胡怡豐，蔣浦寧，王建華

(1.上海交通大學(xué)，上海 200240;2.上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海 200240)

上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪廠(簡稱“上汽廠”)所生產(chǎn)的300 MW、600 MW 等級汽輪機(jī)包括亞臨界濕冷、空冷，超臨界濕冷、空冷共投運(yùn)了逾100 臺。上述機(jī)組機(jī)型均為上世紀(jì)90年代設(shè)計(jì)制造的，由于受當(dāng)時技術(shù)的局限，以及受制造、安裝等多方面因素的影響，這些機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行后經(jīng)濟(jì)性偏低，機(jī)組熱耗、汽缸效率等主要指標(biāo)與設(shè)計(jì)值有偏差。其中一個比較突出的問題就是低壓五段、六段的抽汽溫度普遍比設(shè)計(jì)值要高，個別機(jī)組要高到50 ℃以上。

針對這個問題，上汽廠組織大量人力，就該專項(xiàng)成立了QC 小組，通過走訪用戶、實(shí)地調(diào)查，進(jìn)行了大量的計(jì)算分析和比對工作，從設(shè)計(jì)源頭開發(fā)出解決汽輪機(jī)低壓內(nèi)缸抽汽溫度偏高的新方法和新結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)組的運(yùn)行效率，降低了電廠的發(fā)電成本。新結(jié)構(gòu)低壓內(nèi)缸的推廣將為今后低壓內(nèi)缸的設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)和新思路。

1 原因分析

通過采用通流分析軟件對上文所涉及的機(jī)組進(jìn)行通流分析，發(fā)現(xiàn)級間溫度計(jì)算值與設(shè)計(jì)值偏差很小，抽口出口溫度與設(shè)計(jì)溫度差值也沒有超過個位數(shù)，根據(jù)熱力學(xué)原理，蒸汽在低壓缸內(nèi)膨脹的過程中，蒸汽的焓值降低，熵值上升，在正常情況下其總體趨勢和曲率基本不會發(fā)生變化。所以初步排除汽輪機(jī)通流內(nèi)部主蒸汽參數(shù)出現(xiàn)問題的可能［1］。

低壓內(nèi)缸雖名為低壓，實(shí)際上則是汽輪機(jī)高中低三個部分中承受溫差最大的部分。通常情況下高壓缸的進(jìn)汽和排汽溫差為220 ℃左右，每級隔板和內(nèi)缸承受的級均溫差，除調(diào)節(jié)級溫差為38 ℃之外，其它壓力級為15.3 ℃;中壓缸的進(jìn)汽和排汽溫差為206 ℃左右，每級隔板和內(nèi)缸承受的級均溫差為22.9 ℃;低壓缸的進(jìn)汽和排汽溫差高達(dá)300 ℃左右，每級隔板和內(nèi)缸承受的級均溫差42.7 ℃，是高壓缸的2.8 倍。雖然低壓缸承壓比較低，內(nèi)缸設(shè)計(jì)的壁厚比較薄，焊接量較大，但其相對的尺寸比較大，每級承受的平均溫差比較大，所以受熱溫差產(chǎn)生的熱膨脹量也相對較大;部件之間和部件內(nèi)會因溫度場分布不均勻出現(xiàn)膨脹差、熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力和應(yīng)變，容易導(dǎo)致汽缸局部應(yīng)力集中和塑性變形。以上種種因素都有可能使汽缸內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)漏，從而導(dǎo)致低壓五段、六段抽汽溫度升高。

為了驗(yàn)證上述觀點(diǎn)，對一些典型機(jī)組的用戶進(jìn)行走訪，獲取了低壓內(nèi)缸開缸檢修的第一手資料。以下是電廠檢修時的照片(見圖1)。

圖1 低壓缸檢修現(xiàn)場照片

通過照片可以清楚地看到，低壓內(nèi)缸水平中分面上有多處蒸汽沖刷的痕跡，進(jìn)一步證實(shí)了低壓內(nèi)缸五段、六段抽汽溫度高的主要原因是低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)上的內(nèi)漏。

2 計(jì)算驗(yàn)證

運(yùn)用有限元方法對上述低壓內(nèi)缸進(jìn)行計(jì)算分析，使用CAD 軟件建立三維模型。由于尺寸大，如果根據(jù)實(shí)際尺寸計(jì)算整缸整個模型的話，網(wǎng)格數(shù)量將極其龐大。所以根據(jù)其結(jié)構(gòu)前后左右完全對稱的特性，在計(jì)算中只取汽缸上半的1/4 模型，在中分面處定義汽缸與一剛性面的接觸。此接觸的類型為“small sliding”，是本次計(jì)算的重點(diǎn)考察對象。將汽缸模型的上半1/4 導(dǎo)入ABAQUS/CAE，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分建立有限元計(jì)算模型，所有模型均采用四面體網(wǎng)格［2］。

低壓內(nèi)缸中分面螺栓的預(yù)緊力都為315～350 MPa，在施加載荷時要進(jìn)行換算，將螺栓預(yù)緊力乘以螺栓最小截面積然后除以螺栓螺帽和法蘭接觸的沉孔面積，即得到螺栓預(yù)緊力通過螺栓作用在汽缸法蘭上的等效緊力，這個緊力的作用點(diǎn)在螺栓沉孔面上。

本次計(jì)算采用額定工況下的蒸汽熱力參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。由于低壓內(nèi)缸最高的進(jìn)汽溫度低于350 ℃，因此汽缸本身不會因長期在高溫下工作而發(fā)生蠕變，同時螺栓也不會產(chǎn)生長期在高溫下工作發(fā)生蠕變松弛從而使預(yù)緊力下降的情況。但低壓內(nèi)缸體積大，外壁帶有隔熱罩，熱邊界比較復(fù)雜，且從進(jìn)口溫度到排汽溫度落差很大，所以對整個汽缸的熱分析非常重要。因熱脹對中分面的密封性能會產(chǎn)生很大的影響，所以在熱邊界的處理上采用了兼?zhèn)涞谝缓偷诙愡吔鐑?yōu)點(diǎn)的第三類邊界條件;在低壓內(nèi)缸不同溫度區(qū)域施加相應(yīng)的表面換熱系數(shù)和流體溫度;同時施加機(jī)械載荷邊界即蒸汽壓力，可以得到比較準(zhǔn)確的溫度場和應(yīng)力場分布。低壓內(nèi)缸三維結(jié)構(gòu)邊界條件施加如圖2所示［3］。

圖2 低壓內(nèi)缸網(wǎng)格模型以及載荷邊界圖

計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

可見在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，低壓內(nèi)缸進(jìn)汽腔室側(cè)的徑向法蘭的根部和端部出現(xiàn)了超過0.05 mm的間隙，端部間隙更達(dá)到了0.1 mm，所以會出現(xiàn)從低壓內(nèi)缸到第一個抽汽腔室的內(nèi)漏現(xiàn)象。在進(jìn)汽側(cè)左第一個抽汽腔室外的法蘭處也出現(xiàn)了較大的間隙，但是該處間隙沒有超過螺栓的范圍，故密封沒有問題。整個中分面法蘭間隙的最大值出現(xiàn)在第二個抽汽腔室和第三個抽汽腔室間徑向法蘭的端部，間隙達(dá)0.2 mm，該處由于汽缸人孔的結(jié)構(gòu)原因，無法布置螺栓。

經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場檢修情況是基本吻合的?？梢娫撾姀S低壓抽汽溫度偏高是由低壓內(nèi)缸存在內(nèi)漏造成的。

圖3 低壓內(nèi)缸中分面間隙分布(mm)

3 新型低壓內(nèi)缸的設(shè)計(jì)

造成低壓內(nèi)缸內(nèi)漏的原因有很多，比如汽缸的剛性不足、人孔內(nèi)空間狹小、螺栓預(yù)緊力無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求、局部區(qū)域發(fā)生塑性變形形成漏汽通道、動靜之間不均勻差脹等等。

對于已經(jīng)在投運(yùn)的機(jī)組，可以采用打磨中分面、在水平中分面開槽加裝密封鍵、在持環(huán)和汽缸之間添加汽封等措施來解決低壓抽汽溫度偏高這一問題。但要根本性地解決這一個問題還需要對低壓內(nèi)缸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。新結(jié)構(gòu)模型如圖4 所示。

圖4 新設(shè)計(jì)低壓內(nèi)缸模型

根據(jù)上汽廠超超臨界機(jī)組低壓缸的成熟運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，采用了整體加強(qiáng)剛性、局部減弱剛性的思路對現(xiàn)有的問題低壓內(nèi)缸進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn):

1)鑄件持環(huán)和汽缸的徑向隔板用焊接方式連接，形成平行四邊形腔室A2，類似建筑領(lǐng)域的框架結(jié)構(gòu)，增加低壓內(nèi)缸剛性。

2)汽缸兩側(cè)鑄件持環(huán)由低壓進(jìn)汽腔室的撐桿聯(lián)結(jié)在一起，實(shí)際上在汽缸內(nèi)部又形成了一層缸，是一個一體的雙層缸結(jié)構(gòu)，整體上增加了整個低壓內(nèi)缸的剛性。

3)在A1 和A2 腔室之間、A2 和A3 腔室之間采用斜置的徑向隔板，使汽缸溫度分布更均勻，能降低溫差所帶來的影響。

4)汽缸內(nèi)部中分面采用了小段法蘭的設(shè)計(jì)，降低了中分面的局部剛性，減少應(yīng)力集中和塑性變形的發(fā)生。

運(yùn)用有限元手段對新設(shè)計(jì)的低壓內(nèi)缸進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。

圖5 新低壓內(nèi)缸驗(yàn)證計(jì)算的結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，整個A2 腔室周圍的間隙很小，最大不超過0.05 mm，密封效果良好。

目前，該結(jié)構(gòu)的低壓內(nèi)缸已應(yīng)用在亞臨界300 MW 空冷機(jī)組上，機(jī)組投運(yùn)后所測得的低壓抽汽溫度都比設(shè)計(jì)值略低，汽缸內(nèi)漏問題得到解決。

4 結(jié)論

本文通過一系列調(diào)查分析工作的闡述，分別介紹了上汽廠機(jī)組低壓內(nèi)缸五抽、六抽溫度偏高的原因，以及應(yīng)對這些問題而對低壓內(nèi)缸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。重新設(shè)計(jì)的低壓內(nèi)缸解決了溫度偏高問題，從而提高了機(jī)組效率，降低了電廠的發(fā)電成本，獲得用戶好評。

新結(jié)構(gòu)的成功設(shè)計(jì)和成功運(yùn)行為以后的低壓內(nèi)缸設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，其獨(dú)創(chuàng)的結(jié)構(gòu)將成為后續(xù)低壓內(nèi)缸設(shè)計(jì)的模板，今后需要對該結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)，使之能推廣到更多機(jī)組的低壓內(nèi)缸設(shè)計(jì)中去。

［1］耿鐵純，王冠文，尹金亮，等.國內(nèi)座缸式600～1 000 MW 超超臨界汽輪機(jī)低壓缸五、六級抽汽溫度高分析［C］//600/1 000 MW 超超臨界機(jī)組技術(shù)交流2010年會.中國溫州:中國動力工程學(xué)會，2010.

［2］ABAQUS.ABAQUS User Manual［M］.USA:ABAQUS，1996.

［3］金永明，張媛.超超臨界參數(shù)汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸有限元強(qiáng)度分析［J］.熱力透平，2007，36(1):11-14.