新型空冷低壓缸模塊方案設計

摘要：我們結(jié)合哈汽600MW三缸四排汽直接空冷凝汽式汽輪機組，并借鑒三菱公司制造生產(chǎn)的25MPa/600℃/600℃兩缸兩排汽600MW超超臨界汽輪機組，自主研究設計新型空冷低壓缸模塊，以適應電力市場對環(huán)保、高效、布局緊湊及利于維護的需求。

關(guān)鍵詞：落地低壓內(nèi)缸；落地軸承；

前言

近幾年來我國電力事業(yè)飛速發(fā)展，大容量機組的裝機數(shù)量逐年上升，同時隨著國家對環(huán)保事業(yè)的日益重視及電廠高效率的要求，大型空冷機組的初參數(shù)已從亞臨界向超臨界快速發(fā)展。根據(jù)我國電力市場的發(fā)展趨勢，兩缸兩排汽 600MW超臨界空冷汽輪發(fā)電機組將依據(jù)其環(huán)保、高效、布局緊湊及利于維護等特點占據(jù)相當一部分市場份額，為此我們結(jié)合哈汽600MW三缸四排汽直接空冷凝汽式汽輪機組，并借鑒三菱技術(shù)，自主研究設計新型空冷低壓缸模塊，以適應電力市場的需求。

1 低壓通流部分的優(yōu)化設計

低壓模塊以哈汽公司設計開發(fā)的超超臨界600MW兩缸兩排汽濕冷汽輪機的低壓缸為母型，再根據(jù)通流能力進行適當?shù)恼{(diào)整。低壓通流部分：靜動葉均采用具后加載特點的反動式葉型，第1-3級靜葉采用彎葉片，第4-6級靜葉采用彎扭葉片；第1-6級動葉采用扭葉片，第1-4級隔板為自帶菱形葉冠的導葉片裝配結(jié)構(gòu)，第5、6級隔板為導葉片直接焊在內(nèi)外環(huán)上，無中心孔整鍛轉(zhuǎn)子，新研發(fā)設計第6級動葉片高度940mm，采用自帶圍帶，翼型拉金，通過扭轉(zhuǎn)恢復形成整圈連接。

低壓部分通流面積與母型機超超臨界600MW兩缸兩排汽濕冷汽輪機進行比較，在跨距及外形基本不變的情況下，新型低壓缸模塊在通流面積上增加3% ，在現(xiàn)有模塊的基礎上，適當調(diào)整通流面積，可完成新型超臨界600MW空冷汽輪機通流設計。

940mm葉片采用超超臨界1000MW濕冷機組末級1220mm葉片模化而來，通過全三維設計技術(shù)優(yōu)化得到，確保其氣動性能優(yōu)良。靜葉采用全三維流場設計軟件進行彎扭聯(lián)合成型，使末級不但在設計工況時具有較高的效率，同時根部反動度達到30%，頂部反動度66%，見圖2－2。當背壓Pk=30.5Kpa時根部反動度ρk=0， 當背壓Pk=34Kpa時，ρk=-2%，脫流高度僅35mm( =0.05)。三元流場計算結(jié)果表明，該葉片變工況性能良好。940mm末級葉片的自帶圍帶上帶有一道汽封片，既可以最大限度地減小葉頂處的泄漏損失，又可以使析出的水滴沿缸壁順利的導出，避免葉頂水蝕。它比相應冷凝機組對應葉片的寬度增大，它的強度性能增強，剛性增大。因此，940mm葉片是加強型的。

空冷機組的背壓變化范圍大，末級總是處于變工況下運行， 940mm葉片從流場設計和葉片結(jié)構(gòu)形式上都考慮到各種危險工況并加以調(diào)整避開，如：汽流回流、脫流，氣流流動不穩(wěn)定，顫振，葉片動應力大增等。采用加強型結(jié)構(gòu)的葉片，它的靜應力比已成功運行的母型1220mm葉片小許多， 940mm葉片的材料采用有成功運行經(jīng)驗的1220mm葉片相同的15Cr鋼，強度等級965Mpa。

空冷機組大部分時間都處在高背壓小容積流量工況下運行。首先控制汽輪機的排汽溫度，其次是對末級葉片的保護，使末級葉片在控制區(qū)域內(nèi)能夠長期安全運行。空冷機組運行限制曲線是要兼顧到機組排汽溫度的控制和末級動應力控制。使這兩部分都能達到適合于機組長期安全運行的目的。

基于以上的原理，經(jīng)過大量的變工況計算，特別是低負荷、小流量、高背壓和大負荷、大流量、高背壓工況的計算分析，我們制定出了空冷機組運行限制曲線。

２低壓部分主要部件的設計

低壓缸采用雙層缸結(jié)構(gòu)，由內(nèi)缸和外缸組成，低壓缸為雙分流結(jié)構(gòu)，蒸汽進入低壓缸中部，通過反動式低壓壓力級做功后流向排汽端，向下進入排汽管或排汽裝置。低壓缸的高效葉片設計、擴散式通流設計及可最大限度回收熱量的排汽渦殼設計可明顯提高缸效率，降低熱耗。本機組采用軸承箱與低壓缸分開的結(jié)構(gòu)，軸承箱直接坐在基礎上。

低壓外缸由四部分組成，上半(調(diào))、上半(電)、下半(調(diào))和下半(電)都是裝焊結(jié)構(gòu)的。總裝配時，首先將上半(調(diào))和上半(電)在垂直接配面處用螺栓把緊永久性連接而成為一個整體，形成低壓外缸上半，同理低壓外缸下半也在垂直接配面處用螺栓把緊，形成低壓外缸下半。上下半外缸在水平中分面處分開，電廠扣缸時在把緊中分面螺栓，這樣就形成一個完整的低壓缸。

低壓缸四周有框架式撐腳，增加低壓缸剛性，撐腳座落在基架上承擔全部低壓缸重量，并使得低壓缸的重量均勻地分在基礎上。在低壓缸撐腳四邊通過鍵槽與預埋在基礎內(nèi)的錨固板配合形成膨脹的絕對死點。低壓外缸上、下半設計過程中，在外缸下半內(nèi)設計了多處相交叉的撐桿和拉筋，這樣設計可以保證低壓外缸下半具有一定的剛度和強度，在工作環(huán)境中不易變形和塌腰。排汽缸內(nèi)設計有良好的排汽通道，由鋼板壓制而成，面積足夠大的低壓排汽口與凝汽器彈性連接。

低壓內(nèi)缸是由加厚的環(huán)形鋼板、法蘭、撐桿及筋板焊接而成，具有一定的剛度，工作狀態(tài)下變形小，從而保證低壓通流軸向和徑向各間隙。內(nèi)缸下半開有抽汽管口，根據(jù)熱力參數(shù)的需要在相應各級后位置打孔抽汽，為了增加剛性，在各個抽汽管外都焊接加強筋，保證內(nèi)缸的整體剛性，借助有限元分析手段，按受力狀態(tài)合理布置撐管及加強筋，以保證低壓缸在變工況條件下能夠穩(wěn)定運行。低壓內(nèi)缸通過兩側(cè)的四個有足夠剛度的側(cè)翼支撐在外缸的撐腳上，外缸的撐腳直接支撐在基礎上，可保證機組運行時內(nèi)缸中分面高度變化較小，保證動靜間隙變化較小，空冷機組低壓缸排氣溫度高，為避免缸體變形，必須保證低壓缸具有良好的剛度。

圖1新型低壓內(nèi)缸支撐與舊模塊比較圖

低壓內(nèi)缸水平中分面螺栓孔按著哈汽螺栓布置規(guī)范合理布置螺孔，通過汽缸密封性分析和螺栓強度核算都能滿足設計要求。而且為了進一步增加密封性，在水平中分面上開有密封鍵槽，為了減小水平法蘭應力集中問題，在法蘭端部開有應力釋放槽，降低了法蘭裂紋的幾率，從而提高了內(nèi)缸的使用壽命。

低壓蒸汽室是由調(diào)端隔板套、電端隔板套鍛件、水平中分面法蘭及撐桿焊接而成，在蒸汽室的垂直中心線上、下各有一塊對中心裝置，便于低壓蒸氣室和低壓內(nèi)缸的找中。低壓蒸汽室與低壓內(nèi)缸裝配時，為了保證低壓蒸汽室與低壓內(nèi)缸的密封性，在兩者之間采用了一套0間隙密封，可以保證在機組運行時，汽缸相對膨脹后不會漏汽，降低熱損失，提高機組發(fā)電效率。低壓蒸汽室設計了一套導流環(huán)，導流環(huán)裝配在低壓正反向第1級隔板上，這樣三者形成一個整體，增加強度，使第1級隔板的受力變形降低，反向推力相互抵消，同時也減少流動損失。低壓蒸汽室通過兩側(cè)的四個有足夠剛度的側(cè)翼支撐在低壓內(nèi)缸的撐腳上，并設計一套調(diào)整找中裝置，來保證低壓蒸汽室的正確位置。

低壓缸兩端的汽缸蓋上裝有兩個大氣閥，其用途是當?shù)蛪焊椎膬?nèi)壓超過其最大設計安全壓力時，自動進行危急排汽。低壓缸排汽區(qū)設有噴水裝置，空轉(zhuǎn)或低負荷、排汽缸溫度升高時按要求自動投入，降低低壓缸溫度，保護末葉片。排汽導流板用螺栓固定在在內(nèi)缸上，并保持在排汽室中有光滑的蒸汽流道。

３結(jié)論

到目前為止，新型空冷低壓模塊已經(jīng)應用在大同三期項目上(兩臺份)，現(xiàn)場正在安裝，不久就會運行發(fā)電了。我廠已經(jīng)簽訂合同的機組定州電廠(兩臺份)、崇信電廠(兩臺份)、清水河電廠(兩臺份)、鄂溫克電廠(兩臺份)均使用此低壓模塊。

我們對超臨界空冷和亞臨界空冷以超臨界空冷和亞臨界濕冷分別進行了比較，臨界空冷660MW與亞臨界空冷600MW相比，加權(quán)平均熱耗降低了293.47kJ/kW.h，相同環(huán)境條件下，超臨界機組比亞臨界機組熱耗降低了70.094kcal/kW.h。

通過簡單的介紹新型空冷低壓缸模塊的設計過程，使工程設計人員能夠更加的清楚了解我廠的設計模式和新一代大型空冷低壓缸模塊的設計理念。通過比對新型空冷低壓模塊在技術(shù)性能方面達到國內(nèi)同類機組的先進水平。

參考文獻

[1]吳定一 火力發(fā)電設備技術(shù)手冊-總體方案設計[M]. 機械工業(yè)出版社，1999