E级联合循环热电联供汽轮机结构特点

第42卷第2期2013年6月VO142NO2JUN2013E级联合循环热电联供汽轮机结构特点陈倪，张乐义，董真上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，上海200240摘要介绍了配E级燃气轮机的联合循环双抽汽汽轮机的结构特点，通过分析设计中遇到的转子轴向推力平衡困难和轴承跨度过大等问题，找到采用两级抽汽调节座缸阀和静子平衡孔的新方法，从而解决了上述技术难题，使双抽汽单缸结构得以实现。关键词汽轮机；联合循环；E级；热电联供中图分类号TK263文献标识码A文章编号16725549201302009303STRUCTURECHARACTERISTICOFECLASSCOMBINEDCYCLESTEAMTURBINESCHENNI，ZHANGLEYI，DONGZHENSHANGHAIELECTRICPOWERGENERATIONEQUIPMENTCO，LTD，SHANGHAITURBINEPLANT，SHANGHAI200240，CHINAABSTRACTTHEFEATURESOFTHEECLASSCOMBINEDCYCLECOGENERATIONSTEAMTURBINEAREINTRODUCEDANDTHETECHNICALPROBLEMSOFBALANCINGTHEROTORTHRUSTFORCEANDLARGEBEARINGSPANINDESIGNINGPERIODAREALSOPRESENTEDBYAPPLYINGDOUBLESTAGESOFEXTRACTIONCONTROLVALVESEATINGONCYLINDERANDSTATIONARYBALANCINGHOLE，THESETECHNICALISSUESAREFINALLYSOLVEDTOREALIZETHESTRUCTUREOFSINGLECYLINDERWITHDOUBLEEXTRACTIONKEYWORDSSTEAMTURBINE；COMBINEDCYCLE；ECLASS；COGENERATION继首个作为2008年奥运保障项目的配E级热电联供汽轮机在华电北京热电有限公司成功运行后，上海汽轮机厂简称STP又成功设计制造了首台配E级双抽汽热电联供汽轮机，再次丰富了STP的联合循环汽轮机的产品系列。该汽轮机为单缸双抽汽汽轮机，我们在产品设计过程中克服了诸多困难，解决了不少结构难题。本文从总体构思和关键部件两方面对该汽轮机最主要的特点进行描述、分析。1总体结构11单缸设计本机组借鉴了许多与华电北京热电有限公司机组相同的结构和布置方式，如主调阀及补汽阀组的结构与布置、轴承和轴承座结构和布置等。汽轮机虽为两段调整抽汽，但仍采用单缸结构，首次在该等级汽轮机中实现单缸、双调整抽汽。12机组基本参数和布置形式单缸、冲动、单轴、与燃机分轴、单排汽、向下排汽、双压非再热、双调整抽汽型号LZCC81765231306型主汽蒸汽参数压力765MPAA，温度5204，流量2104TH补汽蒸汽参数压力0594MPAA，温度2222，流量545THI调整抽汽参数23MPAA，温度3733CC，流量40TH调整抽汽参数13MPAA，温度3281，流量50TH机组通流特点为无主调节级和全周进汽，具有12个压力级和2个抽汽调节级，末级叶片长为905MM机组设前、后座架，分别支承前轴承座和后汽缸，前轴承座与前座架之间设有纵向键，两者间可沿轴线前后移动，前轴承座与前汽缸之间设有定中心梁，前汽缸猫爪采用下半中分面支承方式支承在前轴承座上。收稿日期20130201修订日期201304。16作者简介陈倪1965一，男，毕业于上海机械学院，高级工程师，现任上海汽轮机厂设计处设计二室主任，长期从事汽轮机结构开发设计。SILL圈第2期E级联合循环热电联供汽轮机结构特点排汽缸为向下排汽结构，两侧支承在排汽缸座架上，其外侧处有水平横键连接，横键与汽轮机中心线之交点是整个汽缸的膨胀死点。后轴承座整体坐落于排汽缸，后轴承座下部装有排汽缸导板。图1和图2分别为机组的纵剖图和俯视图，示出了机组总体结构和布置方式。迈进入内缸之蒸汽室。中压部分为单层结构，配有隔板套、座缸式抽汽调节阀，补汽口位于中压部分的下半。排汽缸采用经过结构优化的配905MM末级长叶片排汽缸模块。15座缸式抽汽调节阀组在高压与中压之问设置有两组座缸式调节阀组，以分别实现两级调整抽汽。每个抽汽调节阀组由3个阀门组成，且配有具喷嘴组的中压蒸汽室。采用两组座缸式调节阀组是本机组设计的一大特色。16其它其它如主调阀、补汽阀、主汽及补汽导汽管、轴承座、回转设备等重要部件以及机组滑销系统配置均采用成熟的与华电北京热电有限公司项目相同的结构或形式，使机组安全性能得以保证。LJU口图1机组的纵剖面结构示意图2结构分析一L汽蕺器殍隧一一釜移靖L参奄图2总体布置不意图13转子转子为双支点的挠性转子，采用刚性联轴器与发电机相连接。采用无中心孔的整锻转子，且采用先进的分区热处理工艺，使转子在高温区具有良好的高温蠕变性能，而在低温区又具有很高的强度。除末级外其余各级叶轮均设有平衡孑L，以减小转子轴向推力。两段抽汽调节级和末三级动叶采用枞树型叶根，其余压力级采用T型叶根。14汽缸汽轮机总体为单缸结构，但分为高中压缸和低压排汽缸两段，由垂直中分面连接。高压部分采用双层结构，即设有高压内缸，以提高汽轮机快速启动能力。高压内缸具有蒸汽室，其与外缸下半采用插管结构，使高压主蒸汽直接经2个插管_盔一一21单缸采用单缸设计的想法不难理解，相比采用高中压缸加低压缸的双缸设计，单缸在成本和投资规模上具有明显优势。本项目中的汽轮机要求具备两级调整抽汽，由图1可见，两级抽汽调节级采用座缸阀加蒸汽室的结构，占了很大的轴向距离，如不采取优化措施，则转子轴承问跨度将大大超过6M，使轴系无法满足安全性要求。因此，使轴承间跨度降到6M左右是本项目整个设计和优化的重点难题之一。需要对影响轴承跨度的各结构要素作高度优化，比如改变前轴封通往轴封冷却器的通道走向、按相对膨胀计算结果精心布置通流部分、优化设计抽汽调节级以及调节阀组和蒸汽室、对排汽缸重新进行优化设计等。通过多种措施，轴承间跨度最终确定为613M，满足了轴系的安全性，为此不得不对成熟的低压缸模块进行重新改型设计。22座缸阀座缸阀在STP的火电100MW系列高温高压热电联供机组中较为常用，但用在联合循环机组中尚属首次。本机组由于是双抽机组且抽汽压力较高，分别为23MPA和13MPA，因此对23MPA而言，采用座缸阀是较理想的选择；而对于13MPA的抽汽，采用座缸阀和旋转隔板都是可行的选择。这两种形式都曾在13MPA抽汽的机组中采用，尤其是旋转隔板，在冲动式机组中被更E级联合循环热电联供汽轮机结构特点热力透平多采用。本项目中采用何种结构形式，要作多方面的比较和判断。采用旋转隔板的优点结构紧凑，汽流转折少；相对座缸阀轴向距离较短；采用的油动机数量少。但缺点也很明显与前一级的座缸阀结构类型不同，造成汽缸结构更为复杂，使控制系统形式更多样，不利于机组的控制调节，而且旋转隔板需全新设计，需要较长设计周期。采用座缸阀的优点与前一级形式相同，前后结构形式协调一致；阀门有现成的规格，可靠性容易保证。最明显的缺点是所需轴向距离相对大；汽流转折多；油动机数量相对多，因为阀F39油动机是一对一配置的。最终的设计是两级抽汽均采用座缸阀的结构。同时通过优化设计配套的蒸汽室，使汽流转折导致的损失降至最小，通过设计优化尽量减小机组轴向尺寸以弥补座缸阀轴向距离相对大的不足。座缸阀的结构如图3所示，每个阀组共有3个阀组成，阀门的下游是与之相配的蒸汽室，蒸汽室与阀门配套具有3个弧段，出口配有喷嘴组，两组座缸阀组构成了本双抽汽汽轮机的核心。图3座缸阀23轴向推力平衡优化相比常规机组，为抽汽机组进行轴向推力平衡要困难得多，而本机组具有两级抽汽调节级，推力难题则更为突出。轴向推力的变化源于转子各端面工作压力的变化，本机组抽汽运行工况多，导致抽汽调节级叶轮工作压力变化大；座缸阀组阀门具有阀序，使叶轮上的压力分布复杂；具有两级抽汽调节级且叶轮面积较大加大了推力的变化，使轴向推力平衡困难。在叶轮上开设平衡孔以减小叶轮两侧压差是平衡轴向推力的常规手段之一。然而对于本机组，由于受叶轮结构和强度限制，虽已开设平衡孔，仍不能使叶轮两侧压差的变化降至较小。如何使抽汽调节级叶轮两侧压差变化降为最小就成为解决该难题的关键。最终解决此难题是采用了“静子平衡孔”的方式，即在抽汽调节级的静子部件座缸阀蒸汽室上开设特殊通道，使叶轮前腔室与级后联通，其效果与在叶轮上开设平衡孔相当，使平衡孔面积得以等效放大，总面积为隔板汽封、动叶根部汽封面积的数倍，使得叶轮前后的压差变化降至最小，解决了推力变化大的难题。这项被称为“静子平衡孔”的技术已申请国家发明专利并已公开。开设“静子平衡孔”带来的争议是，平衡孔面积的放大会导致损失的增加，导致级效率降低。刘网扣等得出结论“冲动式叶轮平衡孔的设计不可缺少，否则隔板漏汽全部吸入主流造成级效率的较大下降；与无平衡孔的透平相比，随着平衡孑L面积的增大，级效率逐渐提高，但随着面积增大与平衡孑L两侧压差减小的效果相抵消，漏汽量增加极慢，级效率变化不明显；在叶轮结构和强度许可的条件下，设计时平衡孔面积可尽量取大一些，以保证设计工况时级问根部保持不吸汽或少量漏汽状态”。也就是说，平衡孔面积的放大并不影响级效率，反之会对级效率的保证有利。3结论配E级双抽汽热电联供汽轮机的设计最终顺利完成，并成功制造，机组在201