东方350 MW超临界单层中压缸设计要点分析

高展羽，刘雄，杨晓燕

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

东方350 MW超临界单层中压缸设计要点分析

高展羽，刘雄，杨晓燕

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

为了进一步降低制造成本，提高机组效率，东方结合某350 MW机组开发了超临界中压单层缸模块。文章对该超临界单层中压缸的设计要点进行了简要分析，着重阐述了单层缸的结构、强度设计以及必要的工艺过程。

350 MW，单层缸，超临界

0 前言

近年来，随着计算机的发展，在汽轮机行业，产生了很多先进的设计理念、设计方法和设计软件，同时，随着资源紧缺和经济不景气，降本增效越来越被人们所重视。在此背景下，东汽结合某350 MW超临界供热机组的设计条件，对中压模块汽缸采用单层缸设计，并进行了一系列论证，本文将对该项目中压单层缸的设计进行简单的介绍和探讨。

1 机组概况

该机组为350 MW超临界燃煤间接空冷热电联产机组，机组型式为一次中间再热，三缸两排汽，机组参数为24.2/566/566，采暖抽汽为可调整抽汽，采用中低压连通管上蝶阀与抽汽管上快关调节阀组合调节，供热压力为0.4 MPa，抽气量为394.3 t/h（额定）～550 t/h（最大）； 工业抽汽为非可调抽汽，位于第3段和第4段抽气管道上，各50 t。中压缸排气参数为0.4 MPa/242.8℃，流量127 t/h。

对于中压模块，通流设计为单流11级，抽汽分别在中压第4级后、第8级后和第11级后。为了降低中压进汽压损，进汽方式采用水平切向变截面进汽。阀门采用主调联合汽阀，布置在汽缸两侧，再热蒸汽从阀门出口分别水平流入汽缸上、下半。本机组按照40%BMCR高、低压串联旁路设计，机组启动方式为高中压联合启动或中压缸启动。中压缸整体结构示意见图1。

图1 通流示意图

2 单层缸结构设计

汽缸是汽轮机设备中重要部套之一，汽缸设计是否合理直接关系到机组能否稳定运行。在汽缸设计时，首先要保证的就是汽缸的强度、刚度和运行稳定性；其次，汽缸结构应能满足自由膨胀和收缩，避免应力集中和变形，保证运行过程中的动静间隙；再次，汽缸结构应具有良好的气动性，尽可能地提高机组经济性；最后，汽缸结构应工艺性好，便于加工、装配、检修和运输等。

对于较高参数的机组，考虑到温度场的分布，汽缸一般设计为双层缸，因此，对于超临界350 MW机组的中压单层缸来说，设计过程尤为复杂。主要表现在以下几个方面。

2.1 汽缸材料选取

汽轮机汽缸设计时，一方面要求汽缸材料具有足够的高温力学性能，另一方面，要求材料在工作温度下具有良好的高温抗氧化性和耐腐蚀性，同时，材料还需具有良好的时效稳定性以满足汽轮机30年的运行寿命。对于超临界机组的双层汽缸，外缸一般选取适用温度较低的Cr-Mo或Cr-Mo-V钢，内缸选取适用温度较高的9%～12%Cr的材料。对于该单层中压缸， 566℃的再热蒸汽直接与其接触，因此，汽缸材料按照超临界内缸的材料 （9%～12%Cr）选取更为合理，在兼顾成本的情况下，汽缸材料设计为ZGlCr10MoNiVNbN。

2.2 支撑-滑销系统

汽轮机在启动-运行-停机过程中，随着进入汽轮机系统的蒸汽参数变化，机组的结构件受热胀冷缩的影响，尺寸也在不断变化。因此，滑销系统的可靠性是汽轮机稳定运行的首要保障。单层缸滑销系统结构总体型式及位置采用东方传统350 MW机组的成熟结构，即：汽缸采用下猫爪支撑、猫爪与轴承箱采用键连接推动轴承箱滑动、汽缸横向限位采用定位键连接。

中压单层缸与双层缸的外缸相比，由于汽缸本身温度较高，则汽缸温度对滑销系统的影响相对较大，尤其是中压缸前猫爪和定位键位于中压进汽室前部，受到中压进汽温度对其的影响更加明显。为了减小这部分影响，单层缸设计时，一方面将猫爪与中压进汽室的距离加大 (相对双层缸的外缸)，减小中压进汽温度对猫爪定位面 (中分面标高)的影响，另一方面调整传统的定位键结构，将高温部套设计为定位键，低温件设计为键槽，运行时定位键受热膨胀，定位键和键槽之间的间隙相对于冷态时减小，防止汽缸跑偏。

2.3 轴封系统

轴封系统是汽轮机组设计中一个重要的环节，轴封有效齿数、漏汽分段和汽封间隙设计的合理性是保障机组高效、稳定运行必不可少的条件之一。对于该中压单层汽缸，因其为单流设计，机尾端为中压排汽段，其运行温度与双层缸的外缸温度场相当，故而排汽端的轴封设计采用350 MW成熟的轴封结构，即一个悬挂式汽封体和一个端把汽封体共同组成两段漏汽进入SSR。

东方传统350 MW中压前汽封为3段漏汽，第1段漏汽进入内外缸夹层，最终流入3#高压加热器，第2段漏汽进入SSR，第3段漏汽去轴封加热器，轴封结构见图2。

图2 传统350 MW中压前轴封结构

采用单层缸之后，中压前汽封的进口参数较高，如果仍旧采用传统350 MW中压前汽封的结构设计，则会导致3个问题：

（1）启停机时，SSR送气温度与轴封漏汽温度温差较大，导致转子弯曲；

（2）热胀冷缩作用下，外部端把汽封体上汽封圈与转子的径向间隙在热态时增大，影响机组经济性，甚至导致轴封向外漏汽；

（3）因单层缸没有内外缸夹层，则第2段漏汽参数较高，影响机组经济性。

为了解决上述经济性和安全性问题，单层缸设计时对中压前轴封进行了优化：

（1）合理设计轴封的漏汽参数，适当提高来自SSR的蒸汽温度与之匹配，保证其与轴封漏汽之间的温差，避免启停机过程中转子弯曲；

（2）满足结构需要和胀差的情况下，增加轴封的有效齿数，优化轴封径向间隙，保证最优经济性；

（3）将原端把汽封结构设计为悬挂式汽封结构，避免汽封体随外缸一起膨胀导致汽封间隙增大。优化后的轴封见图3。

图3 单层缸中压前轴封结构

2.4 进、排气型线设计

在汽缸结构中，蒸汽的进、排腔室占相当大的比例，而衡量该腔室气动性能的指标为全压损失系数，全压损失系数愈低，其气动性能愈好，因此，世界各汽轮机制造厂多年来始终把降低压损作为提高汽轮机内效率的重要手段之一。在对型线优化收益的计算过程中，首先用Pro/E建立了几何模型，然后用Workbench来实现网格的划分，最后运用CFX对其进行计算分析。

在单层中压缸设计过程中，考虑到缸效率和经济性的提高，汽缸在进汽、排汽腔室的型线设计上进行了优化，各腔室的截面积在周向上采用渐变的方式，以保证进口或出口处周向压力分布均匀，减小各腔室的压损。

传统的350 MW机组中压进汽采用竖直四进汽，中压排汽采用周向等截面排汽；单层缸的中压进汽采用水平切向两进汽，中压排汽采用周向变截面排汽。优化前后的全三维流场模拟示意图见图4～图7，从图中看出，单层缸的进、排汽倒流处涡流区域明显减小。中压进、排汽腔室型线优化使中压缸效率显著提升，热耗收益大约13 kJ/kW·h。

图4 中压四进汽流场

图5 水平切向两进汽流场

图6 等截面排汽流场

图7 变截面排汽流场

2.5 胀差设计

汽轮机在启动-运行-停机过程中，由于汽轮机各部件材质不同，线胀系数不同，且随着进入汽轮机的蒸汽温度不断变化，静子部分和转子部分的膨胀值也在不断变化，且膨胀量不相同，因此就会导致热态时动静间隙偏离冷态值，形成胀差。

该机组死点布置与常规350 MW机组一致，绝对死点位于中压后，相对死点位于中压前，因此，从胀差上来看，中压单层缸与双层缸的差异在于，前者为单层缸 （包括隔板等附件）膨胀量与转子膨胀量之差，而后者则为内缸、外缸 （包括隔板等附件）膨胀量的叠加之后与转子膨胀量之差，再者，双层缸机组外缸材料与单层缸材料线胀系数非常接近，定性分析，该中压单层缸与双层缸膨胀量相差不大；又因转子膨胀量与汽缸层数无关，故单层缸机组胀差与双层缸机组差别不大，精确计算结果也显示两者胀差非常接近。

2.6 汽缸稳定性

汽缸稳定性是指汽缸在承受热胀、自重、管道反力、做功反转力矩等情况下能够安全稳定运行。汽缸稳定性校核是机组设计必须要考虑的重要因素之一，是汽轮机组安全运行的首要保障。

中压采用单层缸之后，中压模块的重量相比双层缸机组减小 （约22 t），因此，为了保证汽缸稳定运行，猫爪不至于托空，必须将作用到汽缸上的合力、合力距降到一定水平，而中压缸做功反转力矩受中压缸功率限制无法调整，则只能降低连接到中压缸上各管道的力和力矩，使其满足汽缸稳定性校核要求。

3 单层缸强度分析

汽缸是汽轮机设备安全校核必不可少的重要部套之一，就单层中压缸而言，缸体内部压力和温度沿轴向坐标变化而变化，温度场不均匀而产生的热应力和变形，本身还承受隔板对其的轴向力以及管道作用的力和力矩，汽缸强度、气密性的计算比较复杂。一般情况下，汽缸采用近似方法进行常规经验计算，但随着计算机技术的发展，利用专业的三维软件进行的有限元分析法也越来越普遍，且计算结果也更加精确。

对汽缸进行经验计算时，将汽缸壁和汽缸法兰、螺栓等分别考虑。根据压力、温度分布将汽缸沿轴向分成若干段，采用理论公式分别进行计算。其计算过程可根据 《汽轮机强度计算手册》逐步进行，在此不做详细说明。下面将三维软件的有限元分析进行简单介绍。

该单层缸进汽压力5.007 MPa，局部最高运行温度569℃。在进行三维有限元计算时，采用Pro/E建立三维模型，网格划分缸体以四面体单元为主，螺栓以六面体单元为主。螺栓及缸体上下半中分面网格较密。根据其运行环境，需要对中压缸在冷态、稳态和瞬时 （启停机）汽缸的刚性、强度、汽密性以及汽缸在长期运行螺栓松弛之后的密封性进行计算分析。

3.1 确定边界条件

位移边界：根据汽缸滑销系统结构，3个坐标方向上的限位见图8。

图8 汽缸位移限位示意图

温度边界：稳定运行时进汽室内外法兰温差为50℃，启停机瞬态工况下，进汽室内外法兰温差取为100℃；中压缸内壁的温度按照各通流级的设计温度 （见表1）进行分区和计算；外壁的换热系数稳态工况为2.5 W/㎡·℃，瞬态工况为7.0 W/㎡·℃。

表1 中压通流温度、压力参数

力的边界：螺栓预紧力为300 MPa；各级隔板按实际重量加载至悬挂销槽中部；重力加速度按9 800 mm/s2给定；中压缸内部的压力按照各通流级的设计压力 （见表1）；隔板对汽缸定位面的作用力按各级通流静叶前后压差与隔板受力面积的乘积计算；管口力按设计院管道联算结果进行加载。

3.2 冷态计算

中压全实缸在冷态时受到螺栓预紧力和全实缸自重，需要校核的是在合力作用下的汽缸位移、螺栓应力和中分面法兰的汽密性。计算结果显示汽缸隔板悬挂销处天地向变形最大为0.13 mm；汽缸法兰上的Mises应力约为65 MPa，汽缸壁上应力＜10 MPa；中分面大部分区域的接触压力＞10 MPa以上，中分面处于良好的接触状态。见图9～图11。

图9 冷态工况隔板悬挂销天地向位移示意图

图10 冷态工况汽缸Mises应力云图

图11 冷态时中压缸中分面的接触压力

3.3 稳态计算

稳态运行时进汽室内外法兰温差按50℃，进汽室内外壁温差按20℃。计算结果表明：进汽段法兰上平均Mises应力为97.1 MPa，缸壁上平均Mises应力为66.6 MPa，缸壁上薄膜应力+弯曲应力最大值为92.8 MPa，三者均小于材料对应工作温度下的持久强度。中分面螺栓最大Mises应力最大320 MPa，小于螺栓材料对应工作温度下的屈服强度。汽缸后轴封区域接触压力较小，最大张口量为0.03 mm，其余大部分区域接触压力大于10 MPa，密封性良好。而张口区域位于同一腔室，对汽缸运行没有影响。见图12～图14。

图12 稳态工况缸体Mises应力云图

图13 稳态工况中分面螺栓的Mises应力云图

图14 稳态工况下汽缸中分面接触压力

3.4 瞬态计算

瞬态工况是指机组在启停机过程中环境条件最为恶劣的时刻，此时的温度场边界比较复杂，无法准确定义。在计算时近似地按照额定工况时的压力和温度参数加载到汽缸内壁，然后将内外壁温差设为稳态时的2倍，汽缸外壁的换热系数设为稳态时的2.8倍。计算结果显示：瞬态工况下，进汽段法兰的Mises应力最大为213.9 MPa，汽缸壁截面的Mises应力为149.6 MPa，均小于对应温度下的屈服强度；螺栓最大Mises应力小于360 MPa，小于螺栓材料对应工作温度下的屈服强度。汽缸后轴封处张口量为0.003 mm，其余区域接触压力大于10 MPa，密封性良好。见图15、图16。

图15 瞬态工况中分面螺栓的Mises应力云图

图16 瞬态工况下汽缸中分面接触压力

3.5 长期运行时的计算

对于汽缸中分面螺栓而言，机组长期运行后，螺栓将发生高温蠕变，螺栓紧力会减小，中分面接触压力也将减小。以一个大修期为例进行计算，高温螺栓蠕变产生松弛，汽缸后轴封段张口量为0.018 mm，1～4级隔板区域张口量为0.022～0.091 mm，其余大部分区域接触压力大于10 MPa，密封性良好。为了保证大修后汽缸紧力，适当增加螺栓紧力后即可消除局部张口。见图17、图18。

图17 松弛后汽缸中分面的接触压力

图18 松弛后汽缸中分面的张口量

3.6 水压试验

在汽轮机汽缸生产制造的过程中，为了确保产品能安全运行，通常需要使用水压试验的方法对汽缸进行检测。一般情况下，水压试验在常温下进行，但水压试验的压力要求高于产品额定运行的压力，通常是最大运行压力的1.5倍。因此，单层缸设计时，有必要对汽缸水压试验时的中分面密封性和螺栓受力进行安全性校核。

单层缸水压试验时，考虑到水压试验工装强度和结构限制，汽缸内部按其压力分布划分为3个区域 （见图19），各腔室试验压力按其最高运行压力的1.5倍进行，结果显示汽缸中分面压力分布均匀，平均Mises应力大于20 MPa，汽缸内壁局部内张口最大28 μm，位于中压侧排汽腔室内部，不会造成中分面漏水，符合安全性要求。见图20。

图19 水压试验压力腔室分布图

图20 整个中分面压力分布

4 结论

汽缸在机组运行时，受力情况和温度场都比较复杂，汽缸设计的边界条件很难完全符合运行时各个状态，汽缸设计时按照汽缸运行最恶劣的工况并考虑一定的安全系数进行设计。因此，机组的运行过程数据会与设计值存在一定偏差。

一般来说，单层缸用于100 MW以下的低参数机组，而用于350 MW超临界机组的中压单层缸，此为国内首例，运行之后还需长期的跟踪、总结和优化，这样才能保证机组长期安全、稳定、高效地运行。

Design Points of DTC 350 MW Supercritical Single-shell Intermediate Pressure Cylinder

Gao Zhanyu， Liu Xionɡ， Yanɡ Xiaoyan

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

In order to further reduce the manufacturing cost and improve the efficiency of the unit,the supercritical intermediate pressure single-shell cylinder module was developed with DTC 350 MW unit.In this paper,the design points of the supercritical single-shell intermediate pressure cylinder were briefly analyzed,the structure,strength design and the necessary process of the single-shell cylinder were emphatically described.

350 MW,single-shell cylinder,supercritical

TK26

A

1674-9987（2017）04-0005-07

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.04.002

高展羽 （1982-），男，工程师，毕业于合肥工业大学机械设计制造及自动化专业，现从事汽轮机研发工作。