淺析660MW超超臨界汽輪機(jī)高壓主汽閥及調(diào)節(jié)閥布置形式與汽缸切向進(jìn)汽技術(shù)

金亮 袁朝興

摘要：介紹了東方汽輪機(jī)有限公司660 MW超超臨界汽輪機(jī)的高壓主汽閥及調(diào)節(jié)閥創(chuàng)新布置形式和汽缸切向進(jìn)汽技術(shù)，論證了東方汽輪機(jī)有限公司660 MW超超臨界汽輪機(jī)新技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，為汽輪機(jī)閥門布置形式及汽缸進(jìn)汽方式的優(yōu)化提供了參考。

關(guān)鍵詞：660 MW超超臨界汽輪機(jī);閥門創(chuàng)新布置;切向進(jìn)汽

0 引言

隨著發(fā)電行業(yè)對(duì)環(huán)境保護(hù)、排放指標(biāo)等要求的不斷提高，汽輪機(jī)亟需提高機(jī)組效率，降低熱耗，提升其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是提高汽輪機(jī)效率的關(guān)鍵，只有提高汽輪機(jī)熱端進(jìn)汽參數(shù)、優(yōu)化機(jī)組內(nèi)效率以及減少冷端排汽，才能大幅度降低流場(chǎng)損失，提升汽輪機(jī)內(nèi)效率。相關(guān)研究表明，汽輪機(jī)在超超臨界參數(shù)及大容量條件下，若繼續(xù)保持傳統(tǒng)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)形式，不僅不會(huì)降低流場(chǎng)損失，反而會(huì)因參數(shù)和容量提高而增加流場(chǎng)損失。因此，研究分析汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)，采用先進(jìn)結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)，提高機(jī)組效率，是汽輪機(jī)技術(shù)發(fā)展的主要方向。

本文主要針對(duì)660 MW超超臨界汽輪機(jī)閥門布置及汽缸進(jìn)汽方式進(jìn)行研究，閥門布置形式和汽缸進(jìn)汽方式是汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，不同的閥門布置形式和進(jìn)汽方式與汽輪機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性有著直接關(guān)系。

1 閥門布置形式及發(fā)展趨勢(shì)

1.1? ? 高壓主汽閥、調(diào)節(jié)閥的傳統(tǒng)布置

早期國內(nèi)660 MW汽輪機(jī)的高壓主汽閥、調(diào)節(jié)閥由2個(gè)主汽閥帶4個(gè)調(diào)節(jié)閥組成，布置在汽輪機(jī)機(jī)頭側(cè)，采用吊架將高壓主汽閥、調(diào)節(jié)閥懸掛起來，同時(shí)采用較長的主汽導(dǎo)管將高溫高壓蒸汽引入汽輪機(jī)中，高壓主汽閥傳統(tǒng)布置方式如圖1所示。

近年來，電廠對(duì)汽輪機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性要求越來越高，對(duì)閥門、管道和汽缸進(jìn)、排汽腔室的流動(dòng)損失也非常關(guān)注，已成為提升汽輪機(jī)產(chǎn)品性能的關(guān)鍵之一。

1.2? ? 高壓主汽閥、調(diào)節(jié)閥的創(chuàng)新布置

隨著技術(shù)不斷發(fā)展、創(chuàng)新，人們著重研究高壓主汽閥、調(diào)節(jié)閥的布置型式，解決了閥門布置離汽輪機(jī)較遠(yuǎn)以及汽缸進(jìn)汽方式的問題，對(duì)于節(jié)能減排、降本增效具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

高壓主汽閥、調(diào)節(jié)閥的創(chuàng)新布置方式：高壓主汽閥、調(diào)節(jié)閥由2個(gè)主汽閥與2個(gè)調(diào)節(jié)閥組成，臥式布置在汽輪機(jī)兩側(cè)，采用浮動(dòng)支撐方式，同時(shí)取消了進(jìn)汽導(dǎo)管。高溫高壓蒸汽通過閥門直接進(jìn)入汽輪機(jī)，蒸汽經(jīng)螺旋形蝸殼流入高壓第一級(jí)，高壓內(nèi)外缸有水平中分面，左右進(jìn)汽口分別布置在水平中分面上下，高壓主汽閥水平布置方式如圖2所示。

1.3? ? 高壓主汽閥、調(diào)節(jié)閥布置形式對(duì)比

高壓主汽閥、調(diào)節(jié)閥布置形式對(duì)比如表1所示。

由表1可知，高壓主汽閥、調(diào)節(jié)閥布置位置的發(fā)展趨勢(shì)都是就近布置在機(jī)組兩側(cè)，同時(shí)進(jìn)汽方式采用切向全周進(jìn)汽方式。閥門布置在汽缸兩側(cè)，以盡量減小管道的壓力損失，同時(shí)降低特殊管材的采購、制造、加工成本，有利于降低電廠的初次投入成本。

2 閥門創(chuàng)新布置形式、汽缸切向進(jìn)汽技術(shù)介紹

根據(jù)國內(nèi)、外閥門結(jié)構(gòu)技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)，本文對(duì)660 MW超超臨界汽輪機(jī)的閥門布置和汽缸進(jìn)汽方式進(jìn)行了研究，從結(jié)構(gòu)、布置方式、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行論述，具體內(nèi)容如下：

2.1? ? 主要技術(shù)特征

2.1.1? ? 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）高壓主汽閥、調(diào)節(jié)閥就近布置在汽缸兩側(cè)，臥式布置;（2）切向進(jìn)汽，進(jìn)汽管分布在汽缸左右兩側(cè);（3）取消高壓主汽導(dǎo)管，實(shí)現(xiàn)進(jìn)汽管和導(dǎo)汽管功能二合一的設(shè)計(jì)理念;（4）閥門與汽缸采用剛性連接，同時(shí)采用浮動(dòng)支撐方式。

2.1.2? ? 技術(shù)難點(diǎn)

（1）切向進(jìn)汽氣動(dòng)分析，如果氣體流動(dòng)方向與汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不一致，容易產(chǎn)生附加損失;（2）螺旋形蝸殼流道形狀設(shè)計(jì)，如果汽缸進(jìn)汽腔室不是螺旋形蝸殼形狀，容易產(chǎn)生較大的氣流阻力;（3）進(jìn)汽管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需考慮穿過高壓外缸、內(nèi)缸，涉及熱位移等;（4）高壓內(nèi)、外缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要考慮空間、密封以及相對(duì)熱位移對(duì)進(jìn)汽管的影響;（5）閥門布置與基礎(chǔ)關(guān)系，需要結(jié)合電廠管道布置及基礎(chǔ)確定開槽位置;（6）高壓主汽閥、調(diào)節(jié)閥的支撐與汽缸、閥門的穩(wěn)定性分析，若模型建立不準(zhǔn)確，會(huì)影響汽輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性;（7）汽缸、閥門的安裝、拆取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，閥門臥式布置，安裝、拆卸難度較大。

2.1.3? ? 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）結(jié)構(gòu)緊湊，閥門就近安裝;（2）技術(shù)先進(jìn)，流動(dòng)損失小;（3）采用專業(yè)的安裝、拆卸工具，現(xiàn)場(chǎng)安裝維護(hù)方便;（4）生產(chǎn)制造成本低，電廠造價(jià)費(fèi)用少。

2.2? ? 主要技術(shù)內(nèi)容

2.2.1? ? 高壓主汽閥、調(diào)節(jié)閥

高壓主汽閥、調(diào)節(jié)閥門布置位置由機(jī)頭側(cè)改為就近布置在汽缸兩側(cè)，在運(yùn)行平臺(tái)上，左、右閥門上下切向進(jìn)汽，汽缸腔室設(shè)計(jì)為蝸殼形狀。蝸殼流道由CFD數(shù)值分析計(jì)算確定。閥門布置與汽輪機(jī)檢修、安裝和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有關(guān)。高壓主汽閥、調(diào)節(jié)閥由機(jī)頭側(cè)改為就近布置在汽缸兩側(cè)運(yùn)行平臺(tái)上切向進(jìn)汽后，汽缸下部進(jìn)汽的閥門離汽輪機(jī)運(yùn)行平臺(tái)之間的距離較小，閥門需布置在基礎(chǔ)開孔線內(nèi)，油動(dòng)機(jī)低于運(yùn)行平臺(tái)。油動(dòng)機(jī)及油動(dòng)機(jī)的拆卸空間可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上局部開槽設(shè)置。高壓閥門浮動(dòng)支撐如圖3所示。

2.2.2? ? 進(jìn)汽管結(jié)構(gòu)

進(jìn)汽管采用插管方式，閥門直接設(shè)在汽缸上，如圖4所示，結(jié)構(gòu)緊湊，漏點(diǎn)少，法蘭承壓低，機(jī)組可靠性高。調(diào)節(jié)閥座與進(jìn)汽管合二為一，調(diào)節(jié)閥座直徑大小直接影響內(nèi)、外汽缸進(jìn)口尺寸，進(jìn)汽流速設(shè)計(jì)較高，可有效避免內(nèi)、外汽缸進(jìn)汽口尺寸設(shè)計(jì)過大的問題。

2.2.3? ? 閥門支撐

高壓主汽閥、調(diào)節(jié)閥水平臥式布置，采用彈簧浮動(dòng)支架支撐，如圖5所示。浮動(dòng)支架能吸收3個(gè)方向的熱位移，閥門與汽缸剛性連接，閥門自重由支架承受，閥門隨汽輪機(jī)浮動(dòng)。閥門支撐點(diǎn)應(yīng)充分考慮閥門的穩(wěn)定性和對(duì)汽缸的力矩作用，避免閥門附加給汽缸的作用力過大而帶來汽缸變形、機(jī)組振動(dòng)等問題。

2.2.4? ? 管道推力及限制條件

浮動(dòng)式閥門管道推力計(jì)算邊界在汽缸接口處。閥門隨設(shè)計(jì)院主蒸汽管道一起聯(lián)算，汽機(jī)廠提供閥門準(zhǔn)確的簡化模型，由設(shè)計(jì)院進(jìn)行管道聯(lián)算工作。汽機(jī)廠核算確認(rèn)，最終進(jìn)行浮動(dòng)支架的設(shè)計(jì)。

2.2.5? ? 閥門管道壓損

閥門就近布置在汽機(jī)兩側(cè)，省掉了導(dǎo)汽管，減少了導(dǎo)管彎頭壓損。經(jīng)三維流場(chǎng)特性數(shù)值計(jì)算，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新前后的導(dǎo)汽管壓損系數(shù)如表2所示。

由表2可知，經(jīng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新后，汽輪機(jī)高壓主蒸汽導(dǎo)管壓損降低1.19%，提升高壓缸效率0.6%左右，有效提高了機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)降低了電廠煤耗，提升了電廠經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語

東方汽輪機(jī)有限公司660 MW機(jī)組閥門創(chuàng)新布置在汽缸兩側(cè)，同時(shí)采用切向全周進(jìn)汽、無導(dǎo)汽管結(jié)構(gòu)，大大節(jié)省了生產(chǎn)制造成本，同時(shí)還縮短了汽機(jī)房長度，降低了初始投入成本，該設(shè)計(jì)滿足機(jī)組安全性要求，符合國家節(jié)能減排要求，為電廠創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 劉雄，袁永強(qiáng)，黃果，等.東方新超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J].東方汽輪機(jī)，2015（2）：7-12.

收稿日期：2020-07-06

作者簡介：金亮（1987—），男，陜西人，工程師，研究方向：汽輪機(jī)設(shè)計(jì)。