项目案例简介：
花园电厂位于新疆哈密市境内南湖乡，哈罗公路79公里处，处于软质戈壁滩，哈罗公路从厂区西侧通过，交通较为便利。国神公司花园电厂工程为4×660MW、超临界、一次中间再热、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽轮发电机组，锅炉为上海锅炉厂股份有限公司2236t/h直流塔式炉，燃用煤种为大南湖煤矿自行生产用煤；汽轮发电机为电气集团660MW汽轮发电机组。
花园电厂660MW机型为汽轮机厂于20世纪末期引进日立技术生产制造，虽然应用了当时的先进技术，但受当时的总体技术水平限制，也存在不足，技术水平相对于目前先进技术有一定差距。另一方面，国内电厂汽轮机在通流部件的制造、安装、运行质量方面一直存在质量控制不精细的问题，从而导致汽轮机高、中、低压缸效率偏离设计值，机组煤耗高，运行经济性差。
选送单位：国网能源哈密煤电有限公司花园电厂
项目名称和内容
项目名称：超临界660MW空冷汽轮机通流提效技术研究与应用
改造总体目标
尽可能降低机组热耗和供电煤耗。
主要创新点概述
1.应用“小焓降、多级次、大相对叶高”的先进设计理念，合理增加各缸通流级数，实现整缸焓降的优化分配，应用目前行业领先的高效通流技术、先进的叶型技术和动静叶匹配技术，最大限度减小通流损失，提高机组效率。
高效的汽轮机通流技术是以先进的动静叶型线为基础的，采用当今先进的叶片型线设计手段和计算分析软件，开发了以DAPL为代表的高效冲动式动、静叶型线系列和以DAPH为代表的高效反动式动、静叶型线系列等多种叶型技术。DAPL高效冲动式型线适用于冲动式汽轮机设计，静叶型线为高度后加载叶型，负荷最大的位置在静叶通道中的下游，有利于减小叶型损失和二次流损失，动叶型线采用大刚度、小汽流折转角，有利于减小动叶的型线损失，并增加相对叶高减小二次流损失。自主设计开发的DAPL高效冲动式型线和DAPH高效反动式型线在公司自主建立的高精度平面叶栅试验台上进行了试验研究，试验结果表明高效DAPL高效冲动式型线和DAPH高效反动式型线气动性能佳，叶型损失小，攻角适应性好，变工况性能好。两种型线损失比原日立引进叶型降低，两种系列叶型的变工况性能较原日立引进叶型有明显提升。
（1）新式叶型与传统叶型型损对比 （2）平面叶栅试验设备平面叶栅试验
2.应用安全可靠的主机结构技术，优化进排汽型线以减少进排汽损失，优化主机结构，解决困扰机组的汽缸变形、漏汽等问题。
进、排汽是蒸汽轮机通流部分的重要组成部分，对进、排汽部分进行优化设计也是保障机组经济性的重要举措。对不同机组的进、排汽进行了大量数值研究及分析，提出优化方案，并总结出新的设计规范，推广应用至各大项目。在此过程中，对该机型结构也进行了不同程度的改进。
该机型的主汽调节阀布置于机头前部，并采用喷嘴配汽，通过主汽管联通汽缸，采用较为复杂的进汽腔室实现喷嘴配汽。
（3）优化前后的高压竖直四进汽流道结构设计
下图则给出了优化后典型的高压排汽、中压排汽。
（4）典型高压、中压排汽缸三维流线图
为验证优化方法的可靠性，进行了中压排汽缸湿蒸汽试验研究。试验结果表明数值计算与试验结果吻合良好，数值方法可靠，优化设计的排汽缸气动损失小。
（5）中压排汽缸数值计算与试验总压压损对比
同样，对低压排汽缸进行了优化设计，排汽导流环更为高效，降低流动损失，同时出口汽流更为均匀，既能降低压损，也能增加凝汽器换热效果。
（6）低压排汽缸结构及其流线示意图
（7）优化后低压排汽缸的流线图及速度矢量
3.应用高效宽负荷设计技术，提高机组灵活性运行能力，达到深度调峰的设计要求，保证机组的安全运行。
火电灵活性改造是通过能源技术创新，挖掘燃煤机组（含纯凝和热电）调峰潜力、爬坡能力以及启停速度，为消纳更多波动性可再生能源，灵活地参与电力市场创造条件。通过优化滑销系统、动静间隙等，提升运行灵活性；优化关键结构，更改降低应力，保证运行灵活性；优化机组运行参数，提升运行灵活性；优化机组控制系统，满足系统APS要求等方法，进行了针对性设计，满足机组快速启停调峰的运行特点。最终达到如下目标如下图：
高效宽负荷技术主要包括以下内容：
宽负荷叶型技术：变工况适应性强的高效叶型技术；
安全可靠性：低应力转子设计、低负荷流固耦合分析、先进的末级叶片技术；
系统优化配置：合理利用旁通配汽、切高加运行、超压运行等系统技术、必要时采用低负荷给水调节、0#高加等技术提高低负荷经济性。
通过对多级通流级次进行三维CFD分析及优化设计，以保证机组在不同负荷工况下均保持较高的经济性。
（8）不同负荷下机组总静效率分析图
通过对末级叶片开展流固耦合响应分析评估，确保叶片低负荷工况安全长期运行。
（9）对机组低压末级叶片流固耦合进行分析
4.应用先进的汽封技术，有效减少漏汽损失，从原理上预防和解决机组汽流激振问题；汽封选型和应用是一个系统工程，其必然要结合机组整体设计方案，如通流设计、汽缸结构、滑销系统、结构特点、运行特性等进行。为此专门建立了专用汽封实验室，进行了各种典型密封结构的全尺寸试验，运用高精度的测试系统得到准确可靠的试验结果，以真实、精确地反映了汽封的密封性能。
通过数值模拟及汽封试验对各类汽封的漏汽量进行研究，对提高机组经济性非常有利。
（10）汽封结构的泄漏量随压比的变化
（11）汽封结构CFD流场分析结果
5.采用最新承载能力强、变工况性能佳的末级叶片，降低机组排汽损失。
新型661mm低压模块末级动叶片采用了大承载能力的枞树型叶根，有效降低了叶根应力水平，叶片安全系数更大，同时采用减振效果优良的扭转恢复成圈围带结构。叶片设计过程中严格按照成熟的末级叶片开发流程和规范进行了常规强度计算和有限元强度计算及振动分析，计算分析结果满足末级叶片设计规范要求，确保新661mm模块末级叶片安全可靠的运行。
（12） 新型661mm末叶 （13）叶身等效应力云图
（14）叶根等效应力云图
（15）轮槽等效应力云图
由于机组存在低负荷、高背压等小容积流量运行工况，小容积流量工况时，蒸汽流量过小不足以带走汽轮机鼓风热量，会引起末级叶片运行温度升高。另一方面在小容积流量工况下运行时由于流场紊乱等原因，会导致叶片动应力提升。为此在新型661mm低压模块的末级长叶片设计中从提出了如下解决方案，以确保叶片的安全可靠性：
保证较高的静强度余量，同时保证足够低的动强度设计，确保汽轮机末叶在潜在发生的各种极限工况下的叶片安全性。
采用了高阻尼、低响应特点的成圈叶片结构设计，叶根均采用大承载力的枞树型叶根。采用此种结构设计的叶片，由于其超高的阻尼特性，其振动响应水平较普通叶片低约5~8倍，更加适合机组变工况运行。
采用商业有限元分析软件对其开展多工况流固耦合响应分析，以更精确的评估叶片各工况下是否发生颤振，确保叶片安全可靠运行。
（16）末叶流固耦合响应分析示意图
制定了严格合理的末叶背压保护曲线，确保叶片在各种运行工况下的叶片动应力响应处于较低的水平。
对叶片的强度、振动性能进行评估，在保证强度、振动安全性的情况下，提出叶片的最高运行温度限制值。
应用情况及可推广前景简述
对于火力发电行业，提高缸效、降低热耗能够显著提高机组的经济性，是火电厂达到节能减排目标极其有效的途径之一。随着新技术的研究深入，对汽轮机进行通流改造的方案也趋于完善成熟。超临界660MW空冷汽轮机通流提效技术研究与应用，针对该机型现存问题对高中低压缸热力、结构、气动设计研究，开发新型末级空冷叶片，优化汽封形式等形成一整套设计方案，可为日后针对该机型不同机组需求定制化设计。该技术具有广阔的的推广前景。
经济效益及社会效益情况
1.经济效益：
改造后1号机组热耗率可达到7932kJ/(kW·h)，较目前热耗率8138.4kJ/(kW·h)下降约206.4kJ/(kW·h)。
2.社会效益：
按照机组额定负荷，年利用小时数为4685小时，计算得到每台机组每年节约标煤约2.41万吨，每年减少二氧化碳排放5.92万吨，减少二氧化硫排放204.94吨，减少氮氧化物排放178.42吨。
选送单位简介：
国网能源哈密煤电有限公司花园电厂是国神公司的全资企业和核心企业，目前运营四台66万千瓦直接空冷发电机组和1.79 万千瓦分布式光伏项目，总装机容量265.79万千瓦，距离市区79 公里，总投资89.12亿元。四台机组分别于2014年12月、2015年1 月、2015年5月、2015年7月投产，是国神公司建设的首批“煤电一体化”电源项目，作为国家能源集团在新疆区域装机容量最大的火力发电厂，是“疆电东送”战略规划±800kV哈密﹣郑州直流特高压网配套项目的最大电源支撑点。
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