国华电力大容量汽轮机中压转子冷却方式分析.doc

国华电力大容量汽轮机中压转子冷却方式分析The mode analysis of intermediate pressure rotor cooling steam of guohua power large rated turbine 神华国华（北京）电力研究院有限公司 靖长财 神华国华绥中发电有限责任公司 任宏伟神华河北国华沧东发电有限责任公司 钟阁顺 Jing changcai Ren hongwei Zhong geshunShenhua guohua Beijing electric Research Institute co,.ltd摘 要国华电力机组因制造厂家不同，汽轮机中压转子冷却控制方式不同，内部结构方面有结构设计冷却蒸汽和无结构设计冷却蒸汽，外部冷却系统方面有固定冷却蒸汽、运行中可调整的冷却蒸汽、无冷却蒸汽等方式，对汽轮机运行安全性和经济性产生不同的影响。通过分析看到在保证汽轮机安全性的前提下，在检修和运行中控制冷却蒸汽流量和温度，可以提升汽轮机运行安全经济性，供参考。Guohua power units for manufacturers, cooling steam turbine intermediate pressure rotor is different in different ways, have control structure steam designed and no have control structure steam designed,in internal structure；have fixed cooling steam and operation of adjustable cooling steam and no cooling steam in external cooling system.turbine operation, safe and economical to produce different effect. Through the analysis of the steam turbine safety guarantee to see in the premise, maintenance and operation in control of temperature and flow rate, cooling steam turbine operation can improve safety and efficiency, for reference.关键词： 汽轮机 中压转子 冷却蒸汽 经济性 turbine intermediate pressure rotor cooling steam economy汽轮机长期在高温下运行，其部件材料性能随着残余应力的释放会发生很大变化，随着运行时间的增加而缓慢地发生塑性变形。特别是局部超温情况下运行，会使应力蠕变速度大大加快。为了提高汽轮机中压转子的抗疲劳能力和抗蠕变强度、减少转子高温区域的热应力，汽轮机中压转子进汽部分采用合理的结构或冷却蒸汽对转子高温区域进行冷却。在超临界汽轮机的启动、停机和负荷变化的过程中，汽轮机部件均承受着相当大的热应力，即高温区域应力集中的部位，所以采用冷却蒸汽是在启、停过程中和运行中降低高温区域瞬间热应力的有效方法，可以降低汽轮机高温区域部件的工作温度和部件的温度差，在其它条件相同的情况下可降低这些部件的热应力，有效的延长部件的设计寿命。然而在保证汽轮机中压转子安全前提下，控制中压转子冷却蒸汽的流量，也是提升汽轮机经济性的手段之一。通过分析国华电力大容量机组的汽轮机中压转子冷却蒸汽的特性和特点，提出了控制汽轮机中压转子冷却蒸汽流量，提高机组经济性的措施和建议。1、上汽产600MW亚临界机组汽轮机中压转子冷却技术1.1汽轮机四缸四排汽型式机组此类型有台山、定洲、宁海、沧东公司，共计13台机组，汽轮机中压缸进汽为再热蒸汽，其温度与主蒸汽相同，因此汽缸中部，尤其是转子中部，工作时处于很高的温度之中。为改善该部分工作环境，减少转子的热应力，在此处设置了冷却装置。运行时，从高压缸排汽中再热冷段蒸汽管引来的冷却蒸汽，并且冷却蒸汽温度和压力仅随着机组负荷的变化而变化，通过上、下缸导流装置内的空心定位销和钻孔进入中压转子的中央段。冷却蒸汽围绕着第一级静叶下游的汽封流动，同时也在动叶根部下面流动，以防止538的再热蒸汽流过这个高温区域。 图1 600MW亚临界汽轮机中压冷却结构通过实际测量，分析计算600MW亚临界机组中压冷却蒸汽流量普遍高于设计值（7.383t/h）问题。例如，定洲发电公司解决中压缸冷却蒸汽流量偏大问题，自投产以来一直大于设计值7.383t/h，实际运行通过试验测定19.2t/h，直接影响机组循环热经济性，利用机组检修期间，在中压缸冷却蒸汽管道上更换节流圈，由75mm改为40mm，通过近段时间的试验测定，额定工况两台机组蒸汽流量分别降至9.5t/h和11.4 t/h，节流、冷却效果均较好，经过分析降低发电煤耗平均约0.33g/kWh，为同类型机组解决中压缸冷却蒸汽流量偏大问题提供了有效借鉴，实现了机组安全运行，并提高了经济性。1.2 汽轮机三缸四排汽型式机组此类型有锦界公司，共计4台机组。为汽轮机高中压合缸设计，设计中压转子进汽部位无冷却蒸汽。锦界#1机A修中测得高中压转子弯曲6丝，角度270，最大弯曲处于中压进汽部位，因此应对中压转子材料和进汽部位温度等进行核对和分析，分析是否是无冷却蒸汽引起，以控制中压转子出现超温热弯曲，对机组振动和稳定性产生影响，如果是因无冷却蒸汽影响可以考虑增加从冷段再热蒸汽引入冷却蒸汽进入中压转子进汽部位，降低中压转子金属温度，从而降低热应力。2、超临界机组汽轮机中压转子冷却技术2.1上汽产超临界600MW机组汽轮机中压转子冷却技术机组此类型有太仓公司，共计2台机组。在高中压合缸设计中，一般蒸汽从调节级出口沿转子通过汽封或平衡鼓流到中压部分，在穿过汽封之后，蒸汽进入中压进汽导流环和转子之间的空间，然后流进叶片槽底的冷却孔，由于蒸汽的冷却作用，中压进汽处的转子表面不会直接暴露在高温再热蒸汽中。例如太仓公司191型汽轮机中压转子冷却蒸汽来自调节级后，经高、中压平衡鼓流出，沿中压导流环内侧进入中压第一级，通过第一级动叶根部的缝隙，利用反动式动叶特有的动叶前后的压差流动。从而使转子表面被冷却蒸汽覆盖，不直接接触566高温蒸汽，能大大降低转子的金属温度，从而降低转子的热应力。2.2 哈汽产超临界600MW机组汽轮机中压转子冷却技术机组此类型有沧东公司，共计2台机组。沧东二期两台660MW超临界机组。图2汽轮机高中压合缸形式（如图2所示），运行中高压缸调节级后蒸汽通过高、中压缸间的高压进汽侧平衡环五级汽封后由平衡管引入高排，部分余汽通过高压进汽侧平衡环六级汽封进入中压缸转子的中部（如图3所示），这股汽流在转子中部分为左右两路流向中压缸第一级静叶和动叶的根部之间，进入动叶通道，流动过程中它冷却了中压转子中部，冷却蒸汽进入中压转子纵树型叶根的底部冷却通道，对中压转子逐级进行冷却（如图4所示）。中压第一级冷却蒸汽图3图4中压缸隔热罩（中压入口导流板）的冷却方式侧由沿高压内缸和中压隔热罩圆周均布直径6mm的冷却蒸汽孔来实现。高压缸排汽蒸汽沿内、外缸夹层进入汽缸中段通过高压内缸外壁圆周布置的冷却孔进入中压隔热罩与外缸夹层间，在中压隔热罩与中压外缸间的空间内减温降压实现冷却作用，最终沿中压隔热罩冷却孔流入中压缸进汽。2.3哈汽产超临界600MW空冷机组汽轮机中压转子冷却技术机组此类型有定洲公司，共计2台机组。汽轮机中压缸进汽段内壁设有隔热罩。隔热罩由 12Cr1MoV 钢板拼焊而成，分为上下半，靠中分面法兰连接。中压缸进汽管与外缸连接,隔热罩的进汽管插入外缸进汽管内。接合处有密封装置。高压九级后（高排）有冷却蒸汽经内缸冷却孔流入中压外缸与隔热罩之间的夹层内，再经过隔热罩冷却孔进入中压通流。中压进汽段隔热护罩的作用是通过降低中压外缸进汽段缸壁的温度差，从而降低高中压外缸的温度应力。中压隔板套结构有利于机组启动过程中中压外缸的加热和膨胀，不但有利于减小中压通流胀差，而且有利于高压通流胀差的减小，从而缩短起动时间。来自高压缸排汽（89mm，上下各一根）进入中压转子进汽部位，作为中压转子冷却蒸汽，能大大降低转子的金属温度，从而降低转子的热应力。2.4上汽产超临界600MW空冷机组汽轮机中压转子冷却技术机组此类型有呼伦贝尔公司，共计2台机组。在高中压合缸设计中，一般蒸汽从调节级出口沿转子通过汽封或平衡鼓流到中压部分，在穿过汽封之后，蒸汽进入中压进汽导流环和转子之间的空间，然后流进叶片槽底的冷却孔，由于蒸汽的冷却作用，中压进汽处的转子表面不会直接暴露在高温再热蒸汽中。例如呼伦贝尔公司600MW超临界汽轮机高中压合缸的冷却蒸汽流道是内部通道。汽轮机的高中压缸部件冷却结构有两股冷却蒸汽，一股来自高压缸排汽区，通过挡汽板进入高中压外缸与高中压内缸的夹层内，再经过内缸上的小孔进入中压缸夹层内，冷却高温进汽区，防止高中压外缸过热。另一股冷却蒸汽来自调节级后，经高、中压平衡鼓流出，沿中压导流环内侧进入中压第一级，通过第一级动叶根部的缝隙，利用反动式动叶特有的动叶前后的压差流动。从而使转子表面被冷却蒸汽覆盖，不直接接触566的蒸汽，能大大降低转子的金属温度，从而降低转子的热应力，见图5。图5 高中压部分冷却蒸汽2.5俄制机组汽轮机中压转子冷却技术此类型机组盘山2台500MW，绥中2台800MW机组，共计4台机组。均属于制造厂上世纪70年代设计的产品，当时的设计、材料以及制造技术均与现代同等容量机组无法比拟，现在国产亚临界600MW及以上机组均已设计有中压转子冷却系统。四台俄制机组中压转子弯曲原因为高温区域残余应力蠕变所致，转子弯曲与直轴后高温区域金相组织未发生异常变化。通过分析俄制机组中压转子弯曲情况以及历次测量数据变化趋势来看，从汽轮机寿命管理的角度出发，从国内外机组中压转子冷却装置实际应用情况分析，从理论计算以及专业技术角度出发，俄制机组中压转子增加转子冷却装置对防止转子弯曲是很有作用的，该技术也是可行的，冷却蒸汽可以来自一段抽汽和热段再热蒸汽，混合后以一定温度去冷却汽轮机中压转子，并且随着负荷变化进行调整，以提高汽轮机安全性和经济性。3、超超临界机组汽轮机中压转子冷却技术3.1 东汽产超超临界机组汽轮机中压转子冷却技术3.1.1超超临界机组汽轮机中压转子冷却结构机组此类型有绥中公司，2台机组。汽轮机中压转子采用整锻结构，选用改良12Cr 锻钢。为了提高中压转子热疲劳强度，减轻正反第一级间的热应力，从一段抽汽引入低温蒸汽与中压阀后引入的一股蒸汽混合后形成冷却蒸汽进入中压第一级前，蒸汽温度可以通过调整一段抽汽流量来控制混合后蒸汽温度，蒸汽通过正反第一、二级轮缘叶根处的间隙，起到冷却中压转子高温段轮毂及轮面的目的，并大大降低第一级叶片槽底热应力。 图6 汽轮机冷却蒸汽结构图图7 中压缸冷却系统简图3.1.2中压转子冷却系统蒸汽温度允许值在机组第一次启动至满负荷过程中，通过对机组中压缸冷却系统（图7）中针阀4进行调整，在整个启动过程及额定工况均满足中压第一级蒸汽温度最高不超过524（图8）。调整好后锁定此阀门开度，在以后机组启动停机时只需在适当条件下启、闭此管路前的阀门即可。并且在机组第一次启动至满负荷过程中，通过对机组中压缸冷却系统（图7）中针阀3进行调整，在整个启动过程及额定工况均满足高、中压进汽管温度小于530-535。调整好后锁定此阀门开度，在以后机组启动停机时只需在适当条件下启、闭此管路前的阀门即可。图8 中压第一级蒸汽温度允许值3.1.3汽轮机中压转子冷却运行情况表1 绥中#3机组中压转子冷却相关的参数工况中压转子进口汽侧冷却蒸汽温度中压转子进口电侧冷却蒸汽温度中压转子冷却蒸汽混合后温度一段抽汽温度一段抽汽压力MPa再热蒸汽热段温度再热蒸汽热段压力MPa1000MW5425164994218.066034.5700MW5425174974235.576013.1500MW5495255054304.186012.3机组运行中参数变化情况，见表1，设计曲线和实际运行中看到特性，50负荷的情况下，冷却蒸汽温度最高，为运行调整提供了依据，保证安全的前提下，调整方式在50负荷调整好阀门4的开度，就可以满足各种负荷下的冷却蒸汽温度在制造允许范围内，提升经济性的进一步措施是在80-100%时适当关小阀门4开度，但控制冷却蒸汽温度不超过524。3.2上汽产超超临界机组汽轮机中压缸冷却技术机组此类型有宁海、台山、徐州公司，共计6台机组。汽轮机中压缸采用双流程和双层缸设计, 共213级。中压高温进汽仅局限于内缸的进汽部分。而中压外缸只承受中压排汽的较低压力和较低温度。同时, 外缸中的压力也降低了内缸法兰的负荷，内缸只要承受压差即可。中压缸第一级进汽除了与高压缸一样采用低反动度叶片级, 以及切向进汽的第一级斜置静叶结构外, 冷却中压转子还采取了一种切向涡流冷却技术。中压缸进口段上开有切向进汽孔，利用涡流原理，中压再热蒸汽进入该孔形成高速切向流动，热能能量转换为动能后, 温度可下降15左右，起到冷却中压转子的作用，该技术结构简洁且可靠性好，运行中不需要调整，仅在机组检修时对进汽孔进行检查。4、汽轮机中压转子冷却方式分析4.1内部结构方面 太仓公司的上汽产超临界600MW汽轮机、沧东公司的哈汽产超临界600MW汽轮机、呼伦贝尔公司的上汽产超临界6