1 引言
当今，化石燃料发电厂的二氧化碳排放是引起全球环境污染的主要源泉之一。根据最新数据得知，约占全球发电量的67%都是利用化石燃料。大多数化石燃料发电厂都安装额定功率为100～1000MW的汽轮机。近几年来，汽轮机的发电量约占全球总电量的80%。日益增长的能源需求要求汽轮机的原设备制造商及其服务公司在设计和更新改造方面加大投入，以向电力公司提供高效率的汽轮机，以节省燃料，提高出力，降低排放。
2 原始汽轮机模型的说明
·原始汽轮机的技术数据如下：
·额定功率=160MW
·汽轮机前进汽压力=124.5bar
·汽轮机前进汽温度=536℃
·进汽质量流量=139kg/s
·转速=3600rpm
·冷凝器压力=0.0556bar
·再热温度=536C
·3缸结构：高压缸（双列调节级+7级），中压缸（7级），低压缸（6级）
·高压缸和中压缸为合缸结构，低压缸为双流结构
·回热抽汽：中压缸中有3个抽汽点（3kg/s，3.96kg/s，3.6kg/s），低压缸中有2个抽汽点（3.85kg/s）
本文介绍了高/中压段的重新设计和更新改造，因此，仅建立了高中压合缸的模型用于分析。
3 汽轮机中压缸的重新设计
3.1 中压缸重新设计的任务
汽轮机重新设计的第一步目标是由于中压缸前增加了抽汽点，导致参数变化，故必须进行中压缸的调整和优化。鉴于循环改进项目要求在高压缸后、再热器前增加一个30%流量的抽汽点，所以必须根据其上游新的质量流量参数来重新设计中压缸。中压缸重新设计的限制规定如下：
（1）保持叶片的根径不变，以使更新后的叶片仍然能安装在原先的叶轮上。（2）不要超出现有汽缸的径向和轴向尺寸。（3）叶片数量最少化。
3.2 中压缸重新设计的研究
本节专门介绍对中压缸重新设计的研究。如上所述，目前唯一的限制就是要求轮毂直径不变。其余的几何参数，包括各种角度和高度在内，都没有严格的限制。所以，在按照新的参数开始进行中压缸重新设计时，应用了下列初始参数：
（1）中压缸进口滞止压力=22.4bar（对原始模型进行热力计算而得）。（2）中压缸进口滞止温度=536℃。（3）中压缸出口静压=5.86bar。（4）中压缸进口质量流量=97.53kg/s。（5）中压缸轮毂直径是常数=1100mm。（6）叶顶最大直径=1390mm。（7）级数=7
按照边界条件和限制条件，通过初步设计允许创建新的通流部分。中压缸的初步设计准则是使其产生最大功率。根据上列数据准备了若干设计方案，并进行比较以获得能满足所有几何限制条件、出口能量损失最小的的最佳设计，也即最佳的末级出汽角。当选定设计方案后，必要时可以进行汽封、间隙、平衡孔及各级轴向和径向尺寸的调整，以满足实际条件。中压缸必须进行热力计算，以便对汽轮机的性能作最终评定。中压缸性能之所以能得到如表所列的改进主要是通過对其通流部分进行下列调整：
改变了中压缸各级的叶高和喉部尺寸，从而改善了其中的流动状况;调整了叶片进口角度，使非最佳冲角损失降到最小值;改进了间隙和汽封，从而降低了漏汽损失;重新进行了各级间的热降分配，均衡了它们的比功率;调整了末级出汽角，从而降低了出口能量损失。
为比较原始中压缸和重新设计中压缸，可以以重新设计前后的各级出力和效率为例。重新设计后的中压缸能更好地适应改变后的蒸汽压力和质量流量。通过各级叶片高度和角度的全面重新设计和改进汽封，使中压缸出力比原始设计增加了6.54MW。
4 汽轮机高压缸更新改造的评定
上面已经示出了循环更新改造后的高压缸参数变化情况。在增加了抽汽点后，高压缸后的蒸汽压力从32.13bar降至22.19bar，高压缸的出力也相应从40MW增至51.6MW。当中压缸重新设计后，计算表明高压缸的出力增至53.55MW。为了改进出口压力已经改变的高压缸性能，需要进行重新设计的可行性研究。
改造高压缸的主要要求如下：·必须保持高压缸原有动静叶的直径及高度;必须保持质量流量140kg/s不变。鉴于这些要求，设计者只能改进叶型。高压缸重新设计时的主要问题是：任何改变都会对已经重新设计的中压缸实际参数产生影响。所以，高压缸的任何调整和改进都必须与中压缸一起进行，并一起进行评定。
5 最终设计评定
进行了最终设计评审，确认在高压缸和中压缸进行了全面更新改造之后，能确保它们在各种工况下都可靠的运行，所有各种更新改造的可能性均在现有的范围内得到了实现。以下为对高压缸更新改造的内容如下：
·调整了第3和4级静叶的进口几何角，以及第5到7级动叶的进口几何角;利用实验设计法优化了第3和4级静叶的出汽角。在高压缸后增加了一个30%流量的抽汽点，因此高压缸和中压缸之间的压降分配有所改变，即高压缸的压降增大，而中压缸的压降减小。在高压缸变化后按照新的进口参数进行了中压缸的改型设计以实现升级改造：·采用初始设计程序完成了中压缸的重新设计;改变了叶片高度、进口角度、喉部尺寸和叶片数量;改进了间隙和密封。重新设计后的通流部分性能如表1所列。
表1 重新设计后的高压缸和中压缸的性能
结束语
本文介绍了大型汽轮机在改变了蒸汽参数以及在高压缸后增了一个30%流量抽汽点后进行重新设计的全部步骤。为建立汽轮机模型进行了3D扫描，利用新的数据提取法识别了新的叶型特性。完成了所要求的汽轮机数据采集和处理过程，并对汽轮机模型进行了分析和优化。对原始汽轮机的状态进行了评定，作为重新设计前后对比的基准。在重新设计过程中，采用初始设计程序对中压缸进行了全面改进。其级数、径向和轴向尺寸均保持不变，以便利用原有的汽缸和叶轮。这些改进有助于使中压缸出力增加了6.54MW，并且使高中压缸的最终总功率达到92.1MW。
在此进行的分析表明在重新设计中可以使用各种方法和途径，主要取决于重新设计任务的复杂性、要求和现有的制约条件，以及需要达到的目标。汽轮机可以采用重新设计各汽缸的方法，以省却对汽缸进行全面改进时的进一步调整工作。如果设计者受到非常严格的制约条件而只能对少量具体的单元进行改进，那么，可以采用诸如实验设计之类的其它方法在规定的制约范围内寻找最佳措施。利用现代硬件（测量设备）和软件技术可以明显减少重新设计的时间，并且提高改进后的汽轮机出力和效率。
关键词：大型汽轮机;更新改造;热力学
1 引言
当今，化石燃料发电厂的二氧化碳排放是引起全球环境污染的主要源泉之一。根据最新数据得知，约占全球发电量的67%都是利用化石燃料。大多数化石燃料发电厂都安装额定功率为100～1000MW的汽轮机。近几年来，汽轮机的发电量约占全球总电量的80%。日益增长的能源需求要求汽轮机的原设备制造商及其服务公司在设计和更新改造方面加大投入，以向电力公司提供高效率的汽轮机，以节省燃料，提高出力，降低排放。
2 原始汽轮机模型的说明
·原始汽轮机的技术数据如下：
·额定功率=160MW
·汽轮机前进汽压力=124.5bar
·汽轮机前进汽温度=536℃
·进汽质量流量=139kg/s
·转速=3600rpm
·冷凝器压力=0.0556bar
·再热温度=536C
·3缸结构：高压缸（双列调节级+7级），中压缸（7级），低压缸（6级）
·高压缸和中压缸为合缸结构，低压缸为双流结构
·回热抽汽：中压缸中有3个抽汽点（3kg/s，3.96kg/s，3.6kg/s），低压缸中有2个抽汽点（3.85kg/s）
本文介绍了高/中压段的重新设计和更新改造，因此，仅建立了高中压合缸的模型用于分析。
3 汽轮机中压缸的重新设计
3.1 中压缸重新设计的任务
汽轮机重新设计的第一步目标是由于中压缸前增加了抽汽点，导致参数变化，故必须进行中压缸的调整和优化。鉴于循环改进项目要求在高压缸后、再热器前增加一个30%流量的抽汽点，所以必须根据其上游新的质量流量参数来重新设计中压缸。中压缸重新设计的限制规定如下：
（1）保持叶片的根径不变，以使更新后的叶片仍然能安装在原先的叶轮上。（2）不要超出现有汽缸的径向和轴向尺寸。（3）叶片数量最少化。
3.2 中压缸重新设计的研究
本节专门介绍对中压缸重新设计的研究。如上所述，目前唯一的限制就是要求轮毂直径不变。其余的几何参数，包括各种角度和高度在内，都没有严格的限制。所以，在按照新的参数开始进行中压缸重新设计时，应用了下列初始参数：
（1）中压缸进口滞止压力=22.4bar（对原始模型进行热力计算而得）。（2）中压缸进口滞止温度=536℃。（3）中压缸出口静压=5.86bar。（4）中压缸进口质量流量=97.53kg/s。（5）中压缸轮毂直径是常数=1100mm。（6）叶顶最大直径=1390mm。（7）级数=7
按照边界条件和限制条件，通过初步设计允许创建新的通流部分。中压缸的初步设计准则是使其产生最大功率。根据上列数据准备了若干设计方案，并进行比较以获得能满足所有几何限制条件、出口能量损失最小的的最佳设计，也即最佳的末级出汽角。当选定设计方案后，必要时可以进行汽封、间隙、平衡孔及各级轴向和径向尺寸的调整，以满足实际条件。中压缸必须进行热力计算，以便对汽轮机的性能作最终评定。中压缸性能之所以能得到如表所列的改进主要是通過对其通流部分进行下列调整：
改变了中压缸各级的叶高和喉部尺寸，从而改善了其中的流动状况;调整了叶片进口角度，使非最佳冲角损失降到最小值;改进了间隙和汽封，从而降低了漏汽损失;重新进行了各级间的热降分配，均衡了它们的比功率;调整了末级出汽角，从而降低了出口能量损失。
为比较原始中压缸和重新设计中压缸，可以以重新设计前后的各级出力和效率为例。重新设计后的中压缸能更好地适应改变后的蒸汽压力和质量流量。通过各级叶片高度和角度的全面重新设计和改进汽封，使中压缸出力比原始设计增加了6.54MW。
4 汽轮机高压缸更新改造的评定
上面已经示出了循环更新改造后的高压缸参数变化情况。在增加了抽汽点后，高压缸后的蒸汽压力从32.13bar降至22.19bar，高压缸的出力也相应从40MW增至51.6MW。当中压缸重新设计后，计算表明高压缸的出力增至53.55MW。为了改进出口压力已经改变的高压缸性能，需要进行重新设计的可行性研究。
改造高压缸的主要要求如下：·必须保持高压缸原有动静叶的直径及高度;必须保持质量流量140kg/s不变。鉴于这些要求，设计者只能改进叶型。高压缸重新设计时的主要问题是：任何改变都会对已经重新设计的中压缸实际参数产生影响。所以，高压缸的任何调整和改进都必须与中压缸一起进行，并一起进行评定。
5 最终设计评定
进行了最终设计评审，确认在高压缸和中压缸进行了全面更新改造之后，能确保它们在各种工况下都可靠的运行，所有各种更新改造的可能性均在现有的范围内得到了实现。以下为对高压缸更新改造的内容如下：
·调整了第3和4级静叶的进口几何角，以及第5到7级动叶的进口几何角;利用实验设计法优化了第3和4级静叶的出汽角。在高压缸后增加了一个30%流量的抽汽点，因此高压缸和中压缸之间的压降分配有所改变，即高压缸的压降增大，而中压缸的压降减小。在高压缸变化后按照新的进口参数进行了中压缸的改型设计以实现升级改造：·采用初始设计程序完成了中压缸的重新设计;改变了叶片高度、进口角度、喉部尺寸和叶片数量;改进了间隙和密封。重新设计后的通流部分性能如表1所列。
表1 重新设计后的高压缸和中压缸的性能
结束语
本文介绍了大型汽轮机在改变了蒸汽参数以及在高压缸后增了一个30%流量抽汽点后进行重新设计的全部步骤。为建立汽轮机模型进行了3D扫描，利用新的数据提取法识别了新的叶型特性。完成了所要求的汽轮机数据采集和处理过程，并对汽轮机模型进行了分析和优化。对原始汽轮机的状态进行了评定，作为重新设计前后对比的基准。在重新设计过程中，采用初始设计程序对中压缸进行了全面改进。其级数、径向和轴向尺寸均保持不变，以便利用原有的汽缸和叶轮。这些改进有助于使中压缸出力增加了6.54MW，并且使高中压缸的最终总功率达到92.1MW。
在此进行的分析表明在重新设计中可以使用各种方法和途径，主要取决于重新设计任务的复杂性、要求和现有的制约条件，以及需要达到的目标。汽轮机可以采用重新设计各汽缸的方法，以省却对汽缸进行全面改进时的进一步调整工作。如果设计者受到非常严格的制约条件而只能对少量具体的单元进行改进，那么，可以采用诸如实验设计之类的其它方法在规定的制约范围内寻找最佳措施。利用现代硬件（测量设备）和软件技术可以明显减少重新设计的时间，并且提高改进后的汽轮机出力和效率。