黃國輝

（廣州廣重企業(yè)集團有限公司，廣州 511495）

0 引言

某30 MW高溫高壓機組在最初開發(fā)時，還是沿用國外引進技術，采用高效沖動直葉、小反動度扭葉、小根徑、低壓損配汽調門、內外缸及外導汽管配汽結構形式，如圖1（a）所示。目前行業(yè)內的汽輪機對效率的提高途徑，在熱力計算方面幾乎已經挖盡了理論系數(shù)，而得到的效果也不是很理想。為了更多地提高機組效率，開始在結構及工藝上做文章，因而本文提出取消外導汽管配汽結構的設計措施，這在同類型的機組中還未見到過，而且越來越多工程技術人員也開展了管道壓損計算方法的研究和數(shù)值數(shù)據(jù)分析，對蒸汽在管道中壓降的計算方法也有研究，包括直管、異徑頭、彎頭等典型管路［1］。從諸多專業(yè)技術人員的實踐研究及計算方法表明，高壓管道由于在制造工藝上、管道布置上等結構原因，蒸汽流經處必然會存在一定壓力損失，而這種損失直接帶來機組實際使用效率的降低。故本文對某30 MW高溫高壓汽輪機在結構上及熱力性能上計算比較分析，給出取消外導汽管的可行性及效益性，為同類型汽輪機取消外導汽管在結構設計上及性能計算上提供優(yōu)化案例，也為機組提高效率途徑開拓思路。

1 配汽結構

本文所述的汽輪機導汽管是指蒸汽進入到調門后，經過各個配汽噴咀分配送到內汽缸中途的導汽管道，而內外汽缸的結構設計目的是因為進汽壓力太高，外汽缸的壓差太大，為了避免采用過厚的壁厚及貴金屬材料，從而增加一套內缸，以減輕內、外汽缸的壓差，同時減薄壁厚［2］。這種類型的汽輪機為了保證轉子的受力均勻性，都采用內汽缸上下半進汽的配汽結構方式。傳統(tǒng)配汽結構的下半進汽都采用兩個外連的對稱布置的導汽管彎到汽缸底部再進入到內汽缸下部［3］，如圖1（a）所示，而新開發(fā)改進的配汽結構方式是導汽管直接從外汽缸上半伸至內汽缸下半，如圖1（b）所示。

圖1 兩種配汽結構對比

2 結構利弊分析

傳統(tǒng)結構的外導汽管，其由上下兩段導汽管通過拼焊及法蘭聯(lián)接一起，此類結構對于高溫高壓機組來說存在比較多的安全隱患。在結構上，法蘭嚴密性、管及密封片材質的可靠性、焊接工藝性，還有管路、彎頭的布置都對機組運行有影響。其中管道的布置必須左右對稱，以抵消管道熱應力引起徑向推力，同時還需要計算管道的軸向推力，并在合理位置布置支撐點和冷態(tài)安裝預拉量工序。如果管道布置不合理，必然會產生額外的推力并引起機組振動［4］。在熱力性能方面，管道需要計算出壓損，并從機組能效上減去管道壓損引起的能效損失，給機組能效帶來不利因素，而且還需要對高壓管道進行保溫措施。這些都是理論上的量化值，往往很難全面都控制到。某一方面不滿足就極有可能引發(fā)生安全事故、機組故障或效率難以到達預期，但此結構在制造安裝工藝比較簡單。

優(yōu)化結構是將原來的外導汽管直接布置在汽缸內部，由外汽缸上半直伸到內汽缸下半。為了達到相同的配汽效果，避免把調門設計過寬，重新優(yōu)化配汽噴咀及油動機，使得優(yōu)化后的調門寬度和外汽缸反而相對變窄，只是內汽缸需要在上半布置同樣數(shù)量的配汽通道及其內部結構做寬度優(yōu)化，而整體效果還是比傳統(tǒng)結構緊湊合理。優(yōu)化后的結構從結構上看，由于沒有外露的高壓管道，不存在類似傳統(tǒng)結構的安全隱患，同時導汽管在本體內部而且是對稱分布，不存在管道的推力問題。熱力性能方面，內外缸的溫差不大，不用設計保溫結構。導汽管變短、沒有彎頭，管道的壓損幾乎不存在［5］，但是優(yōu)化結構的內汽缸在制造及工藝上會比傳統(tǒng)結構復雜、困難。

3 數(shù)值計算結果分析

本文只對傳統(tǒng)結構蒸汽流經管道的壓損及管道的軸向推力進行計算，只因優(yōu)化結構的壓損幾乎可以忽略計算，故而軸向推力不存在。

該機組的主蒸汽額定壓力為8.83 MPa；額定溫度為535℃；調門進汽壓力為8.629 6 MPa；進汽溫度為540℃；額定流量為113.86 t／h；最大流量為144.38 t／h。機組設計時，流速v是一個很重要的指標，對閥門及管道選型有決定作用。流速決定了管道的直徑D，也決定了閥門的喉徑，關系到機組的經濟性、管道壓力損失、振動、噪聲等［6］。綜上所述，在計算管道壓損時，選用合適流速v、雷諾數(shù)和摩擦因數(shù)、彎頭阻力系數(shù)，計算出不同管段及彎頭的壓損［7］，如表1所示。

表1 外導汽管壓損計算

流速計算：

壓損計算：

等直徑管道：

式中：Q為蒸汽體積流量；K為損失系數(shù)（摩擦損失、阻力損失、流動損失等）。

導汽管的直徑計算出來后，根據(jù)最優(yōu)的管路布置方案，結合其工作溫度，還需要計算由于溫度的影響，管道存在熱應力，產生軸向推力（左右導汽管對稱布置沒有徑向推力），計算結果如表2所示。結果必須符合管道的設計要求，避免軸向力傳到機組本體上引起機組的其他故障。

表2 管路應力計算

為了保證外露管道熱量損失，還得根據(jù)管道的材料、選用的保溫材料，計算保溫層的厚度，本案例的保溫層厚度大于或等于130 mm（材質：硅酸鈣）。

對汽輪機熱耗的影響。機組運行參數(shù)的偏差通?？梢栽试S在一定范圍內，但由于結構等內部原因，參數(shù)的偏差往往有時直接影響熱力性能指標的超差，本文只研究了導汽管的壓力損失導致主蒸汽壓力偏差對整機經濟性的影響，主蒸汽壓力的降低使得機組焓降區(qū)間減小，循環(huán)效率降低，熱耗升高［8］。本機組取消外導汽管后，壓損減少為0.061 9 MPa（0.718%），所獲得的熱耗收益為0.07%，約2×6.74 kJ／（kW·h），本機組熱耗按9 629 kJ／（kW·h）。

4 結束語

由以上計算結果及熱耗收益數(shù)據(jù)分析可以看出，取消外導汽管對本類型的汽輪機在熱耗方面有較為可觀的收益，同時該改進結構能夠解決由于外導汽管的存在而引起的軸向推力對機組本體的影響和解決部分安全隱患。雖然在結構的加工及安裝上比傳統(tǒng)結構困難，但是各方面的收益卻非?？捎^。因此，在進行本類型機組的方案設計時，可以采用該改進的配汽結構，同時也使得機組的外形布置簡單化，是值得參考的結構方案。