(東方汽輪機(jī)有限公司,四川 德陽(yáng),618000)

大型供熱汽輪機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

方宇 王建偉 唐禮

(東方汽輪機(jī)有限公司,四川 德陽(yáng),618000)

文章通過對(duì)大型供熱汽輪機(jī)技術(shù)的論述，特別對(duì)雙抽供熱機(jī)組設(shè)計(jì)特點(diǎn)的分析，結(jié)果表明，大型供熱汽輪機(jī)與常規(guī)凝汽式汽輪機(jī)相比，有獨(dú)特的技術(shù)問題，研究和解決這些技術(shù)問題，是實(shí)現(xiàn)機(jī)組具有較高經(jīng)濟(jì)性和可靠性的前提。

供熱汽輪機(jī)；關(guān)鍵技術(shù)；分析研究

1 概述

由于燃煤價(jià)格持續(xù)上升且環(huán)境保護(hù)要求越來越嚴(yán)格,削減CO2排放量、提高能源利用率成為世界共同關(guān)注的課題。先進(jìn)、高效大型供熱汽輪機(jī)組已被世界各國(guó)公認(rèn)為是提高能源利用效率和保護(hù)環(huán)境的重要手段。

大型供熱汽輪機(jī)組有別于大型火力發(fā)電機(jī)組,是城市公共設(shè)施重要組成部分,是國(guó)家優(yōu)先鼓勵(lì)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。先進(jìn)、高效大型汽輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的能源利用率比單純發(fā)電約提高一倍以上,綜合熱效率大于55%。我國(guó)北方采暖地區(qū)300MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電煤耗基本與超超臨界機(jī)組相當(dāng)(約275g/kW·h或更低)。

供熱汽輪機(jī)進(jìn)一步向更高參數(shù)、更大功率、更多抽汽供熱級(jí)數(shù)、更高效率發(fā)展面臨新的技術(shù)問題需要解決。大型供熱汽輪機(jī)組技術(shù)的實(shí)現(xiàn),難度遠(yuǎn)大于相同類型的冷凝式發(fā)電機(jī)組,需要解決一批重大的關(guān)鍵技術(shù),主要技術(shù)難點(diǎn)有：

(1)參數(shù)的確定；

(2)汽輪機(jī)總體設(shè)計(jì)；

(3)供熱汽輪機(jī)關(guān)鍵技術(shù)(調(diào)節(jié)控制和超速保護(hù)系統(tǒng)、關(guān)鍵供熱部套研究設(shè)計(jì)、先進(jìn)高效通流技術(shù)、軸系穩(wěn)定性、隔板和動(dòng)葉片強(qiáng)度、軸向推力、高溫部件冷卻技術(shù)、防止固體微粒侵蝕、防止汽流激振、補(bǔ)水除氧裝置等)。

2 參數(shù)的確定

技術(shù)參數(shù)、技術(shù)規(guī)范的確定主要是從滿足市場(chǎng)和用戶的需求,并結(jié)合制造廠設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)及市場(chǎng)的前景制定的,以達(dá)到即滿足市場(chǎng)需求,又促進(jìn)技術(shù)水平的提高和增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的目的。

根據(jù)供熱市場(chǎng)的需求,大型供熱汽輪機(jī)的主蒸汽參數(shù)選擇范圍從亞臨界到超超臨界,容量從330MW至660MW,供熱參數(shù)適用高(～4.0MPa)、中(～2.0MPa)、低壓工業(yè)抽汽(低于1.0MPa)和采暖抽汽(0.3～0.7MPa)。

3 汽輪機(jī)總體設(shè)計(jì)

針對(duì)不同熱用戶對(duì)供熱機(jī)組抽汽參數(shù)、抽汽量和抽汽級(jí)數(shù)的要求,大型供熱機(jī)組總體設(shè)計(jì)有不同的設(shè)計(jì)方案。

大型供熱汽輪機(jī)總體設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)在于高中缸模塊分(合)缸形式,經(jīng)研究論證后確定的設(shè)計(jì)原則為：當(dāng)高中壓汽缸內(nèi)需要兩級(jí)抽汽,適合采用高中壓分缸型式；當(dāng)高中壓汽缸內(nèi)需要一級(jí)抽汽,高中壓進(jìn)或排汽口有另一級(jí)抽汽時(shí),則采用高中壓合缸型式較為合理。

采用高中壓分缸型式的理由是由于高中壓缸內(nèi)有兩級(jí)抽汽,軸承跨距不易滿足轉(zhuǎn)子動(dòng)特性要求,而高中壓分缸設(shè)計(jì),不受軸承跨距影響,并且在中壓模塊上易于布置抽汽管道、供熱閥門及旋轉(zhuǎn)隔板,同時(shí)供熱抽汽可集中設(shè)計(jì)在中壓模塊上,對(duì)于不同的熱用戶,高、低壓模塊可以通用,僅對(duì)中壓模塊改變?cè)O(shè)計(jì),設(shè)計(jì)、制造周期短。

當(dāng)高中壓通流內(nèi)需要一級(jí)抽汽或一級(jí)抽汽在缸內(nèi)另一級(jí)抽汽在進(jìn)排汽口時(shí),軸系跨距容易滿足轉(zhuǎn)子動(dòng)特性要求,高中壓模塊適合采用合缸方案,高中壓合缸方案結(jié)構(gòu)較緊湊,軸系簡(jiǎn)單,機(jī)組長(zhǎng)度短,熱膨脹阻力小等。

4 關(guān)鍵供熱技術(shù)

4.1 供熱機(jī)組調(diào)節(jié)控制和超速保護(hù)系統(tǒng)

大型供熱機(jī)組機(jī)爐電容量按額定電負(fù)荷的純凝汽式機(jī)組設(shè)計(jì),不供熱時(shí)是凝汽式機(jī)組,供熱時(shí)成為二次(或一次)調(diào)節(jié)抽汽凝汽式汽輪機(jī)。調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)壓系統(tǒng)共同操縱,可以同時(shí)以兩種壓力抽汽供給熱用戶。

調(diào)節(jié)控制可任選“以熱定電”、“熱電分調(diào)”或“牽連調(diào)節(jié)”控制方式,以滿足外界不同電負(fù)荷和熱負(fù)荷需要。牽連調(diào)節(jié)技術(shù)難度在于“抽汽”或“功率”兩者中任意調(diào)整時(shí)都影響另一者參數(shù)的調(diào)節(jié)方式,單抽機(jī)組和雙抽機(jī)組都可以進(jìn)行牽連調(diào)節(jié),雙抽牽連調(diào)節(jié)控制比單抽更為復(fù)雜,需要在功率信號(hào)和兩種抽汽壓力之間牽連控制,調(diào)節(jié)時(shí)解藕系數(shù)設(shè)置直接影響到牽連調(diào)節(jié)控制品質(zhì)。

抽汽管道系統(tǒng)上串聯(lián)設(shè)置了抽汽逆止閥、快關(guān)閥和50%抽汽容量安全閥。

4.2 機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)的控制及其作用

當(dāng)供熱機(jī)組甩負(fù)荷后,將同時(shí)失去對(duì)熱網(wǎng)的供熱能力,蒸汽容積很大的供熱管道中的余汽和冷卻低壓缸的冷卻蒸汽都會(huì)進(jìn)入汽輪機(jī)而引起機(jī)組超速,此時(shí),供熱調(diào)節(jié)閥、旋轉(zhuǎn)隔板或供熱碟閥、抽汽逆止閥、快關(guān)閥應(yīng)同時(shí)快速關(guān)閉,在規(guī)定的延時(shí)時(shí)間后重新開啟供熱調(diào)節(jié)閥、旋轉(zhuǎn)隔板或供熱碟閥維持汽輪機(jī)空轉(zhuǎn)。

當(dāng)機(jī)組突然甩去熱負(fù)荷,抽汽逆止閥、快關(guān)閥將同進(jìn)快速關(guān)閉,切除供熱抽汽,同時(shí)全開供熱調(diào)節(jié)閥、旋轉(zhuǎn)隔板或供熱碟閥,使機(jī)組由供熱工況轉(zhuǎn)為純凝汽工況運(yùn)行,如果在突然甩去熱負(fù)荷時(shí)處于小開度的供熱調(diào)節(jié)閥、旋轉(zhuǎn)隔板或供熱碟閥不能快速全開時(shí),供熱抽汽口壓力快速升高,安全閥自動(dòng)打開,釋放抽汽口壓力,避免抽汽口部件超溫、超壓。

同時(shí),在供熱抽汽口設(shè)置抽汽壓力高限和低限保護(hù)裝置。高限壓力保護(hù)的作用是避免抽汽口溫度超限,低限壓力保護(hù)的作用是避免抽汽口葉片溫度超限,當(dāng)壓力超限發(fā)生警報(bào)信號(hào),必要時(shí)切斷抽汽或停機(jī)。

4.3 關(guān)鍵供熱部套研究設(shè)計(jì)

供熱部套的可靠性設(shè)計(jì),對(duì)大型供熱機(jī)組的安全運(yùn)行起重要作用。主要內(nèi)容有：

4.3.1 調(diào)節(jié)抽汽部套的設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)抽汽部套除連通管上的碟閥外,還需要設(shè)置高、中壓調(diào)節(jié)抽汽部套,包括高壓抽汽閥門的設(shè)計(jì)、大口徑中壓坐缸閥的設(shè)計(jì)及大直徑高溫旋轉(zhuǎn)隔板的設(shè)計(jì)。

(1)高壓抽汽閥門的設(shè)計(jì)。其獨(dú)特之處在于利用中壓調(diào)節(jié)閥參與高壓供熱調(diào)節(jié),這樣不僅減少了節(jié)流損失、使其結(jié)構(gòu)緊湊、同時(shí)還降低了工程投資。

設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于中壓調(diào)節(jié)閥100%全行程同時(shí)參與負(fù)荷調(diào)整和工業(yè)抽汽調(diào)整,對(duì)閥門及控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能和可靠性要求更高。

通過對(duì)閥門型線和配汽曲線的優(yōu)化,使其中壓閥門具備更高的控制精度,達(dá)到全行程參與負(fù)荷調(diào)整和工業(yè)抽汽調(diào)整的要求。

(2)中壓坐缸閥(如圖1所示)的設(shè)計(jì)。

中壓坐缸供熱調(diào)節(jié)閥口徑大、布置在汽缸高溫區(qū)內(nèi),閥門的可靠性至關(guān)重要。

中壓坐缸供熱調(diào)節(jié)閥門設(shè)計(jì)為非嚴(yán)密、無預(yù)啟閥結(jié)構(gòu),閥碟和閥座由型線組成,調(diào)節(jié)性能好,節(jié)流損失小,從閥碟和閥套間隙漏入閥碟上部的蒸汽通過平衡孔直接漏入閥后,平衡腔室僅保持微正壓,達(dá)到卸載效果。

(3)旋轉(zhuǎn)隔板(如圖2所示)參與供熱調(diào)節(jié)。

約翰·桑頓和巴克在小說中均是一個(gè)“他者”的身份。以巴克為典型，雪橇狗不斷易主，遭受來自自然環(huán)境的挑戰(zhàn)以及主人的虐待，然而，這并不能說明作者在此想要提出反對(duì)人類中心主義的觀點(diǎn)。

大型供熱機(jī)組的旋轉(zhuǎn)隔板回轉(zhuǎn)直徑大(可達(dá)2500mm左右)、工作溫度高(最高設(shè)計(jì)溫度為500℃)、工作時(shí)有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩(由于旋轉(zhuǎn)隔板兩側(cè)存在蒸汽壓差,在轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)與隔板體之間的接觸面上產(chǎn)生一壓緊力,使轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)存在一個(gè)由摩擦力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩)。

圖1 中壓坐缸閥

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)及工作條件,旋轉(zhuǎn)隔板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用“平衡室結(jié)構(gòu)”和“預(yù)留窗孔面積”的措施來減小工作時(shí)的摩擦阻力矩。旋轉(zhuǎn)隔板的板體和轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)采用高溫材料,密封面和轉(zhuǎn)動(dòng)面上采用氮化處理技術(shù)提高耐磨性能,防止高溫下旋轉(zhuǎn)隔板卡澀。

同時(shí)應(yīng)用PRO-E建模、NASTRAN有限元分析方法對(duì)旋轉(zhuǎn)隔板進(jìn)行了分析計(jì)算(分析結(jié)果如圖3所示),保證旋轉(zhuǎn)隔板的安全可靠性能。計(jì)算結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)隔板軸向變形小于0.33mm,垂直變形小于0.15mm,水平變形小于0.03mm。

圖2 旋轉(zhuǎn)隔板

油動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩是根據(jù)最大抽汽壓力計(jì)算旋轉(zhuǎn)隔板最大回轉(zhuǎn)力矩值、由連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算得到油動(dòng)機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)力,并保留一定的油動(dòng)機(jī)安全裕量。

(4)供熱碟閥的設(shè)計(jì)。

布置在中壓排汽口連通管上的供熱碟閥控制油采用高壓抗燃油,雙油動(dòng)機(jī)系統(tǒng),開啟或關(guān)閉都具有較大的驅(qū)動(dòng)力矩,油動(dòng)機(jī)布置在閥殼上,對(duì)汽缸不產(chǎn)生附加的翻倒力矩。

(5)上述供熱部套設(shè)計(jì)原則為：利用中壓調(diào)節(jié)閥參與高壓供熱調(diào)節(jié),一般用于壓力相對(duì)較高的場(chǎng)合(再熱壓力～4.0MPa)；供熱調(diào)節(jié)閥門一般用于壓力相對(duì)較高的場(chǎng)合(～2.0MPa)。對(duì)于供熱抽汽壓力低于2MPa的采用旋轉(zhuǎn)隔板,而采暖抽汽(0.3～0.7MPa)一般采用供熱碟閥。

圖3 旋轉(zhuǎn)隔板有限元分析結(jié)果

大型供熱機(jī)組汽缸上布置有供熱調(diào)節(jié)閥門,旋轉(zhuǎn)隔板,汽缸的設(shè)計(jì)難度在于汽缸的剛性和中分面的密封性。

4.3.3 動(dòng)、靜葉片強(qiáng)度研究

(1)供熱抽汽口前后動(dòng)、靜葉片的設(shè)計(jì)

當(dāng)供熱抽汽汽輪機(jī)熱負(fù)荷發(fā)生變化時(shí),通流各級(jí)的焓降都將發(fā)生變化,各級(jí)隔板和動(dòng)葉片的受力狀況也要發(fā)生變化,抽汽口前一級(jí)(或前2級(jí))的隔板和動(dòng)葉片受力變化最大,為同流量純凝汽工況的1.25～1.5倍左右。

通過加寬動(dòng)、靜葉片、隔板板體寬度、優(yōu)選動(dòng)葉葉根型式、將動(dòng)葉圍帶設(shè)計(jì)為阻尼圍帶,降低抽汽口前2級(jí)動(dòng)葉片和隔板的應(yīng)力水平,滿足隔板及動(dòng)葉片在最大應(yīng)力工況下的強(qiáng)度要求。

(2)低壓通流部分最小冷卻流量的確定及低壓末級(jí)葉片的設(shè)計(jì)

供熱機(jī)組在最大供熱抽汽工況下運(yùn)行時(shí),低壓缸容積流量很小,部分葉片將進(jìn)入鼓風(fēng)狀態(tài),為防止低壓缸部件和動(dòng)葉片產(chǎn)生過熱現(xiàn)象,低壓缸必須保證有一定冷卻蒸汽流量通過。

低壓缸的最小冷卻流量與通流面積有關(guān),末級(jí)葉片愈長(zhǎng),摩擦鼓風(fēng)損失愈大。冷卻流量通常為設(shè)計(jì)工況的10%左右。

圖4 外缸有限元分析結(jié)果

大型供熱機(jī)組保證通過最小冷卻流量的措施是,中壓調(diào)節(jié)閥門兼作高壓供熱閥門采用電限位保證中調(diào)門的最小開度；供熱調(diào)節(jié)閥門在進(jìn)汽腔室開有通汽孔,旋轉(zhuǎn)隔板由平衡室通道和預(yù)留部分窗口面積不關(guān)嚴(yán)；供熱碟閥則采用機(jī)械限位保留一定通流面積。

較低的容積流量使汽流在葉片流道內(nèi)容易形成渦流,引起葉片顫振,因此末級(jí)動(dòng)葉采用了高強(qiáng)度和高根部反動(dòng)度的末級(jí)動(dòng)葉片。

4.3.4 補(bǔ)水除氧裝置技術(shù)

供熱抽汽汽輪機(jī)凝結(jié)水補(bǔ)水除氧一般采用低壓除氧器除氧,這種除氧方式需增加低壓除氧器、中繼泵和各種管道、閥門等設(shè)備,系統(tǒng)復(fù)雜、加大投資、占用場(chǎng)地,另外還需增加一路汽源,消耗蒸汽,影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性,現(xiàn)在已很少使用。

目前最常用的是在凝汽器內(nèi)除氧,凝汽器內(nèi)除氧又有幾種方式：

(1)凝汽器熱井內(nèi)鼓泡除氧。凝汽器熱井內(nèi)鼓泡除氧在小機(jī)組上應(yīng)用較多,但當(dāng)補(bǔ)水量較大時(shí),達(dá)不到除氧效果,并且該方式可能同時(shí)存在噪音、振動(dòng)、水位失真及汽體進(jìn)入凝結(jié)水泵,從而影響其正常工作的問題。

(2)噴霧除氧加凝汽器熱井內(nèi)鼓泡除氧。噴霧除氧加凝汽器熱井內(nèi)鼓泡除氧這種方式可以達(dá)到除氧效果,但進(jìn)口噴嘴價(jià)格較貴,還需引進(jìn)汽源,影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性,系統(tǒng)復(fù)雜,也同時(shí)存在噪音、振動(dòng)、水位失真及汽體進(jìn)入凝結(jié)水泵的問題。

(3)凝汽器喉部噴嘴噴膜除氧。抽汽補(bǔ)水除氧裝置只需在凝汽器喉部設(shè)置幾路補(bǔ)水管道,在管道上安裝一些焊接式平面膜式噴嘴,每路補(bǔ)水管設(shè)置一個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥,利用低壓缸排汽加熱補(bǔ)水至飽和溫度,不需另外引入蒸汽管道,系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好,除氧效果好,凝汽器含氧量可以達(dá)到30PPb以下。

4.4 大型供熱機(jī)組其它技術(shù)的使用

在大型供熱汽輪機(jī)上應(yīng)用的技術(shù)還有高穩(wěn)定性可傾瓦、橢圓軸承、末級(jí)動(dòng)葉等離子淬火防水蝕、H型定中心梁推拉裝置、軸承箱自潤(rùn)滑滑塊、剛性連接主油泵、防止固體微粒侵蝕(SPE)的措施、防止汽流激振措施等,這些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用確保了大型供熱機(jī)組運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性及可靠性。

5 結(jié)論

(1)大型供熱汽輪機(jī)組在提高主汽參數(shù)、功率等級(jí)的同時(shí),采用最先進(jìn)通流技術(shù),提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性,使熱耗、煤耗大幅降低,以330MW供熱機(jī)組與純冷凝機(jī)組相比,熱耗降低2795kJ/kW·h,煤耗降低101.6g/kW·h,若每年按7000小時(shí)/臺(tái)運(yùn)行,燃煤價(jià)格按1000元/噸計(jì),每年可節(jié)約費(fèi)用2.3億元/臺(tái)左右。同時(shí)SO2、CO2的排放量大為減小,降低了發(fā)電廠的環(huán)境污染,產(chǎn)生的環(huán)境效益同樣十分可觀。

(2)通過研制先進(jìn)、高效大型供熱汽輪機(jī)組,分析并掌握了300MW～660MW等級(jí)供熱汽輪機(jī)設(shè)計(jì)、材料、制造、加工等關(guān)鍵技術(shù),可實(shí)現(xiàn)電站供熱機(jī)組設(shè)備的更新?lián)Q代,推動(dòng)向更高參數(shù)、更大功率供熱汽輪機(jī)組的研制。

(3)大型雙抽供熱汽輪機(jī)組在一臺(tái)供熱機(jī)組上可實(shí)現(xiàn)多級(jí)可調(diào)整抽汽,結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小,為電廠帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益。

[1]金光勛，彭澤瑛.350MW容量等級(jí)雙抽汽輪機(jī)的技術(shù)創(chuàng)新.熱力透平，2010（1）：37-41

[2]中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì)主編.火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè)（第二卷汽輪機(jī)）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998

Research and App lication of Key Technologies w ith Largescale Heat Supply Steam Turbine Units

Fang Yu,Wang Jianwei,Tang Li

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

This paper discusses the large-scale heat supply steam turbine technologies,especially analysis of dual extraction heat supply turbine design.Compare with conventional condensing turbines,large-scale heat supply steam turbines have special problems to be researched,which are preconditions for the unit reliability and economy.

heat supply steam turbine,key technology,analysis and research

方宇(1968-),男,工程碩士,教授級(jí)高工,目前在東方汽輪機(jī)有限公司從事汽輪機(jī)設(shè)計(jì)和技術(shù)管理工作。