劉佳男 劉 燕 陳文龍

(東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

關(guān)鍵字：轉(zhuǎn)環(huán)；供熱抽汽；汽輪機(jī)

抽汽調(diào)節(jié)閥是實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)可調(diào)供熱抽汽功能的關(guān)鍵部件，通過對中壓通流蒸汽進(jìn)行節(jié)流來調(diào)節(jié)對外供熱的抽汽量。由于中壓蒸汽容積流量大，抽汽調(diào)節(jié)閥體積普遍較大，導(dǎo)致汽輪機(jī)體積龐大，閥門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜。而流向后續(xù)通流的蒸汽需要先排出汽缸，進(jìn)入抽汽調(diào)節(jié)閥前腔室，再經(jīng)過閥座喉部進(jìn)入中壓噴嘴室(見圖1)，不可避免地造成較大壓損，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性不佳。

以某型沖動(dòng)式中壓供熱汽輪機(jī)為例，抽汽調(diào)節(jié)閥所在的中壓通流級跨距為594 mm，而其余通流級平均跨距為150 mm，由此可見常規(guī)中壓供熱抽汽結(jié)構(gòu)會(huì)消耗大量軸向空間。隨著客戶對汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性越來越重視，通流級數(shù)的增加和總跨距之間的矛盾也在供熱抽汽機(jī)組上逐漸顯現(xiàn)。

1 創(chuàng)新優(yōu)化方案介紹

新中壓供熱抽汽結(jié)構(gòu)方案(見圖2)借鑒了低壓供熱旋轉(zhuǎn)隔板的帶窗口轉(zhuǎn)環(huán)配汽方式，將轉(zhuǎn)環(huán)上均布的軸向窗口改為了沿周向均布的徑向窗口，并保留了與抽汽調(diào)節(jié)閥配套使用的帶中壓噴嘴室的隔板套，利用隔板套筒體自身充足的剛性來承受通流級前后的壓差，在優(yōu)化供熱調(diào)節(jié)性能的前提下，確保相關(guān)結(jié)構(gòu)在極限工況下的可靠性。

圖1 常規(guī)汽輪機(jī)中壓供熱通流結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structure of normal steam turbine medium pressure heating flow

圖2 中壓供熱抽汽新方案Figure 2 Innovative scheme of medium pressure heating extraction

2 新舊方案各項(xiàng)性能對比

2.1 空間及結(jié)構(gòu)特性對比

以某型高溫高壓抽汽背壓式汽輪機(jī)為例：

常規(guī)方案由于需要將通流中的蒸汽導(dǎo)出至汽缸外，經(jīng)過抽汽調(diào)節(jié)閥節(jié)流后再導(dǎo)入汽缸內(nèi)，并盡量減少此過程中因流道截面和流向變化產(chǎn)生的壓損，通常需要在汽缸上部設(shè)置一組座缸式抽汽調(diào)節(jié)閥，閥室容積需滿足最大純背工況的通流需求，如果EH油選用了易燃的高壓耐磨油或低壓透平油，為避免EH系統(tǒng)泄漏導(dǎo)致火災(zāi)，還需要加裝杠桿機(jī)構(gòu)將油動(dòng)機(jī)懸置到汽缸側(cè)面，占用汽輪機(jī)本體大量的外部空間(見圖3)；經(jīng)過節(jié)流后的蒸汽，從汽缸頂部進(jìn)入缸內(nèi)的隔板套，在隔板套的噴嘴室內(nèi)(抽汽調(diào)節(jié)閥后流道模型見圖4)摻混，為確保摻混效果，避免噴嘴室出口壓力差異過大，受軸向空間的限制，噴嘴室徑向尺寸會(huì)明顯超出對應(yīng)壓力級的葉高，甚至超過隔板套外圓，對汽缸內(nèi)部的空間需求遠(yuǎn)大于其他通流部件，抽汽調(diào)節(jié)閥所在的這一段汽缸通常會(huì)大幅向外突出以容納噴嘴室，形成的缸壁結(jié)構(gòu)突變削弱了汽缸的軸向剛性，尤其在機(jī)組冷態(tài)快速啟動(dòng)和變工況運(yùn)行時(shí)，可能因軸向力突增而發(fā)生過度變形，存在脹差過大的隱患；中分面密封性能也因缸壁和法蘭結(jié)構(gòu)突變而下降，需要使用更大規(guī)格或更高強(qiáng)度的螺栓，增加了緊固件成本。

圖3 抽汽調(diào)節(jié)閥與汽缸裝配俯視圖Figure 3 Assembly top view of steam extraction adjustment valve and cylinder

圖4 抽汽調(diào)節(jié)閥后流道模型Figure 4 Model of steam extraction adjustment valve rear flow

而閥門在開大關(guān)小的調(diào)節(jié)過程中，閥芯件承受交變應(yīng)力，特別是閥桿在作為縱向拉桿時(shí)，在閥門將開的時(shí)刻，其所受載荷達(dá)到峰值，在螺紋及其退刀槽等結(jié)構(gòu)薄弱部位產(chǎn)生應(yīng)力集中(見圖5)，增加斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，必須選用昂貴的高強(qiáng)度高溫合金鋼制造。

圖5 抽汽調(diào)節(jié)閥閥桿(末段)強(qiáng)度校核Figure 5 Strength correction of steam extraction adjustment valve rod (end)

新方案優(yōu)化了汽流路徑，不需要將通流中的蒸汽導(dǎo)出汽缸，更容易控制壓損；節(jié)流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)環(huán)后的噴嘴室采用了全周均布的進(jìn)汽道，降低了汽流摻混難度，使噴嘴室尺寸大幅縮小(抽汽調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)環(huán)后流道模型見圖6)，再經(jīng)過功能統(tǒng)籌規(guī)劃，使絕大多數(shù)部件的尺寸都控制在正常通流部件的體積范圍內(nèi)，汽缸不需要再為容納噴嘴室而特意擴(kuò)大，對于部分最大純背工況流量需要較高的機(jī)組，也僅需要在汽缸上增加一個(gè)較小的環(huán)形腔室，更容易將缸壁結(jié)構(gòu)的突變對汽缸剛性、中分面密封性能的影響降低到可控范圍內(nèi)；轉(zhuǎn)環(huán)的周向剛性能夠平衡絕大部分蒸汽力，有利于其保持自身的形態(tài)，其與隔板套的接觸壓力主要由自身重力引起，故阻礙轉(zhuǎn)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力很小，工作應(yīng)力也相對較低(見圖7)，可選用成本更低的普通合金鋼來制造。

圖6 抽汽調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)環(huán)后流道模型Figure 6 Model of steam extraction rotating ring rear flow

圖7 抽汽調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)環(huán)強(qiáng)度校核Figure 7 Strength correction of steam extraction rotating ring

轉(zhuǎn)環(huán)可以選用較小的操縱機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)，對汽輪機(jī)本體外部空間需求很小，可布置在汽缸下半的側(cè)面或底面，滿足各類EH油系統(tǒng)的安全要求；在轉(zhuǎn)子跨距相同的前提下，新方案占用的軸向空間更少，可以多布置2級通流壓力級，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 調(diào)節(jié)性能對比

以某型采用高壓抗磨油的抽汽背壓式汽輪機(jī)為例：常規(guī)方案采用3閥組提板式順序閥節(jié)流配汽結(jié)構(gòu)，為緩解閥門流量特性造成的群閥調(diào)節(jié)流量波動(dòng)，通過配置重疊度獲得一個(gè)相對線性的流量-開度關(guān)系(見圖8)，但無法完全消除曲線的拐點(diǎn)，在汽輪機(jī)變工況時(shí)通常會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)荷波動(dòng)，也對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了很高的要求。

圖8 抽汽調(diào)節(jié)閥流量特性曲線Figure 8 Flow characteristics curve of steam extraction adjustment valve

新方案的轉(zhuǎn)環(huán)和隔板套的腰形窗口大小一致，窗口長邊沿圓周方向布置，在轉(zhuǎn)環(huán)從全關(guān)到全開的過程中，轉(zhuǎn)環(huán)和隔板套的窗口重疊面積變化基本線性，流量-開度關(guān)系曲線不存在拐點(diǎn)(見圖9)，即經(jīng)過窗口的蒸汽流量不會(huì)出現(xiàn)突變的情況，能夠確保汽輪機(jī)變工況的穩(wěn)定性；由于轉(zhuǎn)環(huán)的阻力變化較小，不會(huì)對其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)造成干擾，可以確保驅(qū)動(dòng)力穩(wěn)定輸出，避免活動(dòng)部件出現(xiàn)震顫，延長零部件的使用壽命。

圖9 抽汽調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)環(huán)流量特性曲線Figure 9 Flow characteristics curve of steam extraction adjustment rotating ring

2.3 氣動(dòng)性能對比

以汽輪機(jī)的中壓抽汽隔板套噴嘴室為例：

常規(guī)方案的蒸汽從上方的抽汽調(diào)節(jié)閥導(dǎo)入噴嘴室，摻混后由環(huán)形出口進(jìn)入噴嘴葉柵，從圖10流線分布可以看出，盡管噴嘴室容積較大，但摻混效果并不理想，上半噴嘴室流量遠(yuǎn)大于下半噴嘴室，其中形成較多漩渦和亂流，出口壓力分布明顯不均勻(見圖11)，如此將導(dǎo)致噴嘴葉柵效率低。在機(jī)組長期不供熱時(shí)，蒸汽全部從汽缸上半的抽汽調(diào)節(jié)閥經(jīng)過，汽缸下半接觸到的蒸汽很少，長時(shí)間運(yùn)行易造成汽缸上下半溫差過大，可能引起汽缸變形，導(dǎo)致動(dòng)靜碰磨。

圖10 抽汽調(diào)節(jié)閥后流線Figure 10 Rear flow line of steam extraction adjustment valve

圖11 抽汽調(diào)節(jié)閥后噴嘴室出口總壓Figure 11 Total exit pressure of steam extraction adjustment valve rear nozzle chamber

圖12 抽汽調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)環(huán)后流線Figure 12 Rear flow line of steam extraction adjustment rotating ring

圖13 抽汽調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)環(huán)后噴嘴室出口總壓Figure 13 Total exit pressure of steam extraction adjustment rotating ring rear nozzle chamber

3 結(jié)論

經(jīng)過對比，采用轉(zhuǎn)環(huán)抽汽的中壓供熱方案在空間結(jié)構(gòu)、流量調(diào)節(jié)、氣動(dòng)性能等方面，比常規(guī)方案具有明顯優(yōu)勢，新方案還能提高汽輪機(jī)的可靠性和運(yùn)行穩(wěn)定性，簡化抽汽部件的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化控制系統(tǒng)的配置，降低產(chǎn)品制造和配套成本。在當(dāng)前汽輪機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的形勢下，轉(zhuǎn)環(huán)抽汽方案有望替代常規(guī)的抽汽調(diào)節(jié)閥，成為中壓供熱領(lǐng)域新的主流技術(shù)，推動(dòng)熱電聯(lián)供產(chǎn)業(yè)的技術(shù)變革。