高效超超临界660 MW双抽可调整抽汽汽轮机设计特点

刘兴波，袁朝兴，邓宇，周华，王文龙，伍文华

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

0 引言

为应对不断攀升的能源成本和日益严苛的环保政策，各电厂纷纷将发展高效、可靠的热电联产汽轮机作为降低能源消耗、提高经济效益、保护环境的重要手段。

热电联产汽轮机可调供热抽汽方式主要有三种：

（1）工业调节阀调节——调节阀安装在汽缸上，通过阀门开度调节抽汽量，适用于较高压力的较小流量工业抽汽。该方式结构简单，但增大了汽轮机轴尺寸，且汽流有较大转折，流动损失大。

（2）蝶阀调节——蝶阀安装在连通管上，通过调节蝶阀开度来调节抽汽量，只能进行节流调节，多用于低压供热抽汽。

（3）旋转隔板调节——旋转隔板安装在汽缸内，作为一个压力级，通过调节旋转隔板窗口大小来调整抽汽量，主要适用于较低压力的工业抽汽，相比于调节阀调节方式，该结构可缩短汽轮机轴向尺寸，简化汽缸结构。

目前大流量的中、低压抽汽已成为热电联产汽轮机的主流机型，因此采用旋转隔板和蝶阀调节已成为热电联产汽轮机的主要方式。

1 总体结构

东方高效超超临界660 MW湿冷双抽可调整供热汽轮机组，为四缸四排汽结构。其中高压内缸采用筒形缸，红套环紧固，无调节级、节流配汽方式，高压模块整体发货；中压采用旋转隔板及供热蝶阀进行双抽可调抽汽，该类机组参数和纵剖面图分别见表1和图1。

表1 超超临界660 MW湿冷双抽可调整抽汽机组参数

图1 纵剖面图

2 关键技术

2.1 筒形缸技术

圆筒形内缸无中分面法兰、采用红套环紧固，在启动、停机及变工况时，不会在汽缸内外壁产生过大的温差，从而降低了汽缸壁的热应力，减少汽缸变形。

如图2所示，东方高效超超临界汽轮机采用7个红套环紧固两半筒形内缸，在进汽处设有6根螺栓用于辅助密封，内缸外壁设有隔热罩以减少热辐射。

图2 筒形内缸结构简图

根据筒形缸的结构特性和受力情况，建立了三维非线性有限元模型，对筒形缸的中分面的接触压应力（见图3）、瞬态温度场（见图4）、内缸的Mises应力（见图5）和高温蠕变进行计算。

图3 启动过程中分面的接触压应力

图4 高压内缸瞬态温度场

图5 启动过程内缸的Mises应力

有限元计算结果表明，机组在启动、稳定运行过程中，筒形缸的强度按一次应力、二次应力和峰值应力均满足设计要求。

2.2 切向进汽节流配汽技术

汽轮发电机组的配汽方式通常有喷嘴配汽和节流配汽两种方式。在部分负荷工况下，喷嘴配汽效率优于节流配汽，因此传统汽轮机大多选择喷嘴配汽。但喷嘴配汽在变工况下，蒸汽温度变化较大，将引起较大的热应力，这成为了喷嘴配汽的重要缺陷。随着现代汽轮机进汽参数和容量的不断提高，喷嘴配汽这一缺陷日益明显，并且现代大型机组普遍采用滑压运行方式，定压运行范围不断变窄，节流配汽优势更加突出。

东方高效超超临界汽轮机采用节流配汽方式。对高压进汽腔室进行优化设计，高压进汽腔室由传统的上下四进汽方式（见图6）更改为上下变截面切向进汽方式（见图7），并对其进行全三维气动分析，结果显示，上下变截面切向进汽方式较常规进汽方式压损系数和总损失系数大幅降低，详细数据见表2。

图6 常规进汽腔室

图7 上下切向进汽腔室

表2 高压进汽室气动性能

2.3 双层阀盖技术

高压主汽阀和调节阀用于关断和控制进入高压缸蒸汽流量，阀壳内工作介质为高温高压蒸汽，因此，保证阀盖具有良好的密封性，防止高温高压蒸汽泄漏尤为重要。

目前阀盖主要是依靠大螺栓 （最大可达5″）热紧的方式密封，随着主蒸汽参数的不断提高，阀盖所需要的密封力将不断增加。特别是采用上下切向进汽结构后，高压调节阀数量由4个减少为2个，阀门直径增大，阀盖所需要的密封力将显著提高，通过增加螺栓大小和热紧伸长量的常规密封型式，已不能满足阀盖的密封要求。

为保证阀盖的密封性，东方高效超超临界汽轮机高压主汽阀和调节阀采用双层阀盖结构，通过阀门结构优化将蒸汽力传递到阀壳上，从而降低阀盖的密封力，减小连接螺栓规格。

2.4 整体发货技术

东方高效超超临界汽轮机高压模块采用整体发货方案，既可保证模块装配质量，又大幅减少现场安装工作量，一定程度上降低了现场安装难度。

如图8所示，高压模块整体发运时，用螺栓将外缸猫爪固定于专用的发货支架。在汽机侧，通过外缸前端H梁用孔，将外缸与支架联接在一起；在电机侧，通过高压转子中压端联轴器螺孔将转子与发货支架联接在一起，从而限制高压模块在各个方向的位移。

图8 高压模块整体发运图

高压外缸与转子的定位，设置在高压外缸前、后端汽封体处，如图9所示。在这两处安装有专用定位环，通过它与转子配合，在运输过程中，起支承转子作用的同时，限制转子径向和轴向位移。

图9 外缸和转子间定位示意图

2.5 超超临界双抽可调整抽汽技术

旋转隔板和蝶阀调节抽汽已广泛应用于高参数、大流量的中低压抽汽热电联产汽轮机，东方高效超超临界双抽可调整抽汽汽轮机，采用旋转隔板和蝶阀相配合的方式，通过调整旋转隔板和蝶阀开度，满足电厂对两段可调整抽汽参数的要求。

近年来，旋转隔板调节方式已广泛应用于东方超临界及其以下等级热电联产机组，但对于超超临界660 MW等级汽轮机旋转隔板应用尚属首次。

随着超超临界机组进汽参数和容量的不断提高，导致旋转隔板的结构尺寸、工作温度和抽汽量不断增加，因此，旋转隔板的可靠性，成为制约超超临界660 MW双抽机组的关键技术难题，为解决这一难题，对旋转隔板进行了结构优化和相关有限元分析。

旋转隔板边界条件 （见图10）：

（1）力的边界条件——旋转隔板全关时的最大压差载荷；

（2）位移边界条件；

（3）温度边界条件——VWO工况最高工作温度。

图10 位移边界条件加载示意图

旋转隔板在给定载荷下的轴向位移云图见图11，应力云图见图12。

图11 轴向位移云图

图12 应力云图

有限元计算结果表明，旋转隔板刚度、强度满足设计要求，并且在工作过程中不会发生卡塞现象，保证了旋转隔板正常稳定工作。

3 关键辅助系统

机组主蒸汽温度和再热蒸汽温度均为600℃，其高温点主要集中在高压进汽管、中压进汽管和中压第一级叶轮处。为了提高高温区域的热疲劳强度，降低高温区域的热应力，设计有冷却系统（见图13），将相对较低温的蒸汽通入到这几处高温区域，使得高、中压外缸，中压转子与高温蒸汽相隔离，从而提高材料的使用寿命。

图13 冷却系统图

4 结束语

东方高效超超临界660 MW机组自主设计完成，采用先进技术，有效地解决了汽缸中分面变形大、机组经济性差等引进日立超超临界660 MW机型普遍存在的的问题，对促进火力发电技术进步和节能减排具有重要意义。

东方首台高效超超临界双抽供热机组安装于华润焦作电厂，并已顺利通过168，正式进入商业运行阶段，机组在试运行期间，各项数据优良，详细数据见表3。

表3 某电厂东方高效超超临界660 MW机组部分运行数据