125MW級(jí)雙壓?jiǎn)胃啄铰?lián)合循環(huán)用汽輪機(jī)組的實(shí)施與研究

郭火進(jìn)

摘要：本文主要介紹了東方汽輪機(jī)有限公司新開(kāi)發(fā)的125MW等級(jí)聯(lián)合循環(huán)雙壓?jiǎn)胃壮槠龤馐狡啓C(jī)，通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和系統(tǒng)組成等方面的介紹可知，該汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)合同、技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)越、安全可靠，達(dá)到了當(dāng)代先進(jìn)水平。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合循環(huán)；汽輪機(jī)；開(kāi)發(fā)研制；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；系統(tǒng)組成

0 引言

今年來(lái)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展，對(duì)電力的需求也在迅速增長(zhǎng)，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)具有投資成本低、建設(shè)周期短、熱效率高、運(yùn)行靈活、設(shè)備可用率高和排放污染小等優(yōu)點(diǎn)，因此在我國(guó)未來(lái)的電力建設(shè)中，聯(lián)合循環(huán)將是其中一個(gè)重要的組成部分。

沙吉巴扎地處孟加拉內(nèi)陸腹地，其周邊電廠裝機(jī)容量小，未來(lái)該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展將進(jìn)入快速發(fā)展，對(duì)用電的需求將極大增加，因此要求該區(qū)域的電廠具備長(zhǎng)期滿足供電能力的同時(shí)也具備調(diào)峰作用，而孟加拉的天然氣儲(chǔ)量豐富，預(yù)計(jì)燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組將是其發(fā)展的主要機(jī)組型號(hào)。

目前，我國(guó)國(guó)內(nèi)大部分都是大型燃?xì)饴?lián)合蒸汽輪機(jī)，適合“一拖一”工況，即一臺(tái)燃機(jī)帶動(dòng)一臺(tái)汽機(jī)，而“二拖一”這種工況燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組由于抽汽量大，工況變化復(fù)雜，給機(jī)組設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的困難，不論在國(guó)內(nèi)還是國(guó)際都是個(gè)新課題，經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān)小組的不懈努力，該機(jī)組已經(jīng)設(shè)計(jì)制造完成，目前在電場(chǎng)已進(jìn)入機(jī)組調(diào)試階段。

1 設(shè)計(jì)方案選取

1.1 單缸方案與雙缸方案比較（機(jī)組母型的選取）

根據(jù)我公司的現(xiàn)有技術(shù)儲(chǔ)備，擬定以下兩套設(shè)計(jì)方案：

通過(guò)綜合比較，最終選用了單缸方案。

2汽輪機(jī)主要關(guān)鍵技術(shù)

（1）轉(zhuǎn)子采用無(wú)中心孔整段轉(zhuǎn)子，并采用分區(qū)熱處理工藝，使轉(zhuǎn)子在高溫區(qū)具有良好高溫蠕變性能的同時(shí)，在低溫區(qū)具有很高的強(qiáng)度。

（2）機(jī)組高壓全周進(jìn)汽、低壓采用補(bǔ)汽方式，不僅提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，而且提高了機(jī)組的調(diào)頻靈活性和安全可靠性。

（3）在通流設(shè)計(jì)中采用了徑向汽封齒結(jié)構(gòu)、隔板斜通道設(shè)計(jì)、沖動(dòng)式自帶冠靜葉、隔板水平中分面斜切等先進(jìn)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)通流效率的最大化。

（4）采用旋轉(zhuǎn)隔板實(shí)現(xiàn)調(diào)整抽汽。并首次采用了雙驅(qū)動(dòng)、力偶式旋轉(zhuǎn)隔板執(zhí)行機(jī)構(gòu)，提高了旋轉(zhuǎn)隔板的工作可靠性，保證了機(jī)組的安全運(yùn)行。

（5）本汽輪機(jī)設(shè)計(jì)中采用新的汽輪機(jī)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以國(guó)際大型CAE技術(shù)的NASTRAN、PATRAN、MARC、ABAQUS程序?yàn)楹诵模槍?duì)不同的部件制定了相應(yīng)的安全性考核準(zhǔn)則，從以往考核平均應(yīng)力的方法轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)力場(chǎng)尖峰應(yīng)力、高周疲勞及底周疲勞強(qiáng)度的考核。

（6）通流設(shè)計(jì)中采用計(jì)算氣動(dòng)力學(xué)（CFD）的數(shù)字模擬技術(shù)，大大改進(jìn)了汽輪機(jī)的流場(chǎng)特性，減少通流損失，提高了機(jī)組的效率。

3汽輪機(jī)主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本汽輪機(jī)為高壓、單缸、單軸、雙壓、無(wú)再熱、抽汽凝汽式汽輪機(jī)。

汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1：

3.1 轉(zhuǎn)子

本汽輪機(jī)為單軸、單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子采用無(wú)中心孔整鍛形式，材料為鉻鉬合金鍛造鋼（25Cr2NiMo1V），并應(yīng)用了分區(qū)熱處理工藝。

轉(zhuǎn)子采用整鍛無(wú)中心孔設(shè)計(jì)主要有以下有點(diǎn)：無(wú)中心孔轉(zhuǎn)子的離心應(yīng)力大大低于有中心孔轉(zhuǎn)子（應(yīng)力最大處約為有中心孔轉(zhuǎn)子的1/2），在相同的工況下，其總應(yīng)力比有中心孔轉(zhuǎn)子低得多；無(wú)中心孔轉(zhuǎn)子具有更高的抗疲勞能力，提高了轉(zhuǎn)子的壽命；啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力峰值低，可以縮短啟動(dòng)時(shí)間；應(yīng)力集中的降低和性能的提高，使機(jī)組具有更高的負(fù)荷適應(yīng)性和靈活性；整鍛轉(zhuǎn)子整體加工，使轉(zhuǎn)子的平衡性得到提高。

分區(qū)熱處理，可以使轉(zhuǎn)子在高溫區(qū)具有良好的高溫蠕變性能，并且在低溫區(qū)具有很高的強(qiáng)度。

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間剛性連接。

3.2 通流結(jié)構(gòu)

通流部分共由22級(jí)壓力級(jí)組成，采用SIEMENS-WESTINGHOUSE的先進(jìn)通流設(shè)計(jì)技術(shù)和準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)通流部分的自動(dòng)化優(yōu)化設(shè)計(jì)，使各級(jí)焓降分配更合理，汽流通道更光滑，各級(jí)動(dòng)、靜葉片的成型設(shè)計(jì)完全滿足流場(chǎng)氣動(dòng)性能的要求。

為簡(jiǎn)化熱力系統(tǒng)，并滿足聯(lián)合循環(huán)機(jī)組開(kāi)速起停要求，該機(jī)組無(wú)回?zé)岢槠⑶腋邏翰糠譄o(wú)調(diào)節(jié)級(jí)，采用全周進(jìn)汽方式。機(jī)組全周進(jìn)汽、無(wú)調(diào)節(jié)級(jí)，大大減少了閥門損失，提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性；高壓第一級(jí)葉片焓降降低，載荷降低，提高了葉片的安全性；全周進(jìn)汽無(wú)任何附加汽隙激振，提高了機(jī)組的軸系穩(wěn)定性。

由于是單缸結(jié)構(gòu)，無(wú)回?zé)岢槠⒂械蛪貉a(bǔ)汽，排汽面積與進(jìn)汽面積之比很大，因此在通流設(shè)計(jì)方面存在較大難度，既要保持高壓前幾級(jí)的葉片高度，減少葉高損失，又要盡量減少流道的擴(kuò)張角。為此，高壓前幾級(jí)靜葉采用分流葉柵，在保證強(qiáng)度的前提下提高通流效率；動(dòng)靜葉采用新型高效的沖動(dòng)式葉型，后加載速度分布；在隔板設(shè)計(jì)中采用了徑向汽封齒結(jié)構(gòu)、斜通道設(shè)計(jì)、自帶冠靜葉等先進(jìn)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)通流效率的最大化。

本機(jī)組末級(jí)采用的成熟的，有大量良好運(yùn)行業(yè)績(jī)的905動(dòng)葉片，該葉片廣泛應(yīng)用于我公司300MW（雙排汽）和600MW（四排汽）機(jī)組中，末級(jí)長(zhǎng)葉片有利于末級(jí)排汽損失的降低，從而提高機(jī)組的內(nèi)效率。

3.3 汽缸

汽缸采用單缸結(jié)構(gòu)，整個(gè)汽缸由高中壓汽缸和低壓排汽缸兩端組成，高中壓汽缸為合金鑄鋼件，低壓排汽缸由鑄鋼件與鋼板拼焊制成，兩者之間采用垂直中分面和螺栓聯(lián)接。

高壓缸采用雙層缸結(jié)構(gòu)，高壓外缸溫度較低，汽缸水平中分面采用高窄法蘭，下貓爪支承方式，較好地改善了中分面螺栓受力，便于機(jī)組快速起停。高中壓汽缸上半設(shè)有平衡活塞蒸汽管，以平衡轉(zhuǎn)子軸向推力；下半在適當(dāng)級(jí)后開(kāi)孔，利用該檔抽汽作為軸封供汽，以滿足軸封系統(tǒng)的自密封要求，汽缸與前軸承座之間采用定中心梁結(jié)構(gòu)。

高壓內(nèi)缸整體鑄有蒸汽室，蒸汽室全周進(jìn)汽，僅下半有兩個(gè)進(jìn)汽口，通過(guò)密封環(huán)結(jié)構(gòu)穿出外缸。高壓內(nèi)缸通過(guò)中分面處的安裝搭子、前端的上下立鍵、中部的圓周槽、后端的上下軸向鍵安裝于外缸內(nèi)。

低壓排汽渦殼及導(dǎo)流板型線采用空氣動(dòng)力特性良好的成熟型線。低壓排汽缸內(nèi)設(shè)有噴水減溫裝置，以保證機(jī)組的正常運(yùn)行，后軸承座采用座缸式結(jié)構(gòu)。

低壓排汽缸與凝汽器之間剛性連接。

3.4 閥門

本機(jī)組為雙壓形式，即除有高壓進(jìn)汽外，還有低壓補(bǔ)汽。故有高壓和低壓兩套進(jìn)汽機(jī)構(gòu)。高壓進(jìn)汽機(jī)構(gòu)由一組主汽閥和兩組高壓調(diào)節(jié)汽閥組成，并分成兩路進(jìn)汽缸左右兩側(cè)。高壓主門與調(diào)門油動(dòng)機(jī)均由數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）控制。

3.5 旋轉(zhuǎn)隔板

本機(jī)采用旋轉(zhuǎn)隔板實(shí)現(xiàn)調(diào)整抽汽。旋轉(zhuǎn)隔板安裝在流道內(nèi)，不使流道分割，簡(jiǎn)化了整個(gè)汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)和布置。旋轉(zhuǎn)隔板是通過(guò)改變旋轉(zhuǎn)隔板通流面積來(lái)實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，繼而實(shí)現(xiàn)調(diào)整抽汽壓力的。旋轉(zhuǎn)隔板將閥門與隔板的特征合二為一，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽輪機(jī)抽汽結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新。

由于本機(jī)組抽汽壓力低、容積流量大，使得旋轉(zhuǎn)隔板外形尺寸特別大，給結(jié)構(gòu)布置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶了困難。最終采用的雙驅(qū)動(dòng)、力偶式旋轉(zhuǎn)隔板執(zhí)行機(jī)構(gòu)，解決了大驅(qū)動(dòng)力和高可靠性的難題。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)能提供雙倍的對(duì)旋轉(zhuǎn)隔板轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)的驅(qū)動(dòng)力，并且因其雙側(cè)布置，使得整個(gè)汽缸的重心更趨近中心，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。

4系統(tǒng)組成

4.1 汽水系統(tǒng)

4.1.1 汽封系統(tǒng)

本機(jī)組汽封系統(tǒng)采用自密封形式，主要由供汽閥門站、溢流閥門站、穩(wěn)壓母管、汽封減溫裝置、汽封備用汽源補(bǔ)汽閥、四流程汽封加熱器組成。

汽封備用汽源補(bǔ)汽閥能在機(jī)組負(fù)荷> 30%額定負(fù)荷時(shí)，在沒(méi)有外界汽源的情況下，確保汽封系統(tǒng)正常工作。若此時(shí)汽調(diào)節(jié)閥門前無(wú)汽封汽源補(bǔ)充，且母管汽封壓力處于下限，而溢流閥又處于關(guān)閉狀態(tài)，則開(kāi)啟汽封補(bǔ)汽閥，向母管汽封補(bǔ)充供汽。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷≤30%額定負(fù)荷（此時(shí)若母管汽封壓力處于下限，則應(yīng)改由供汽調(diào)節(jié)閥來(lái)供汽）或溢流閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，則關(guān)閉汽封補(bǔ)汽閥。

4.1.2 疏水系統(tǒng)

疏水系統(tǒng)在汽輪機(jī)裝置中是非常重要的，它保證不使水進(jìn)入汽輪機(jī)內(nèi)部，減少水在汽輪機(jī)內(nèi)的積聚，防止汽輪機(jī)進(jìn)水而引起的熱沖擊和機(jī)械沖擊，避免葉片損壞、部件變形，保障汽輪機(jī)安全啟停。

疏水系統(tǒng)主要由自動(dòng)疏水器、節(jié)流孔板、管道和儀表組成，系統(tǒng)中設(shè)有汽缸以及各閥門管道等各點(diǎn)疏水。疏水系統(tǒng)布置的特點(diǎn)是：為了防止疏水倒流，所有疏水管按壓力等級(jí)依次排列接到疏水母管上，疏水母管再與膨脹箱連接。然后再由疏水膨脹箱至凝汽器。

4.2 油系統(tǒng)

本機(jī)組的潤(rùn)滑油系統(tǒng)供給汽機(jī)超速遮斷裝置用的工作介質(zhì)和汽輪機(jī)軸承、發(fā)電機(jī)軸承、推力軸承和盤車裝置的潤(rùn)滑油。潤(rùn)滑油系統(tǒng)由汽輪機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)的主油泵、濾網(wǎng)、過(guò)濾器、液位開(kāi)關(guān)等，以及各種脫扣、控制裝置和連接管道組成。

5結(jié)束語(yǔ)

該型機(jī)組已經(jīng)處于運(yùn)行階段，各項(xiàng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)良好。此次的成功，為今后我司開(kāi)發(fā)同類型的海外項(xiàng)目具有重要意義。

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