垃圾发电汽轮机的设计特点

□ 张 柯

上海汽轮机厂有限公司 上海 200240

1 设计背景

随着国家经济的长期健康发展和环境保护工作的大力开展,生活垃圾处理的压力逐渐增大。截至2020年,我国城市生活垃圾产量达到3.23亿t,并且呈逐年增长趋势。

垃圾发电作为处理生活垃圾的有效措施得到广泛应用。近年来,光大集团、深能环保公司、康恒环境等企业均投入研究垃圾发电项目,垃圾发电市场潜力巨大。

作为国内主要的汽轮机生产厂家,上海汽轮机厂有限公司已经在垃圾发电领域开发了一系列垃圾发电汽轮机组。笔者着重介绍垃圾发电汽轮机的设计特点。

2 整体结构

根据不同的进汽参数条件,垃圾发电汽轮机具有多种结构可供选择。笔者着重介绍的垃圾发电汽轮机整体结构方案为前轴承座、前汽缸及排汽缸。该机结构紧凑,采用运输支架整体总装发运,便于现场安装就位。垃圾发电汽轮机本体选用了成熟的汽缸结构、阀门结构、调节级动叶及末级长叶片等。该机已在垃圾发电领域获得大量订单,并在多台已运行机组中得到验证,能有效保证机组结构的成熟性与可靠性。

目前,垃圾发电汽轮机项目的主要业绩信息见表1,该机的整体结构如图1所示,三维模型如图2所示。

表1 垃圾发电汽轮机项目主要业绩信息

3 设计特点

垃圾发电汽轮机结构方案的确定对于整机设计意义重大。垃圾发电汽轮机设计为前轴承座、前汽缸、排汽缸及落地后轴承座型式,各结构部件的确定需要验证滑销系统、轴系、汽缸、配汽机构、通流及排汽结构等。

3.1 配汽结构

垃圾发电汽轮机采用具有优良变工况特性的喷嘴+调节级动叶结构型式,满足实际运行时不同工况的需求。不同负荷工况对调节级动叶受力会产生很大影响,需要对动静强度进行校核计算。铆接围带调节级动叶结构如图3所示,设计计算如下。

图1 垃圾发电汽轮机整体结构

图2 垃圾发电汽轮机三维模型

动叶静强度计算:

σCF≤σyield/K1

(1)

σTOTAL≤σyield/K2

(2)

σCF≤σcreep/K3

(3)

σTOTAL≤σcreep/K4

(4)

图3 铆接围带调节级动叶结构

式中:σCF为动叶离心应力;σyield为屈服强度;σTOTAL为动叶合成应力;σcreep为蠕变强度;K1、K2、K3、K4为叶片不同运行环境下的安全因数。

当离心应力和合成应力结果小于对应许用应力时,叶片静强度考核合格。

动叶振动强度计算:

Δf=(Ft-Fr)/Ft

(5)

σSL=aσSB

(6)

式中:Δf为频率余量;Ft为动叶固有频率;Fr为动叶衰减频率;σSL为冲击应力;σSB为蒸汽弯应力;a为放大因子。

当频率余量大于30%小于50%,冲击应力小于20.68 MPa时,或当频率余量大于50%,冲击应力小于27.58 MPa时,动叶振动强度考核合格。

垃圾发电汽轮机调节级动叶强变校核见表2。

表2 垃圾发电汽轮机调节级动叶强度校核

3.2 轴系设计

垃圾发电汽轮机轴系采用前后轴承支撑转子的双支撑布置方式,轴系的设计通过对转子、轴承及轴承座的结构型式进行验证,确保机组良好的振动特性。轴系计算应用传递矩阵法,核算转子各阶临界转速,以满足避开率的要求。轴系计算流程如图4所示。垃圾发电汽轮机轴承结构数据见表3,轴承计算结果见表4。

图4 轴系计算流程

根据垃圾发电汽轮机轴系计算得到机组临界转速,通过一阶、二阶临界转速结果与额定转速对比,转速避开率满足避开工作转速的±10%,可满足机组振动运行要求。

表3 垃圾发电汽轮机轴承结构数据

表4 垃圾发电汽轮机轴系计算结果

3.3 排汽结构

垃圾发电汽轮机排汽结构采用成熟的向下排汽及轴向排汽技术。排汽结构包含排汽缸及末级叶片,设计时根据排汽参数和排汽流量确定,使得末级叶片和排汽缸达到匹配。应用了垃圾发电汽轮机的系列化变转速末级叶片及对应排汽缸。垃圾发电汽轮机末级叶片及排汽缸结构数据见表5。375 mm叶片结构数据见表6,叶片型式为自带围带、凸台,整圈自锁。

表5 垃圾发电汽轮机末级叶片及排汽缸结构数据

表6 375 mm叶片结构数据

375 mm叶片作为上汽厂开发设计的叶片之一,是基于500 mm叶片,根据相似原理模块化设计而来,性能稳定可靠,在垃圾发电汽轮机中得到广泛应用。具体叶片设计计算过程为,对叶片叶根进行选型计算,然后根据有限元软件、1516工程程序进行计算。

375 mm叶片叶根设计计算:

δ/A=[2(r-L)π/N-F]/A

(7)

式中:N为叶片数。

叶根部位各数据如图5所示。叶根设计计算的δ/A值应不小于1.1,不大于1.4。375 mm叶片δ/A计算值为1.327,满足设计要求。

图5 叶根部位各数据

375 mm叶片结构模型如图6所示,包括单个叶片及与叶片相接触的对应扇形区轮缘部分,叶片材料数据见表7。375 mm叶片网格划分如图7所示,应力单元类型为C3D8I、频率单元类型为C3D8R。大部分区域采用结构化的六面体或五面体网格划分,中间体部分采用四面体网格划分,可提高计算效率和精度。叶片围带、拉筋和轮缘采用循环对称约束,轮缘底面全约束,采用Abaqus有限元分析软件计算。375 mm和500 mm叶片坎贝尔图分别如图8、图9所示。其中图9采用Abaqus软件、1516工程程序和高校教师对叶片坎贝尔图的计算结果,375 mm叶片计算结果与500 mm计算结果进行对比,确认计算的准确性。对比图8和图9可以发现,共振点分布均在4和5节径范围内,设计开发的375 mm叶片频率满足避开要求。

表7 375 mm叶片材料数据

图6 375 mm叶片结构模型

图7 375 mm叶片网格划分

图8 375 mm叶片坎贝尔图

3.4 低压叶片水蚀

机组运行过程中低压排汽侧蒸汽携带的水滴撞击低压动叶,从而导致动叶表面破坏和材料磨损。垃圾发电汽轮机采取防水蚀措施并通过侵蚀指数评估效果。

图9 500 mm叶片坎贝尔图

侵蚀指数计算:

E=(1-x)2(Dan/50)3/p

(8)

式中:E为侵蚀指数;Da为叶顶直径;n为转速;p为级前静压;x为级前蒸汽含量。

某机组末级叶片侵蚀指数计算数据见表8。侵蚀指数的计算可以为防水蚀措施提供依据。目前采取的防水蚀措施有级间去湿、动叶进汽边硬化、空心静叶内弧侧开槽、空心静叶加热等。动叶进汽边硬化和空心静叶模型分别如图10、图11所示。

表8 叶片末极侵蚀指数计算数据

图10 动叶进汽边硬化

图11 空心静叶模型

4 结束语

笔者对上海汽轮机厂有限公司新研发的垃圾发电汽轮机的主要结构进行介绍,分别从配汽结构、轴系设计、排汽结构及低压叶片水蚀入手,通过对各方面的设计计算验证来深入剖析机组结构特点。配汽结构调节级结构设计、轴系计算、排汽结构末叶片开发、末级叶片水蚀防护的成熟性得到充分验证。总体而言,所研发的垃圾发电汽轮机具有较高的安全性、经济性与可维护性。