F级二拖一联合循环抽凝背汽轮机的开发

0 前 言

为了满足电厂供热最大化的要求，上海电气开发了国内首台具有完全自主知识产权的抽凝背（NCB）汽轮机用于北京草桥项目。通过实现低压缸在线解列与并列，使机组的运行方式更适应最大限度地提高供热能力。冬季供热工况时，供热初期，在汽轮机最大抽汽量可满足供热负荷需要的情况下，汽轮机采用抽凝方式运行；在汽轮机最大抽汽量不能满足供热负荷需要时，采用低压缸解列，高中压缸背压运行，其中压排汽及低压主汽全部用于加热热网加热器。该汽轮机为三压再热、反动式、双缸双排汽、单轴、抽凝背联合循环汽轮机，型号为LZC(B)266-12.5/0.4/545/540。以下从总体布置和结构特点两方面，对该汽轮机进行介绍。

1 总体布置

1.1 双缸五支点轴系支撑结构

该联合循环项目采用F级燃机“二拖一”配置，汽轮机与燃气轮机分轴布置，其主要参数见表1。

表1 汽轮机主要技术参数

本汽轮机采用双缸布置方案，其高中压合缸、对流布置，低压双流、向下排汽。为了实现低压转子的在线解列与并列，高中压缸与低压缸之间设置自同步离合器，整体布置如图1所示。

图1 F级二拖一联合循环汽轮机的布置

为了满足上述汽轮机布置方式，通过对其轴系动力特性进行分析[1]，本机组采用了一种全新的轴系支撑结构——双缸五支点结构。如图2所示，轴系从发电机端看向汽轮机，依次为高中压转子、中间轴、自同步离合器、低压转子。高中压转子前后分别设置高中压前轴承和高中压后轴承两个径向轴承；低压转子前后分别设置低压前轴承和低压后轴承两个径向轴承。为了保护自同步离合器，轴系中布置了中间轴，并在中间轴的自同步离合器端设置一个轻载径向轴承，即离合器轴承，与以上四个径向轴承一起组成五支点支撑结构。为了平衡汽机转子轴向推力，高中压转子汽机端的高中压后轴承为径向推力联合轴承，低压转子在汽机端设置独立的低压推力轴承。以上两处即为本机组的两个相对死点，其绝对死点也有两个，分别设在所在推力轴承的轴承座处。本机组发电机出轴在高中压转子上。

图2 汽轮机支撑及滑销系统

以上诸多有别于常规机组的设置，完全不同于汽轮机轴系及整体布置的已有概念，从而解决了此类抽凝背机组的总体布置问题，其运用到的技术理念对于后续类似机组将起到参考作用。

1.2 具有锁定功能的自同步离合器

自同步离合器的主要用途是将低压转子的扭矩传递至高中压转子，且其传递力矩的方向是单向的，本机组正是通过该功能实现低压转子的在线解列与并列。不同于F级单轴联合循环汽机所采用的自同步离合器，该机组所配离合器具有锁定装置，且同时具有高速（次）和低速（主）两套棘轮棘爪，如图3所示。对于单轴机组来说，由于汽机与燃机是同轴的，离合器用于连接汽机转子与燃机—发电机转子，只有在燃机带一定负荷后，才会冲转汽机，因此只需要离合器的基本功能即可[2]。而对于本机组，为了简化汽轮机启动方式、缩短启动时间，高中压模块启动时，总是带着低压模块一起启动，汽轮机只需要在盘车时，将高中压转子与低压转子锁定，就可以将其视为常规机组，即允许高中压转子将扭矩传递至低压转子而不会发生意外解列，此功能对于机组纯凝/抽凝运行的冲转阶段尤为重要。为了使离合器能够在汽机盘车转速附近啮合并锁定，除了高速（次）棘轮棘爪外，需要额外配置低速（主）棘轮棘爪（见图3）。

图3 具有锁定功能的SSS离合器结构

这类离合器需要在轴承座内增设锁定装置油缸、油路控制电磁阀及其附属油管路，在一定程度上会增加机组的设计难度及控制复杂程度，但它在满足低压缸实现在线解列与并列的前提下，很好地简化启动及停机方式，是目前这类抽凝背汽轮机的首选。

本款自同步离合器仍具有吸收汽轮机高中压转子、低压转子膨胀的功能。高中压转子、低压转子各有自己的死点，并向离合器方向膨胀而产生差胀，自同步离合器在结构上可以吸收这个差胀。

1.3 配汽机构——低压缸进汽系统

本汽轮机为三压机组，配备了三组进汽阀门：两套主汽阀组、两套再热阀组和一套补汽阀组。其中，主汽与再热阀组通过法兰直接固定在高中压缸上，对称布置，其间无导汽管连接，下方都用支架支撑自身重量，以利于汽缸热胀，见图1。阀门直接座缸，其蒸汽压损极小、效率高。

对于抽凝背机组，由于要求低压缸可在线并列和解列，且满足抽汽要求，中低压联通管与低压补汽管路上需设置一系列阀门，组成低压缸进汽系统。

该联通管布置在机组的右侧（高中压缸看向低压缸）。如图4所示，中压排汽通过联通管，经过低压主汽阀、低压调节阀和低压启动调节阀，与低压补汽混合，进入低压缸，以上阀门均为碟阀。其中低压补汽管路设置了补汽滤网和低压补汽阀组。

图4 中低压联通管

对于本机组，在背压工况运行时，联通管上的低压主汽阀，起到隔绝低压缸的作用，以防中排漏汽进入低压缸，可能造成低压缸无法在线解列的情况发生。机组作抽凝工况运行时，联通管低压调节阀起到调节低压缸流量（功率）的作用。当从背压转为凝汽/抽凝工况时，由于联通管低压调节阀口径太大，缺乏小流量下一定的调节精度，需要设置联通管启动调节阀单独冲转、启动低压汽轮机。作为抽汽机组，本机热网抽汽设于中排处，联通管低压调节阀还可以在热电联供时起调节抽汽压力的作用。

由于联通管上设置了一系列阀门，自重很大，需要在机组侧面设置专门的龙门式支架，使其承受联通管以及其上各部件的重力，并允许连通管自由膨胀。

不同于以往机组，由于不需要低压缸蒸汽冷却流量，且存在背压工况，以上阀门均要求零泄漏。

1.4 轴承座——四落地轴承座结构

该机组在高中压转子与低压转子之间设置了中间轴，因此汽轮机采用了四轴承座结构，高中压缸两端分别为前轴承座和中轴承座I，低压缸两端分别为中轴承座II和后轴承座。各轴承座均落地且固定于基础上，轴承座材料为铸铁，其中自同步离合器布置于中轴承座II内。四个轴承座除了容纳轴承及支撑转子外，高中压外缸和低压内缸的前后猫爪也均支承在轴承座上并作轴向定位。这种布置方式，无需轴承座及汽缸的台板、垫铁结构，简化了机组结构及现场安装，尤其适用于高中压模块需要整体发运的机组。

2 结构特点

2.1 高中压模块——整体内缸技术

高中压模块采用双层缸结构，高压24级、无调节级，中压14级、叶片反流布置，能适应联合循环机组快速启停的特点。高中压内缸为整体结构，虽然对于加工工艺及设备要求较高，但是能有效减少汽轮机内部漏汽损失，提高机组效率。同时，采用整体内缸，高中压外缸承受的是中压排汽温度、压力，可以显著降低外缸承受的压差和表面温度，从而达到降低外缸的壁厚和材料等级，图5为高中压模块的结构。

图5 高中压模块结构

高中压模块除了采用整体内缸技术外，还有以下几个特点：

(1)无导汽管的切向进汽技术

该模块的高压进汽与中压进汽，经过类似的插管结构，蒸汽切向进入内缸作功，减小了蒸汽压损，提高了效率。进汽插管和内缸之间由L 型密封环连接。采用这种结构，能够提供内外缸在进汽管处密封功能的同时，允许内缸在各个方向上自由膨胀移动，保证了机组的安全性。

(2)斜置静叶技术

中压第一级采用斜置静叶，在保证机组效率的同时，可以最大限度地缩短高中压转子的跨距，提升机组竞争力。

(3)高中压模块可整体发运

由于采用特殊结构，转子在运输时与汽缸的相对位置通过专用的工具固定住，该汽轮机实现了高中压模块的整体发运，这项技术缩短了交货周期，同时简化了现场安装，能有效减少安装工期。

2.2 低压模块——内缸落地技术

低压模块为双流结构，可以平衡轴向推力，并缩短末叶片的长度，采用了三层缸的设计，即外缸、内缸、持环，可以逐层降低温度，减小温差，提高机组效率、延长机组寿命。低压叶片共2×6级。

对于该汽轮机来说，除了日常用于电网调峰以外，在冬季供暖时，还需要在抽、凝、背各工况之间频繁切换，使得低压模块运行极不稳定。所以机组采用低压内缸直接落地，内缸通过猫爪坐落在两端相应的轴承座支撑台面上。低压内外缸无刚性连接，主体上是互相独立的，这种结构使得低压通流可不受背压等因素的变化影响。内缸分为上半和下半，是焊接缸。内缸支撑在中分面，这样，热位移不会影响汽缸对中。图6所示为低压内外缸的结构。

图6 低压内外缸结构

低压模块其他特点如下：

(1)外缸坐落在凝汽器上

低压外缸由多个部分组成，便于运输，现场再拼焊成上下两大部分，具有水平中分面。外缸与基础分离，其下半通过焊接直接坐落在凝汽器上，大大降低了运转层基础的负荷。同时，在顶部进汽口、端部汽封及低压内缸猫爪和纵销处均采用波纹管连接，以吸收内外缸之间的差胀，隔离外缸变形对内缸及转子的不利影响。

(2)液压盘车设备

低压转子的尾端设置了同轴的回转设备，采用液压马达驱动方式。液压马达通过花键与低压转子的延长轴连接，延长轴再与低压转子通过螺栓连接，该延长轴上同时配有低压转子推力盘，采用这种方式有利于简化低压转子结构，方便运输。由于采用的自同步离合器具有低速（主）棘轮棘爪结构，汽轮机在盘车时，即能实现离合器的啮合，从而达到传递盘车扭矩的作用，整个机组只需一套盘车装置即可满足要求，方便运行。

3 小结

作为国内首台自主研发的抽凝背汽轮机，于2013年2月7日已通过168h可靠性试运行，证明首次采用的一系列新技术是可靠的：双缸五支点轴系支撑结构、双死点滑销系统、出轴在高中压汽轮机端、具有锁定功能的SSS离合器、独特的中低压联通管结构及低压缸进汽系统、高中压整体内缸结构以及可顺利实现此类机组“一键启停”的控制系统和汽轮机辅助系统等。

联合循环机组本身具有快速启停、高效率、低污染等多种优势，此项技术的增加，实现了“供热最大化”，对于提高我国能源利用效率、降低污染具有重要意义，其市场前景广阔，不仅能在各类联合循环电厂推广，同时也适用于我国广大的燃煤电厂，尤其对于冬季供暖与高污染矛盾日益突出的我国北方，具有推广价值。

[1]张力建,葛庆.具自同步离合器的汽轮发电机组轴系动力特性分析[J].热力透平,2012,41(4):268-271.

[2]陈倪,董真,沈坚.HE型联合循环汽轮机结构特点分析 [J].热力透平,2009,38(3):153-155.