国产1000MW超超临界机组转子的冷却系统

第53卷第3期2011年6月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVOI_53NO3JUN2011国产1O00MW超超临界机组转子的冷却系统石杨，谢诞梅，阚伟民，郑李坤，熊扬恒1武汉大学动力与机械学院，武汉430072；2广东电网公司电力科学研究院，广州510600摘要转子冷却系统是有效防止转子热疲劳，提高转子材料使用等级的重要装置。重点分析了国产1O00MW超超临界汽轮机的高中压转子的冷却系统及其特点，以期为现场技术人员提供参考。关键词超超临界机组；汽轮机；冷却系统；转子分类号V2641文献标识码A文章编号10015884201103020203COOLINGSYSTEMF0RR0T0ROFDOMESTICULTRASUPERCRITICAL1000MWSTEAMTURBINESHIYANG，XIEDANMEI，KANWEIRAIN，ZHENGLIKUN，XIONGYANGHENG1POWERANDMECHANICALCOLLEGE，WUHANUNIVERSITY，WUHAN430072，CHINA；2GUANGDONGPOWER8RLDCORPORATIONPOWERSCIENCEINSTITUTE，GUANGZHOU510600，CHINAABSTRACTTHEROTORCOOLINGSYSTEMISEFFECTIVETOPREVENTTHEROTORTHERMALFATIGUEANDIMPROVETHELEVELTHEROTOUMATERLALSTHISARTICLEMAINLYANALYZESTHEHIGHANDMEDIUMPRESSURETORSCOOLINGSYSTEMANDCHARACTERISTICS，INORDERTOPROVIDEIFERENCEFORTHEONSITETECHNICALPERSONNE1KEYWORDSULTRASUPERCRITICALUNITS；STEAMTURBINE；COOLINGSYSTEM；ROTOR0前言与常规汽轮机相比，超超临界汽轮机在降低单位能耗、控制环境污染和优化电力结构等方面有着巨大优势。因此超超临界技术在近十年获得了巨大发展，汽轮机的主蒸汽温度和再热蒸汽温度也逐渐升高。随着主蒸汽温度的升高，材料的力学性能有所下降。同时，超超临界汽轮机在启动、停机和负荷变动的过程中，汽轮机转子承受相当大的瞬态热应力，而过大的瞬态热应力将使转子的寿命降低甚至疲劳破坏，进而威胁机组的安全运行。为了保证超超临界汽轮机的转子有足够的强度和寿命，除了采用耐高温的材料之外，还必须采用先进的转子冷却技术。超超临界汽轮机的转子通常采用蒸汽冷却技术以提高材料的使用等级，充分发挥材料的机械性能，防止转子热疲劳，从而提高转子的设计寿命。因此转子的蒸汽冷却技术现已成为超超临界汽轮机研制和生产的关键技术之一日J。目前。国内外汽轮机转子的冷却主要集中在高压第一级和中压第一级上。1转子冷却系统的发展转子冷却技术早在上个世纪80年代就已经广泛应用于国产30OMW的亚临界机组上图1。由图可知，该转子的冷却结构比较简单，这是因为亚临界机组的主蒸汽和再热温度相对较低一般为535C一538C。超超临界机组的主蒸汽和图1300MW亚临界汽轮机中压转子冷却再热温度相对提高超临界机组为566，超超I临界机组为600C，其转子的冷却系统也越来越复杂。图2和图3分别表示国产600MW超临界机组的转子冷却系统。在图2中，中压进汽口部分采用入口导流板，对高温再热蒸汽进行隔离，566的再热蒸汽不会接触转子，使转子在中压通流第一级隔板后才接触蒸汽I同时在入口导流板中部设置导流孔，将高压缸的排气引入板内表面与转子外表面的间隙，冷却蒸汽覆盖在转子的表面，对转子进行冷却。在图3中，有一股从中压喷嘴室和中压转子之间流向中压第一级叶轮的中压缸中间轴封漏汽调节级后；另外从高压第三级后引出一股蒸汽，用管道送至中间轴封的中间汽室，使其与中间轴封漏汽混合流向中压第一级叶轮，其中一部分蒸汽经叶根处的孔道流向级后。这股混合汽流带走部分辐射热，适当降低该段转子的温度。收稿日期20100816作者简介石杨1987一，男，硕士研究生。主要研究方向为叶轮机械强度及可靠性。第3期石杨等国产LO00MW超超临界机组转子的冷却系统203图2某型600MW超临界汽轮机中压转子冷却图3某型600MW超临界汽轮机中压转子冷却对于1O00MW的超超临界机组，其汽轮机转子结构比600MW超临界机组要更加复杂表1列出了了国产1O00MW超超临界汽轮机转子的主要参数。表1国产1O00MW超超临界汽轮机转子主要参数比对2汽轮机转子冷却系统的设计原则对于超超临界机组，由于转子的直径较大，蒸汽温度高，因此轴的径向热应力较大。同时，由于单级承担的焓降较大，使得温度在轴向的变化梯度大，同样造成热应力较大。为了提高大型汽轮机高温部件的可靠性，降低热应力，很多科研工作者和汽轮机制造商均致力于汽轮机转子冷却系统的设计。J。厂家在转子冷却系统设计时，除沿袭自身习惯外，往往遵循下列原则1选择合适的冷却蒸汽流量蒸汽冷却技术的关键在于冷却蒸汽的流量大小。流量过小，达不到冷却转子的目的，而流量过大不仅会使机组的效率下降，还会对转子造成强制冷却，造成更大的热应力，使转子更易疲劳破坏。2选择合适的冷却蒸汽温度抽取的蒸汽与要冷却的转子的温差不能过大，同时要考虑冷却点与抽汽点的压差，过大的压差使冷却蒸汽的流速较大，增大了对流放热系数，也可能造成过大热应力。3选择合适的结构尺寸在结构上主要考虑的是汽封间隙的大小、叶片根部的反动度、平衡孑L的大小和角度以及隔热板的位置等。31O00MW超超临界机组转子冷却系统要采用欧洲技术和日本技术上汽一西门子技术；哈汽一东芝技术和东汽一日立技术如表1。相应地，其汽轮机转子的冷却系统往往保留各自的特色，而且不同部位所采用的冷却结构也不尽相同。常见的冷却方案有外来蒸汽冷却、级后蒸汽冷却、汽缸夹层冷却、涡流冷却隔热板等J。31高压转子冷却系统国产1O00MW超超临界机组中，东汽和哈汽的高压转子冷却系统很有特点，其结构基本类似。考虑到机组在实际运行中要满足调峰等方面的要求，其高压转子采用双流调节级结构，其冷却方式如图4所示J。由于调节级的焓降大，主蒸汽经调节级膨胀做功后，其压力和温度都明显下降，这时利用调节级叶轮上打的斜孔，依靠叶轮旋转产生离心力，把调节级出口小部分蒸汽吸过来，让蒸汽在调节级后面经过180。转弯，流经调节级叶轮上的冷却孔斜孔和喷嘴室外表面与转子之间的间隙，再流经双流喷嘴室中间的小孔返回到调节级后。在此流动过程中，冷却高压汽缸内壁对于LO00MW超超临界机组，国内三大汽轮机制造厂主图4双流式高压转子的冷却结构室汽轮机技术第53卷蒸汽流过喷嘴室与转子之间的间隙，冷却了高压转子高温部位的外表面。32中压转子冷却系统为了平衡轴向推力，国产1000MW超临界汽轮机的中压转子都采用双流对称结构，直径比高压转子粗。由于中压第一级的焓降比高压第一级的焓降小，使中压转子的高温段工作条件极差，由此造成的热应力和最高温度都比高压转子高。为此，国产1000MW超临界汽轮机都采用了独特的蒸汽冷却结构J。上汽一西门子的汽轮机中压转子冷却系统如图5所示。该型汽轮机的中压缸进汽第一级叶片采用低反动度、切向进汽的第一级斜置静叶结构，两个第一级叶轮组成封闭空间，使600C的再热蒸汽不会接触到中压转子。此外，该型汽轮机采用了所谓的切向涡流冷却技术，即将4个切向涡流孔布置在中压缸进口处，依靠高速旋转冷却中压转子，使转子表面的温度可降低L5左右。图5上汽1000MW汽轮机中压切向旋涡冷却东汽一日立的汽轮机中压转子冷却系统如图6所示，其中压转子采用整锻双流结构。为了降低中压正反第一级间的热应力，从汽轮机一段抽汽引入低温不高于450C蒸汽，将其与中压阀后引入的一股蒸汽混合后送入中压第一级前，当这股冷却蒸汽流过中压正反第一、二级轮缘叶根处的间隙时，便达到了冷却中压转子高温段轮毂及轮面的目的，进而降低了中压第一级叶片轮槽和叶根的热应力。4结束语控制转子高温段的热应力对机组的安全运行十分重要。本文首先介绍了汽轮机转子冷却系统的发展和汽轮机转子冷却系统的设计原则。在此基础上，重点分析了国产1000MW超超临界汽轮机转子的冷却系统及其特点。从目前国产超超临界1000MW汽轮机转子的冷却系统来看，各制造厂均采用相对成熟的设计。然而，由于1000MW超超临界机组蒸汽参数高、汽轮机转子结构复杂，加上从中联合阀后引入冷却蒸汽系统转子冷却结构图6东汽1000MW汽轮机中压转子冷却系统机组负荷的不确定等因素，所以在满足机组经济性和安全性的要求下，如何确保转子冷却系统在不同工况下的冷却效果有待于长期运行的探索。参考文献1沈邱农，陈文辉超超II缶界汽轮机的技术特点J动力工程，2002，222165916652任静超超临界汽轮机高温部件材料和冷却技术之探讨J热力透平，2009，38110143史进渊，杨宇，孙庆，等超超临界汽轮机技术研究的新进展J动力工程，2003，232225222574杨长柱，谢诞梅超超临界汽轮机关键技术的探讨A2006中国电机工程学会年会C20063333375NEFTHGFXANCONVILLEG大容量汽轮机设计方案J国际电力，1997，441476张磊，马明礼汽轮机设备与运行M北京中国电力出版社，20087MASAHARUMATSUKUMA，RYOTAROMAGOSHI，ETA1DESIGNANDOPERATINGEXPERIENCEOF1000MW