倪 劍， 錢 勇， 周 勇， 覃小文, 劉海杰， 廖 翔

(東方汽輪機(jī)有限公司, 四川德陽 618000)

二氧化碳化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定[1]，當(dāng)其溫度超過31.2 ℃、壓力超過7.38 MPa時(shí)，即進(jìn)入超臨界狀態(tài)，與水相比(水的臨界溫度為374 ℃，臨界壓力為22.09 MPa)，很容易達(dá)到超臨界狀態(tài)[2]。超臨界二氧化碳兼有氣體、液體的雙重特點(diǎn)，其密度接近液體，而黏度近似于氣體，其擴(kuò)散系數(shù)是液體的近百倍。超臨界二氧化碳作為閉式布雷頓循環(huán)做功工質(zhì)時(shí)能減小壓縮功，提高發(fā)電效率。同時(shí)，超臨界二氧化碳循環(huán)相比蒸汽循環(huán)減小了部件熱損失及部件體積[3]，并且二氧化碳儲(chǔ)量豐富、易于獲得且價(jià)格便宜，以上優(yōu)點(diǎn)決定了利用超臨界二氧化碳作為工質(zhì)進(jìn)行發(fā)電將有廣闊的市場(chǎng)前景[4]。

超臨界二氧化碳透平發(fā)電機(jī)組采用閉式布雷頓循環(huán)，對(duì)機(jī)組密封性要求較高，筆者研究了在工作參數(shù)為567 ℃、15.1 MPa的超臨界二氧化碳環(huán)境下透平氣缸的設(shè)計(jì)方案，對(duì)目前高參數(shù)超臨界二氧化碳循環(huán)能否安全高效地運(yùn)用到發(fā)電機(jī)組中意義重大。

1 設(shè)計(jì)方案

常規(guī)火電機(jī)組透平的汽缸形式基本為上下半汽缸結(jié)構(gòu)，中分面通過螺栓熱緊進(jìn)行密封，其端面密封形式主要為梳齒汽封。超臨界二氧化碳透平機(jī)組結(jié)構(gòu)尺寸非常小[5]，在設(shè)計(jì)氣缸時(shí)，考慮筒形缸和上下半氣缸兩種結(jié)構(gòu)，并且在設(shè)計(jì)端面密封結(jié)構(gòu)時(shí)分別采用干氣密封[6]和梳齒氣封。筆者研究的是單級(jí)離心式透平，轉(zhuǎn)速為20 000 r/min，雙層缸結(jié)構(gòu)，由于外缸內(nèi)外溫差及壓差均較大，故筆者研究的是透平外缸。外缸工作溫度最高為567 ℃，壓力為15.1 MPa，外徑約為500 mm，長(zhǎng)度約為550 mm。 下面分別對(duì)3種氣缸方案進(jìn)行設(shè)計(jì)介紹。

1.1 方案一

方案一的氣缸為上下半氣缸結(jié)構(gòu)，端面密封采用梳齒氣封，氣缸進(jìn)排氣方式為上進(jìn)側(cè)排，中分面用螺栓熱緊，氣缸通過前后貓爪搭在前后軸承箱上，具體見圖1。氣缸的工作溫度達(dá)到567 ℃，故氣缸本體材料選用ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，螺栓材料選用10Cr11Co3W3NiMoVNbNB，上述氣缸、螺栓材料簡(jiǎn)稱常規(guī)材料。

圖1 方案一示意圖

1.2 方案二

方案二的氣缸為筒形缸，采用單蓋板結(jié)構(gòu)，只有一處密封端面，端面動(dòng)靜密封采用干氣密封，氣缸進(jìn)排氣方式仍然為上進(jìn)側(cè)排，端面用螺栓熱緊，氣缸通過前后貓爪搭在前后軸承箱上，具體見圖2。氣缸、螺栓的材料和方案一相同。

圖2 方案二示意圖

1.3 方案三

方案三的氣缸為筒形缸，端面密封為梳齒氣封，氣缸進(jìn)排氣方式仍然為上進(jìn)側(cè)排，端面用螺栓熱緊，氣缸通過前后貓爪搭在前后軸承箱上，具體見圖3。氣缸、螺栓的材料和方案一相同。

圖3 方案三示意圖

2 計(jì)算分析

2.1 方案一

圖4為方案一有限元分析邊界條件及各部件的應(yīng)力云圖。

圖4 方案一邊界條件及各部件等效應(yīng)力云圖

對(duì)氣缸施加邊界條件：氣缸缸體及螺栓設(shè)有保溫層，絕熱，前后貓爪和大氣自然換熱，穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)云圖計(jì)算結(jié)果見圖4(a)；氣缸通流部位根據(jù)實(shí)際工作壓力分布施加相應(yīng)的壓力及力，見圖4(b)；氣缸通過貓爪和缸體上下半立鍵進(jìn)行天地(豎直)方向、水平軸向、水平橫向的約束，見圖4(c)；螺栓預(yù)緊力為螺栓材料對(duì)應(yīng)工作溫度下屈服強(qiáng)度除以安全系數(shù)(取1.5)；氣缸各部件受力狀況及中分面密封性計(jì)算結(jié)果見圖4(d)、圖4(e)，中分面外漏密封性較好，但是內(nèi)部有一定的張口，上下半缸體除局部等效應(yīng)力集中外，其他部位等效應(yīng)力均小于材料對(duì)應(yīng)溫度下的屈服強(qiáng)度，但螺栓等效應(yīng)力均較大，已超過常規(guī)螺栓材料對(duì)應(yīng)溫度的屈服強(qiáng)度極限，故考慮將螺栓材料更換成GH4169，更換材料后上下半氣缸及螺栓等效應(yīng)力見圖4(f)，從計(jì)算結(jié)果看各部件等效應(yīng)力滿足材料的許用應(yīng)力。

2.2 方案二

圖5為方案二有限元分析邊界條件及各部件的應(yīng)力云圖。

圖5 方案二邊界條件及各部件等效應(yīng)力云圖

對(duì)氣缸施加邊界條件的方法和方案一相同，見圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)。氣缸各部件受力狀況及密封面密封性計(jì)算結(jié)果見圖5(d)、圖5(e)，蓋板密封面密封性較好，但蓋板、缸體應(yīng)力均較大，超過常規(guī)材料對(duì)應(yīng)溫度的屈服強(qiáng)度極限，故將缸體材料換成GH4169，進(jìn)行計(jì)算后發(fā)現(xiàn)蓋板內(nèi)圈處應(yīng)力仍然較大，原因是筒體內(nèi)環(huán)溫度低、膨脹慢，而外環(huán)溫度高、膨脹快，故內(nèi)環(huán)位置受到較大的拉伸應(yīng)力，因此考慮在兩端面位置開環(huán)形腔室進(jìn)行冷卻，降低整個(gè)端面在徑向的溫度梯度。

增加冷卻方式后，氣缸各部件的受力狀況及密封面密封性計(jì)算結(jié)果見圖6。由圖6可以看出：增加冷卻方式后，在保證密封性情況下，螺栓采用常規(guī)材料時(shí)，缸體等效應(yīng)力滿足安全要求，但螺栓等效應(yīng)力已經(jīng)超過材料的屈服強(qiáng)度極限，故考慮螺栓采用GH4169，計(jì)算結(jié)果表明螺栓危險(xiǎn)截面平均應(yīng)力不高于材料的許用應(yīng)力。

圖6 增加冷卻腔室后溫度場(chǎng)云圖及各部件應(yīng)力云圖

2.3 方案三

圖7為方案三有限元分析邊界條件及各部件等效應(yīng)力云圖。對(duì)氣缸施加邊界條件的方法和方案一相同，具體見圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)蓋板、缸體及螺栓危險(xiǎn)截面平均應(yīng)力均小于材料對(duì)應(yīng)使用溫度的許用應(yīng)力，且密封面接觸良好，沒有泄漏，具體見圖7(d)、圖7(e)。

圖7 方案三邊界條件及各部件等效應(yīng)力云圖

3 方案對(duì)比

方案一氣缸結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造方便，氣缸整體強(qiáng)度能滿足要求，能較好地控制中分面二氧化碳的外漏，但仍然存在一定的內(nèi)漏。方案二氣缸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，干氣密封的密封性能好，但是由于干氣密封對(duì)工作溫度敏感性較高，故必須增加缸體冷卻結(jié)構(gòu)才能保證氣缸和螺栓材料的安全性及氣缸的密封性。方案三為梳齒密封筒形缸結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能保證氣缸中分面密封性及氣缸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

從方案可行性分析，方案二和方案三均可，但機(jī)組除了在水平中分面漏氣外，軸封處的動(dòng)靜間隙還會(huì)造成漏氣，而軸封漏氣是影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性及循環(huán)效率的一個(gè)重要方面。常規(guī)火電機(jī)組軸封處的漏汽質(zhì)量流量一般為總進(jìn)汽質(zhì)量流量的2%，為了降低機(jī)組熱耗，常規(guī)火電機(jī)組都會(huì)通過優(yōu)化汽封齒形式及布置盡量多的汽封齒來降低漏汽量，但是當(dāng)汽封齒數(shù)量達(dá)到一定值后再增加汽封齒數(shù)量已經(jīng)無法降低漏汽量，并且由于軸系的穩(wěn)定性要求，軸封汽封齒數(shù)量都會(huì)有一個(gè)極限值。

軸徑為115 mm的干氣密封設(shè)備可以將漏氣質(zhì)量流量控制至30 kg/h。梳齒氣封漏氣質(zhì)量流量計(jì)算公式為：

(1)

式中：qm,δ為漏氣質(zhì)量流量；μδ為漏氣常數(shù)；Aδ為環(huán)形漏氣面積；z為氣封齒數(shù)；p0為進(jìn)氣端壓力；pz為出氣端壓力；υ0為進(jìn)氣比體積。

漏氣常數(shù)取1，氣封齒數(shù)取40，氣封間隙取0.2 mm，在進(jìn)氣壓力為15.1 MPa、溫度為567 ℃時(shí)，出氣排向大氣，采用常規(guī)梳齒密封漏氣質(zhì)量流量達(dá)到1 600 kg/h，即使在保證軸系安全性情況下將齒數(shù)布置到極限，梳齒密封的漏氣質(zhì)量流量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干氣密封。

1 t二氧化碳(實(shí)際二氧化碳體積分?jǐn)?shù)為99.9%)價(jià)格約為100元，采用干氣密封一年節(jié)約的成本約為100萬元，常規(guī)發(fā)電機(jī)組使用壽命約為25 a，生命周期內(nèi)共可節(jié)約2 500萬元，而一套干氣密封價(jià)格約為60萬元，可看出干氣密封的收益遠(yuǎn)大于成本。

4 結(jié)語

通過上述方案分析及經(jīng)濟(jì)性分析可以得出以下結(jié)論：超臨界二氧化碳透平外缸選取干氣密封筒形缸結(jié)構(gòu)能很好地保證密封性、安全性以及維持較低的運(yùn)行成本。

近年來，利用超臨界二氧化碳替代蒸汽作為透平發(fā)電做功介質(zhì)的研究日益深入，而超臨界二氧化碳循環(huán)和光熱發(fā)電的耦合也是未來發(fā)電行業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。筆者研究的發(fā)電透平功率為1 MW，但一般電站的裝機(jī)容量基本為100 MW及以上，故后續(xù)還應(yīng)針對(duì)大功率超臨界二氧化碳發(fā)電透平氣缸進(jìn)行進(jìn)一步研究。