淺析某電廠軸向排汽機型汽輪機技術

摘 要：上海電氣汽輪機廠E880型汽輪機為軸向排汽型式，現主要介紹其采用的高排抽汽與一鍵啟停技術，該汽輪機技術在有效降低運行人員誤操作可能性的同時，提高了機組抽汽供熱狀態下的經濟效益。

關鍵詞：汽輪機；熱電聯產；高排抽汽；一鍵啟停

中圖分類號：TM62" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）14-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.14.021

1" " 電廠設備概述

張家港華興電力有限公司二期工程為2×400 MW燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組，燃氣輪機（含發電機）采用上海電氣集團與安薩爾多合作機型AE94.3A型燃機；余熱鍋爐采用與一期工程同一供應商——杭州鍋爐集團有限公司，余熱鍋爐型式為三壓、再熱、臥式、無補燃、自除氧、自然循環；汽機為上海電氣汽輪機廠E880軸向排汽汽輪機。

2" " 汽輪機本體結構特點

該機型為配F級燃機、一拖一型、分軸、低位布置、軸向排汽、反動式、抽汽/凝汽式汽輪機，該機型既能作為純凝調峰運行，也能作為熱電聯供機組運行，采用高排抽汽技術可以實現1.2～2.5 MPa的工業需求，具有210 t/h以上抽汽能力。

2.1" " 機組布置形式

我廠機組布置方式為汽輪機與燃氣輪機分軸布置，汽機高壓側出軸，汽輪機轉子與發電機轉子通過剛性聯軸器連接。汽輪機由高壓單流缸和中低壓順流合缸組成，采用上海電氣最新無導汽管切向進汽技術，閥門座缸設置，汽輪機轉子為落地支撐的形式。汽輪機實體效果如圖1所示。

2.2" " 機組滑銷系統

機組的絕對死點位于低壓排汽缸后軸承中心線處，在機組啟動過程中，中低壓缸受熱膨脹，膨脹推力將中軸承座向發電機方向滑動，同時中軸承座將傳動推力作用于高壓外缸上，使其向發電機滑動，高壓外缸受熱膨脹，推動前軸承座往發電機端滑動。該機型的相對死點位于中軸承座上的徑向聯合推力軸承處，中低壓轉子向凝汽器方向膨脹，高壓轉子向發電機方向膨脹，高壓轉子的膨脹量將由發電機轉子徑向間隙吸收。機組滑銷系統示意圖如圖2所示。

2.3" " 分軸承支撐

汽機軸系支撐如圖3所示，采用三支點支撐技術，高壓轉子一端與中低壓轉子端僅依靠徑向推力聯合軸承支撐，形成三個支點支撐形式。分軸承支撐技術的使用使得機組結構更加緊湊，在進行軸承承載力計算和軸系的動力特性計算時更精準，從而確保了機組的軸系具有更加良好的動力學特性。

2.4" " 轉子推力分缸自平衡

該型號汽輪機轉子采用上海電氣推力分缸自平衡技術，如圖4所示，即高壓轉子葉片推力與平衡活塞形成推力平衡，中低壓轉子葉片推力與中壓平衡活塞形成推力平衡。推力分缸自平衡技術能使機組在不同參數和不同啟動方式下保持轉子推力平衡，尤其是在機組高排抽汽200 t/h的工況下，中壓進汽參數的變化對機組的推力幾乎無影響，保證了機組安全穩定運行。

2.5" " 高壓汽缸模塊

高壓汽缸示意圖如圖5所示，此型號高壓缸模組采用雙層缸結構，高壓缸外缸僅承受中排蒸汽的壓力和溫度。軸封與平衡活塞汽封均為彈簧退讓式的迷宮式梳齒汽封。高壓缸外缸為水平中分面結構，外缸通過貓爪支撐在軸承座上，軸承座支撐臺處設有壓板，確保外缸穩定性。汽缸的橫向定位通過前軸承座和中軸承座上面的豎直定位鍵來實現定位。汽缸與前軸承座和中軸承座在下貓爪處設有定位鍵，汽缸熱脹時，外缸通過下貓爪推動前軸承座滑動，在軸承座和基礎底板之間使用低摩擦材料，以降低摩擦阻力。高壓缸內缸采用具有水平中分面的整體內缸型式，并采用高窄法蘭結構，使得機組內缸既具有良好的密封性能，又具有良好的快速啟停能力。

高壓缸進汽為側向全周切向進汽，該進汽方式能夠盡量減少壓損，做到無噴嘴組和調節級。高壓進汽門為主門和調節聯合汽門，高壓蒸汽從聯合汽門流入高壓內缸，聯合汽門為單側側向進汽布置，另一側用相同進汽法蘭蓋進行封堵，可以平衡進汽管道的內應力。

2.6" " 中低壓汽缸模塊

為滿足現代化聯合循環機組快速啟動的要求，中低壓合缸模塊在中壓缸處也采用雙層缸結構，外缸包括鑄造的中壓外缸和焊接的低壓排汽缸，它們通過垂直中分面法蘭連接。兩個汽缸都是水平中分面上下半結構。中壓外缸通過貓爪支撐在軸承座上，軸承座支撐臺處設有壓板，確保外缸穩定性。低壓外缸支撐在基礎上，外缸的絕對死點位于低壓軸承中心線處，排汽缸法蘭下方設置軸向定位鍵，中壓外缸下半貓爪與軸承座設置有定位鍵，中低壓外缸可通過下貓爪推動中軸承座滑動，在軸承座和基礎底板之間使用低摩擦材料，以降低摩擦阻力。

中低壓缸為順向布置，中壓側設置中壓平衡活塞汽封，從高壓缸排汽中引一路汽源對中壓平衡活塞處的轉子進行冷卻，冷卻汽通過汽封齒進入中壓缸夾層，與低壓補汽匯合，在有效冷卻中壓內缸后，進入低壓缸中做功[1]。中低壓缸示意圖如圖6所示。

中壓汽缸的進汽方式為四周進汽，無噴嘴組和調節級，中壓汽門為主門和調節聯合汽門，中壓再熱蒸汽從中壓聯合汽門進入中壓內缸，中壓聯合汽門同為單側側向進汽布置，且與高壓聯合汽門同側，另一側采用進汽法蘭蓋進行悶堵，可平衡進汽管道的內應力。低壓汽缸為軸向排汽，低壓蒸汽經過末級葉片后，穿過軸向的擴散器，進入凝汽器，保證了排汽速度，減少了排汽壓力的損失。

2.7" " 后軸承落地設置

后軸承座為落地設置，如圖7所示，低壓軸承座由兩個支撐腿支撐，支撐腿穿過低壓排汽缸支撐在基礎上，支撐腿與排汽缸直接設置補償結構，補償排汽缸與支撐腿之間的差脹。后軸承座落地設計與座缸式相比，減小了排汽溫度及背壓的變化對轉子標高的影響，使軸系振動情況更加優良。

3" " 高排抽汽熱電聯供技術

3.1" " 高排抽汽概述

近年來，國家環保政策越加嚴格，全國各地燃氣-蒸汽聯合循環項目不斷增加，且絕大多數熱用戶的工業用汽參數需求集中在1.2～1.9 MPa。為提高天然氣的利用率，增加經濟收益，高排抽汽型汽輪機得到廣泛運用。該機型進汽/抽汽示意圖如圖8所示。

3.2" " 解決傳統熱電聯供技術中普遍存在的汽輪機內效率偏低問題

傳統的工藝方式系在汽輪機的中壓缸內設置旋轉擋墻板來調整抽汽量，這就必然產生節流損失，而且由于抽汽量加大，內效率也大大降低。因為旋轉隔板抽汽的基本原理是通過調整旋轉隔板窗口大小來調整抽汽量，所以抽汽量加大是通過縮小旋轉隔板的通流面積來實現的，節流損失會繼續增大。事實上，設置旋轉隔板對汽輪機運行效率的影響，并不僅僅體現在節流損失上。

以具有高中壓合缸的汽輪機為例，因為采用旋轉隔板，汽輪機高中壓模塊跨距增加，又受制于轉子剛度要求，所以往往在設計上需要加大汽輪機高壓段的直徑，這就造成了高壓葉片變短，如果葉片變短，則勢必造成葉頂的漏汽損失增加，進而造成通流的內效率降低。根據上海電氣E880機型設計經驗，相同條件下，采用旋轉隔板和不采用旋轉隔板的機型在純凝汽式工況下對能效的反映相差0.2～0.3個百分點。因此，采用無旋轉隔板的高排抽汽方案更具優勢。

3.3" " 解決傳統的中壓缸抽汽溫度與用戶端抽汽溫度不匹配的難題

在汽輪機中壓缸處抽汽，高品質的再熱蒸汽（壓力1.8 MPa、溫度約450 ℃）未能充分有效做功。而現實中熱用戶所需溫度僅為250 ℃左右，存在200 ℃的溫差，不可避免地出現了高品質蒸汽浪費的現象。在高壓排汽管道處進行抽汽（冷段再熱管道處），該處的蒸汽參數為2.5～3.4 MPa、360 ℃，完全可以滿足常規的供熱需求。

高排為乏汽，焓值很低，而中壓缸抽汽點抽出的蒸汽為再熱蒸汽，未能充分膨脹做功，焓值明顯較高，并且隨著供熱壓力的提升，焓值的浪費現象將進一步惡化。因此，從焓值匹配或溫度匹配的角度出發，對于工業抽汽采用高排抽汽方案更為合理。

3.4" " 對抽汽參數的適應性更廣

該機型的抽汽適應性可以在1.2～2.5 MPa這個區間，并且抽汽參數的調整幾乎對汽輪機的效率沒有任何影響。由于機組的抽汽點不選擇在中壓缸，對該機組效率和出力幾乎無任何影響，這樣就能在熱用戶具有高度不確定性的條件下占據有利先機。采用相對高的壓力供汽還存在另外一個優點，就是熱網的管徑和門系口徑相對較小，并且溫度相對較低，可以采用性能相對低的碳鋼材質來做熱網管道，投資金額較低。

3.5" " 適應大流量抽汽，滿足用戶的供熱要求

E880機型采用了獨特的高壓缸單獨分缸、中低壓合缸、順流布置的結構，高壓缸和中低壓缸都是分缸推力自平衡結構設計，在大流量抽汽的條件下，該特殊的分缸結構能夠適應中低壓缸進汽偏少的要求，這時的中低壓缸類似于在做變工況調峰運行。也就是說，高排抽汽對汽輪機而言，中低壓缸的進汽情況相當于汽輪機中低壓缸做部分負荷下的調峰運行[2]。

4" " 汽輪機一鍵啟停技術

4.1" " 一鍵啟停技術概述

隨著我國環保要求日趨嚴格、調峰需求日益迫切，燃氣輪機聯合循環發電機組因具有綠色環保、啟停快速的特點，其投運量正在快速增長。由于燃氣輪機聯合循環發電機組的汽輪機啟動頻繁，運行人員操作工作量大，存在較大的人為操作風險。一鍵啟停技術的使用，可以實現聯合循環汽輪機的自動啟動、自動升速、自動變負荷和自動停機，大大減少了人為工作量。

一鍵啟停技術，是指利用順控邏輯進行聯合循環汽輪機和輔機設備啟停操作條件判斷和自動啟停操作。對于過程控制而言，順控邏輯會隨著過程量的變化而自行修改調節參數，使機組啟停流程完全根據順控邏輯設置程序執行。同時，由于采用一鍵啟停技術，實現了聯合循環汽輪機的全自動程序控制，使得各項操作逐步標準化，操作步驟得到進一步優化，最優操作手法在控制系統中得到固化，能有效減少運行人員誤操作，提高操作效率，降低機組啟動成本，機組啟動經濟效益進一步提高。

4.2" " 一鍵啟停技術特點

（1）運行靈活。E880型汽輪機采用一鍵啟停，投運盤車→進汽沖轉→暖機轉速→額定轉速→并網→帶負荷，整個升速并網帶負荷過程均由順控邏輯通過熱應力計算實現，無須運行人員人工操作，提高了電廠的智能化水平以及聯合循環機組的運行靈活性和可靠性。

（2）E880型汽輪機DEH調節系統采用先進的X準則，有效減少了啟動過程中汽輪機壽命損耗。主汽調節閥預熱的X2準則能防止熱應力過大；暖機過程中主蒸汽參數控制的X4準則，保證了高壓缸排汽具有適當的過熱度；主蒸汽溫度控制的X5準則，保證了高壓轉子不出現熱應力過大的冷沖擊；再熱汽溫控制的X6準則，保證了中壓轉子不會出現熱應力過大的冷沖擊；升速過程中主蒸汽溫度控制的X7準則，保障了高壓轉子和中壓轉子不會出現熱應力過大的熱沖擊；升負荷過程中主蒸汽溫度控制的X8準則，保證了高壓轉子和中壓轉子不會出現熱應力過大的熱沖擊。

（3）熱應力在線計算精度高。在E880型汽輪機的啟動、停機和變負荷過程中，沿耐用部件徑向分布溫度不均勻會產生比較大的熱應力，若運行操作不當會縮短汽輪機關鍵部件的使用壽命，需在線計算監控耐用部件的熱應力。汽缸與閥殼采用實測溫差法在線計算熱應力，轉子采用慣性環節法在線計算進熱應力，計算速度快，結果精度高。與傳統有限元數值計算結果相比，在線計算偏差小于5%。

（4）熱應力監測設備多。監控對象不僅有包括高壓轉子、高壓內缸、高壓外缸、高壓主汽閥與調節閥在內的高壓模塊，還有包括中壓轉子、中壓內缸、中壓再熱汽閥在內的中壓模塊，實現了采用一套系統對一臺汽輪機多個關鍵部件進行熱應力監控。

（5）汽輪機結構的優化設計適應快速啟動。采用高窄法蘭、薄壁汽缸等結構優化設計，使得熱應力減小，適應了機組的快速啟動。對汽輪機高壓主汽閥組、高壓轉子、高壓內缸、高壓外缸、中壓再熱閥組、中壓轉子、中壓內缸、中壓外缸等八大關鍵部件的冷態啟動、溫態啟動、熱態啟動、極熱態啟動、正常停機、事故停機、負荷變動等瞬態變工況過程進行了溫度場與應力場的有限元數值計算和結構優化改進，保障了汽輪機全工況壽命與強度安全裕度。

（6）啟動時間短。在高精度熱應力在線監控的基礎上，完成了對燃氣-蒸汽聯合循環發電機組啟動曲線的優化，E880型汽輪機一鍵啟停采用“快速” “常規”與“經濟”三種模式，合理進行壽命管理。其中快速啟動模式可以將冷態啟動時間控制在210 min內，實現燃氣-蒸汽聯合循環發電機組的快速啟動，在保證機組安全的前提下，提高了燃氣-蒸汽聯合循環發電機組的調峰性能和靈活性。

5" " 結束語

綜上所述，該汽輪機為軸向排汽機型，運用上海電氣獨特的高排抽汽與一鍵啟停自動控制技術，使得在有效減少運行人員誤操作的前提下，機組聯合循環經濟效益大大提高，并為電廠安全穩定運行提供了有力保障。

[參考文獻]

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[2] 李建波.燃氣聯合循環供熱機組抽汽方案的選擇[J].發電設備，2017，31（5）：379-382.

收稿日期：2022-07-28

作者簡介：萬勇（1992—），男，江蘇張家港人，工程師，從事燃氣輪機發電機組設備檢修與管理工作。