超超臨界二次再熱機組超高壓內缸可靠性研究

魏小龍，唐濤，王鑫，胥睿，王娟（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

?

超超臨界二次再熱機組超高壓內缸可靠性研究

魏小龍，唐濤，王鑫，胥睿，王娟
（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

摘要：安源機組超高壓內缸為公司首個二次再熱機組筒形內缸，文章簡述了超高壓筒形缸設計特點，并結合機組運行過程中的實測溫度數據，對機組啟動運行及停機過程中筒形內缸的熱應力進行了分析，驗證了公司超超臨界二次再熱機組超高壓筒形內缸設計、運行的安全可靠性。

關鍵詞：筒形內缸，溫度場，結構強度

0 引言

提高蒸汽參數實現能源清潔化是汽輪機發展的必由之路。隨著汽輪機蒸汽參數提高，主汽壓力從亞臨界（13.7 MPa）到超臨界（24.2 MPa），再到超超臨界（28 MPa），目前超超臨界二次再熱機組主汽壓力31 MPa，將來可能使用更高參數。而主蒸汽參數提高后，汽輪機高壓缸等高溫高壓部件的可靠性愈加重要。為此，世界各主要汽輪機制造廠都從系統、結構、材料等方面開展了高壓缸設計研究，其中高壓缸采用雙層汽缸設計，內缸采用紅套環筒形內缸的設計方案，具有結構簡單、應力水平低、承壓能力更強、汽密性更高、檢修方便等優點，是一種備受運行人員喜愛的技術。

東汽近年來在原有筒形汽缸技術研究基礎上，全新開發了適用于更高參數（大于28 MPa）的筒形汽缸技術，并經過內部試驗，逐步在華潤焦作（25 MPa/600℃）[1]、山東茌平（28 MPa/600℃）、重慶萬州（28 MPa/600℃）[2]等多個工程項目中順利投運。東汽660 MW二次再熱機組主汽參數是目前國內最高參數（31 MPa/600℃），并根據二次再熱機組特點開發設計了超高壓模塊及其配套系統，該機組已于2015年6月在江西安源順利投入商業運行。本文結合東汽已投運二次再熱機組的實際運行監測數據對超超臨界二次再熱機組超高壓內缸可靠性進行了驗證研究。

1 東汽660 MW二次再熱機組超高壓內缸簡介

東汽660 MW二次再熱機組超高壓內缸工作參數、結構與已投運超超臨界機組相比有以下特點:

（1）超高壓汽缸為雙層缸、單流式全周進汽結構；

（2）超高壓內缸為無法蘭的紅套環筒形汽缸，具有結構緊湊、受力均勻、啟停機過程中熱應力小、安裝維護方便等優點；

（3）超高壓排汽通過管道直接進入再熱冷段，不進入內外缸夾層。

超高壓內外缸啟動運行過程中溫度場變化復雜，難于精確計算。為實時監測汽缸溫度場、保證機組運行安全可靠，該模塊設置了多個溫度監測點，如圖1所示：內缸2級后內外壁、外缸前、中、后部內壁及外缸后部外壁均布置溫度測點。

圖1　超高壓汽缸溫度測點布置圖

2 超高壓內缸安全可靠性設計

超高壓內缸工作壓力較常規超超臨界機組大幅提高，首次達到31 MPa，在設計階段，對內缸進行了包含啟動、穩態運行、停機全過程的系統安全可靠性分析論證（見圖2、圖3）。

計算分析基于東汽強大的熱流固三元分析能力，依據機組理論啟動曲線，在考慮極端啟動工況并保留充分安全裕度的基礎上，對筒形內缸進行了完整的溫度場、熱應力、汽缸強度及內缸汽密封分析，計算結果滿足行業設計規范。

圖2　筒形內缸瞬態溫度場

圖3　筒形內缸應力場

3 超高壓內缸實測溫度場分析

3.1 沖轉階段超高壓內缸溫度場

機組在經過約10 h汽缸預暖后，內缸溫度達到160℃，17:23開始沖轉，17:40升速至中速暖機轉速1 500 r/min，經過90 min中速暖機，機組以150 r/min/min的升速率快速提升至額定工作轉速（見圖4）。機組沖轉至中速暖機轉速過程中，筒形內缸內外壁溫差很小。

圖4　冷態啟動參數曲線圖

3.2 低負荷階段超高壓內缸溫度場

超高壓內缸服役工況最為惡劣，圖5給出了機組冷態啟動過程中內缸2級后上下半缸的溫差曲線。

機組從0負荷帶負荷至10%左右時，主汽溫度平穩，而內缸內外壁出現峰值43℃的溫差（見圖5），主要原因為啟動初期負荷快速增加4.6 MW/h，蒸汽流量大幅增加，內缸溫升率達到195℃/h，內缸急劇換熱，內缸外壁溫升較內壁慢導致（見圖5）。

負荷由10%負荷繼續上升，機組主汽溫升率、負荷增加率相對較小，內外壁溫差逐步減小。在沖轉約10 h后出現第二次溫差峰值（此為調試期間的特殊運行工況），約38℃溫差。主要原因為運行調試使主汽溫度急劇上升，溫升率達到109.3℃/h。

圖5　啟動過程內缸溫度溫差曲線

3.3 高負荷階段超高壓內缸溫度場

機組負荷繼續升高或機組部分負荷穩定運行時，內缸溫差逐步減小至20℃左右。因啟動初期夾層加熱系統投入，外缸汽機側溫度明顯高于內缸外壁溫度，隨著主汽溫度提高與夾層加熱系統的退出，外缸汽機側溫度回歸至與超高壓后軸封漏汽溫度相當值；外缸電機側溫度逐漸與超高壓前軸封漏汽溫度接近（見圖6）。

圖6　VHP外缸內壁溫度場

3.4 停機階段超高壓內缸溫度場

機組14時左右開始降負荷，主汽溫度緩慢下降，約10 h后電機從電網解列（見圖7、圖8），此過程中汽缸溫差波動幅度幅度小于15℃，汽缸溫度變化平穩，最大溫升率為-38℃/h。

圖7　停機曲線

圖8　停機過程內缸溫度溫差曲線

4 筒形內缸安全可靠性驗證

4.1 溫度場修正

根據超高壓模塊實際冷態啟動過程的各溫度測點數據，修正設計階段的熱邊界條件，包含熱傳導、對流換熱系數和熱輻射因子，重新計算超高壓內缸冷態啟動溫度場（見圖9）。

圖9　啟動初期、最大溫差、穩定工況內缸溫度場

由運行數據反推可知，內缸冷態啟動最大溫差為54℃，穩定運行工況溫差約為20℃，均小于設計值。內缸實際啟停及運行過程熱應力小于設計值，內缸安全可靠性得到驗證。

4.2 強度復核

超高壓內缸設計時，在最大溫差點的應力為513 MPa，根據計算的溫度場，在穩定運行工況下的應力為276 MPa。由于實測溫度場較理論計算溫度場優良，根據實測溫度場修正的溫度場重新計算內缸的應力。通過計算可知，危險截面位于進汽腔室處，進汽腔室處的應力在低負荷和高負荷條件下的最大應力隨著啟機過程的曲線分布如圖10、圖11所示。

圖10　VHP外缸內壁溫度場

圖11　高負荷階段進汽室處應力

圖12　最大溫差工況下的應力云圖

圖13　穩態工況內缸應力云圖

由圖12、圖13可知，實際運行的最大應力值為130 MPa，小于設計最大應力值513 MPa，穩定工況下最大應力為100 MPa，小于設計最大應力276 MPa。由此可知內缸安全穩定運行，設計裕度大。此外還對內缸冷態強度、一次應力等指標進行了分析，應力值均滿足設計要求，因此內缸的強度滿足要求。

4.3 汽密性

由計算可知，機組啟動、停機過程中，汽缸中分面均保持一定的接觸壓應力，接觸應力云圖如圖14所示。

圖14　接觸應力云圖

通過前文的分析可知，內缸的強度、汽密性滿足要求且實際運行中溫度場優于設計考核溫度場，汽缸受力優于設計條件，東汽超高壓內缸的設計能確保該模塊安全穩定運行。

5 結論

（1）安源超高壓模塊設計合理，內缸實際啟停、運行、停機過程中溫差小，溫度場分布合理。

（2）通過將超高壓筒形缸計算模型用現場實測數據修正后，汽缸的溫度場、應力場、汽密性均優于設計值，驗證了其安全可靠性。

參考文獻

[1]劉東旗,黃果,張曉東,等.大功率汽輪機筒形內缸的強度和汽密性分析[J].東方電氣評論,2015,29(2):24-28.

[2]劉雄,袁永強,黃果,等.東方新超超臨界1 000 MW汽輪機本體結構及設計特點[J].東方汽輪機,2015,(2):7-12.

[3]張曉東,方宇,唐清舟,等.660 MW超超臨界二次再熱汽輪機結構特點[J].東方汽輪機,2015,(2):1-6.

Reliability Research for VHP Casing of Ultra-supercritical Double-reheat Sets

Wei Xiaolong，Tang Tao，Wang Xin,Xu Rui，Wang Juan
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Abstract:Anyuan power generation set is the first double-reheat unit,which VHP barrel type inner casing made by Dongfang first works in such tough condition.This paper introduces the design feature of the VHP inner casing.The thermal stress of the VHP inner casing is deeply analyzed with the measured temperature data during the start-up and shut-down of the unit.It's proved that the de?sign and operation of Anyuan VHP inner casing is safe and reliable.

Key words:barrel type inner casing，temperature field，structural strength

作者簡介：魏小龍（1981-），男，工程師，長期從事汽輪機產品方案研究開發工作。

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.01.015

中圖分類號：TK262

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9987（2016）01-0077-04