EPR汽輪機(jī)低壓內(nèi)外缸相對初始安裝位置的改進(jìn)分析

王華龍，楊宏飛，李旭

（中廣核工程有限公司，臺山工程項(xiàng)目部，廣東　臺山，529228）

EPR汽輪機(jī)低壓內(nèi)外缸相對初始安裝位置的改進(jìn)分析

王華龍，楊宏飛，李旭

（中廣核工程有限公司，臺山工程項(xiàng)目部，廣東臺山，529228）

對于臺山項(xiàng)目EPR汽輪機(jī)低壓內(nèi)、外缸相對初始安裝位置，供應(yīng)商給出了2種不同方案。1種方案是LP1/LP2/ LP3低壓外缸中心線相對于各自對應(yīng)的低壓內(nèi)缸中心線分別往發(fā)電機(jī)側(cè)偏移+6.00 mm、+3.00 mm、+0.00 mm；另1種方案是3個(gè)低壓內(nèi)、外缸中心線分別重合。文章根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際環(huán)境溫度，采用分段法計(jì)算了低壓內(nèi)缸在正常運(yùn)行狀態(tài)下的熱膨脹量。通過分析低壓內(nèi)、外缸采用各種相對初始安裝位置后O型柔性密封環(huán)在正常運(yùn)行時(shí)的軸向熱膨脹補(bǔ)償量，提出了比現(xiàn)有方案更佳的改進(jìn)建議方案，可為后續(xù)項(xiàng)目提供一些參考。

EPR汽輪機(jī)，安裝位置，分段法，O型柔性密封環(huán)

0　引言

隨著人類對核電安全性和經(jīng)濟(jì)性要求的提高，核電機(jī)組不斷升級換代。在此背景下，三代大容量EPR機(jī)組應(yīng)運(yùn)而生。作為國內(nèi)首臺EPR汽輪機(jī)，臺山核電汽輪機(jī)是目前世界上單機(jī)容量及尺寸最大的汽輪機(jī)，其在凝汽器、低壓外缸、低壓內(nèi)缸連接設(shè)置上有以下特點(diǎn)：

（1）為了消除低壓外缸自重以及作用在外缸上的大氣壓力傳遞至汽輪發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)平臺上，進(jìn)而放寬平臺的承載要求，3個(gè)外缸通過聯(lián)接板分別剛性焊接在凝汽器3個(gè)喉部上，并在熱工況下隨凝汽器一起膨脹；

（2）為了保證低壓內(nèi)、外缸前后端結(jié)合處的密封性，防止外部空氣漏入而影響凝汽器真空，在內(nèi)、外缸前后端設(shè)置了O型柔性密封環(huán) （見圖1）。

圖1　O型柔性密封環(huán)設(shè)置示意圖

由于內(nèi)缸和凝汽器-外缸的膨脹死點(diǎn)、熱膨脹量及膨脹方向不盡相同，故O型柔性密封環(huán)除了起密封作用外，還要能吸收內(nèi)、外缸間的自由熱膨脹差。為了減少密封環(huán)在安裝和運(yùn)行狀態(tài)下的補(bǔ)償量，延長其使用壽命，減少大修時(shí)間及費(fèi)用，需要通過分析密封環(huán)在正常運(yùn)行狀態(tài)下的熱補(bǔ)償量，來確定低壓內(nèi)、外缸間最佳的相對初始安裝位置。

本文通過采用分段法近似計(jì)算了低壓內(nèi)缸在正常運(yùn)行狀態(tài)下的熱膨脹量，進(jìn)而分析了低壓內(nèi)、外缸采用不同相對初始安裝位置后O型柔性密封環(huán)在正常運(yùn)行狀態(tài)下的軸向熱膨脹補(bǔ)償量，得出了一個(gè)更佳的內(nèi)、外缸相對初始安裝位置。

1　EPR汽輪機(jī)低壓內(nèi)缸和凝汽器-低壓外缸間的布置

EPR汽輪機(jī)有3個(gè)低壓模塊，每個(gè)模塊有1個(gè)內(nèi)缸和1個(gè)外缸。3個(gè)低壓內(nèi)缸通過前后端臺板支撐在基礎(chǔ)平臺上，并各有1個(gè)膨脹死點(diǎn)設(shè)置在前端。3個(gè)低壓外缸通過聯(lián)接板剛性焊接在3個(gè)凝汽器喉部上，以凝汽器中心線上的死點(diǎn)為膨脹起始點(diǎn)。為了將內(nèi)缸和凝汽器-外缸結(jié)合處密封起來，在各個(gè)模塊前后端設(shè)置了O型柔性密封環(huán)，用其來補(bǔ)償前后端內(nèi)、外缸間的熱膨脹位移差 （本文主要討論軸向熱膨脹位移差）。具體布置見圖2。

圖2　低壓內(nèi)缸和凝汽器-低壓外缸布置圖

2　EPR汽輪機(jī)低壓內(nèi)、外缸在正常運(yùn)行狀態(tài)下的熱膨脹量

EPR汽輪機(jī)低壓內(nèi)缸分為低壓進(jìn)汽腔室、第2級排汽腔室、第4級排汽腔室和低壓缸排汽室共7個(gè)獨(dú)立腔室，在各室中的蒸汽分別為低壓進(jìn)汽、第2級排汽、第4級排汽和低壓缸排汽，其物理尺寸和蒸汽溫度分別如圖3所示。

在此采用分段法計(jì)算低壓內(nèi)缸在正常運(yùn)行狀態(tài)下的熱膨脹量，即按腔室將內(nèi)缸分為7段，并對各段選取不同的熱膨脹溫度進(jìn)行計(jì)算。

圖3　低壓內(nèi)缸腔室分布圖

為了提高低壓內(nèi)缸效率，設(shè)計(jì)方在內(nèi)缸外表面設(shè)計(jì)了隔熱板，設(shè)計(jì)隔熱板后低壓內(nèi)缸傳熱情況如圖4所示。

圖4　低壓內(nèi)缸壁面?zhèn)鳠釄D

根據(jù)傳熱學(xué)原理，可列出：

其中：q為熱流密度；tf1為低壓內(nèi)缸中間部分5個(gè)腔室內(nèi)蒸汽溫度 （具體見圖3中t1、t2、t3），tw1為內(nèi)缸內(nèi)側(cè)壁溫；tw1'為內(nèi)缸外側(cè)壁溫；tw2為隔熱板內(nèi)側(cè)壁溫；tw2'為隔熱板外側(cè)壁溫；tf2為低壓缸排汽溫度 （具體見圖3中t4）；δ1為低壓內(nèi)缸壁厚（25～320 mm）；δ2為隔熱蒸汽厚度 （40 mm）；δ3為隔熱板厚度 （2 mm）；λ1為內(nèi)缸材料導(dǎo)熱系數(shù) （對于低合金鋼Q345，20℃時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)λ=44.55 W/（m·K），100℃時(shí)，λ=42.95 W/（m·K），200℃時(shí)，λ=41.02 W/（m·K）［1］）；λ2為隔熱蒸汽導(dǎo)熱系數(shù)（取λ=0.023 W/（m·K）［2］）；λ3為隔熱板材料導(dǎo)熱系數(shù) （對于碳素鋼Q195，20℃時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)λ=72.0 W/（m·K），100℃時(shí)，λ=68.0 W/（m·K），200℃時(shí)，λ=60.0 W/（m·K）［3］）；h1為內(nèi)側(cè)換熱系數(shù) （取h=500～3 500 W/（m2·K）［2］），h2為外側(cè)換熱系數(shù)。

由于隔熱蒸汽熱阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他熱阻，通過簡要計(jì)算可得tw1≈tw1'≈tf1，即可認(rèn)為內(nèi)缸缸壁溫度在厚度方向上均勻，并等于內(nèi)缸內(nèi)蒸汽溫度。

根據(jù)熱膨脹量計(jì)算公式ΔL=L×a×Δt可求得低壓內(nèi)缸在正常運(yùn)行狀態(tài)下的熱膨脹量：

其中：a1，a2，a3，a4為低壓內(nèi)缸各段材料的熱膨脹系數(shù) （對于低合金鋼Q345，20～100°C時(shí)，熱膨脹系數(shù)a=8.31×10-6/°C，20～200°C時(shí)a=10.99× 10-6/°C［1］）；ta為環(huán)境溫度 （取25℃）。

3個(gè)低壓外缸通過聯(lián)接板剛性焊接在凝汽器喉部，同樣根據(jù)公式ΔL=L×a×ΔT可求得各低壓外缸前后端熱膨脹量 （見圖5）：

其中，a為低壓外缸材料熱膨脹系數(shù) （對于碳素鋼Q235，20～100°C時(shí)，取a=12.00×10-6/°C［3］。

圖5　低壓外缸膨脹圖

3　低壓內(nèi)、外缸兩端O型柔性密封環(huán)軸向熱膨脹補(bǔ)償量

O型柔性密封環(huán)安裝在低壓內(nèi)、外缸密封法蘭面間，其軸向熱膨脹補(bǔ)償量等于內(nèi)、外缸法蘭密封面的錯(cuò)位量。為便于計(jì)算，做如下定義：

a、b、c分別表示低壓外缸中心線在安裝初始狀態(tài)時(shí)相對于低壓內(nèi)缸中心線的偏移值，以外缸靠右為正。ΔX1q、ΔX1h、ΔX2q、ΔX2h、ΔX3q、ΔX3h分別表示低壓內(nèi)、外缸前后端法蘭密封面的相對位移，具體見圖6。

通過分析，可得：

LP1前側(cè)相對位移：ΔX1q=ΔL1q-a=2.25-a；

LP1后側(cè)相對位移：ΔX1h=ΔL+ΔL1h-a=3.54+ 100-a=4.54-a；

LP2前側(cè)相對位移：ΔX2q=ΔL2q-b=0.63-b；

LP2后側(cè)相對位移：ΔX2h=ΔL-ΔL2h-b=3.54-0.63-b=2.91-b；

LP3前側(cè)相對位移：ΔX3q=-ΔL3q-c=-1.00-c；

LP3后側(cè)相對位移：ΔX3h=ΔL-ΔL3h-c=3.54-2.25-c=1.29-c。

通過代入不同的安裝初始狀態(tài)值，可求得3個(gè)低壓內(nèi)、外缸前后端法蘭密封面在正常運(yùn)行狀態(tài)下的軸向錯(cuò)位量，即O型柔性密封環(huán)軸向熱膨脹補(bǔ)償量。3個(gè)低壓內(nèi)、外缸前后端法蘭密封面在安裝狀態(tài)下及正常運(yùn)行狀態(tài)下錯(cuò)位位移分別見表1、表2和表3。

表1　LP1內(nèi)、外缸前后端法蘭密封面錯(cuò)位位移

續(xù)表

表2　LP2內(nèi)、外缸前后端法蘭密封面錯(cuò)位位移

續(xù)表

表3　LP3內(nèi)、外缸前后端法蘭密封面錯(cuò)位位移

4　分析和總結(jié)

如果按照供應(yīng)商第1種方案，即LP1、LP2和LP3 3個(gè)低壓外缸中心線相對各對應(yīng)低壓內(nèi)缸中心線分別往電機(jī)側(cè)偏移+6 mm，+3 mm和+0 mm，則對于LP1模塊，在安裝狀態(tài)時(shí)O型柔性密封環(huán)需軸向補(bǔ)償6 mm，在正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)要軸向補(bǔ)償3.75 mm；對于LP2模塊，在安裝狀態(tài)時(shí)密封環(huán)需軸向補(bǔ)償3 mm，在正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)要軸向補(bǔ)償2.37 mm；對于LP3模塊，在安裝狀態(tài)時(shí)密封環(huán)需軸向補(bǔ)償0 mm，在正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)要軸向補(bǔ)償1.29 mm。

而如果按照供應(yīng)商第2種方案，即LP1、LP2、LP3 3個(gè)低壓內(nèi)、外缸中心線分別重合，則在安裝狀態(tài)時(shí)O型柔性密封環(huán)無拉扭，而在正常運(yùn)行狀態(tài)下LP1、LP2和LP3密封環(huán)分別需軸向補(bǔ)償4.54 mm、2.91 mm和1.29 mm。

從表1～表3中，可輕易發(fā)現(xiàn)此2種方案不是最佳方案。對于LP1模塊，如選擇a=+2.5 mm，則O型密封環(huán)在安裝狀態(tài)及正常運(yùn)行狀態(tài)下軸向補(bǔ)償量可控制在2.5 mm以內(nèi)；對于LP2模塊，如選擇b=+1.5 mm，則密封環(huán)在安裝狀態(tài)及正常運(yùn)行狀態(tài)下軸向補(bǔ)償量可控制在1.5 mm以內(nèi)；對于LP3模塊，如同樣按照現(xiàn)有方案選擇c=0，則密封環(huán)在安裝狀態(tài)及正常運(yùn)行狀態(tài)下軸向補(bǔ)償量可控制在1.29 mm以內(nèi)。

如果O型柔性密封環(huán)拉扭太大，其壽命將會大大減少，運(yùn)行中可能出現(xiàn)漏氣使背壓上升進(jìn)而造成非計(jì)劃性停機(jī)。另外，安裝期間是將整圈密封環(huán)放入后再吊入內(nèi)缸的，如大修中要更換，則需割斷低壓進(jìn)汽管、抽汽管及油管后將內(nèi)缸吊出，再將整圈密封環(huán)放入，其工作量巨大，或者將密封環(huán)剪斷后放入，再硫化粘結(jié)兩端。雖可減少維修工作量，但接頭處可能存在漏氣風(fēng)險(xiǎn)，其弊端多多。故建議3個(gè)低壓外缸中心線相對于3個(gè)低壓內(nèi)缸中心線在安裝時(shí)分別往發(fā)電機(jī)側(cè)偏移+2.5 mm、+1.5 mm和+0 mm，盡量提高密封環(huán)使用壽命。

［1］譚真，郭廣文.工程合金熱物性［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1994

［2］楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2006

［3］陸明炯.實(shí)用機(jī)械工程材料手冊［M］.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2004

Improvement Advice for Relative Assembly Position between LP Inner and Outer Casings of EPR Turbine

Wang Hualong，Yang Hongfei，Li Xu

（Taishan Project Department，China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Taishan Guangdong，529228）

The supplier has given two schemes for the relative assembly position between LP inner and outer casings of Taishan EPR turbine.One is the center line of LP1/LP2/LP3 outer casings moving by+6.00 mm，+3.00 mm，+0.00 mm respectively towards generator from the center line of corresponding LP inner casings，the other one is the center lines of three LP outer casings coinciding with the center line of corresponding LP inner casings.The thermal expansion value of LP inner casing has been calculated by fractionation method based on the Taishan local environment temperature.Through assuming different relative assembly position，the axial thermal expansion compensation by O type flexible sealing ring between LP inner and outer casings in normal operation is analyzed.A better scheme is concluded which will be useful for following projects.

EPR turbine，assembly position，fractionation method，O type flexible sealing ring

TK266

A

1674-9987（2015）02-0013-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.02.003

王華龍 （1985-），男，碩士研究生，工程師，畢業(yè)于華中科技大學(xué)，現(xiàn)主要從事核電站汽輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。