某30 MW高溫高壓汽輪機(jī)組取消外導(dǎo)汽管結(jié)構(gòu)及熱耗分析

黃國(guó)輝

（廣州廣重企業(yè)集團(tuán)有限公司，廣州 511495）

0 引言

某30 MW高溫高壓機(jī)組在最初開發(fā)時(shí)，還是沿用國(guó)外引進(jìn)技術(shù)，采用高效沖動(dòng)直葉、小反動(dòng)度扭葉、小根徑、低壓損配汽調(diào)門、內(nèi)外缸及外導(dǎo)汽管配汽結(jié)構(gòu)形式，如圖1（a）所示。目前行業(yè)內(nèi)的汽輪機(jī)對(duì)效率的提高途徑，在熱力計(jì)算方面幾乎已經(jīng)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(jī)組效率，開始在結(jié)構(gòu)及工藝上做文章，因而本文提出取消外導(dǎo)汽管配汽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)措施，這在同類型的機(jī)組中還未見(jiàn)到過(guò)，而且越來(lái)越多工程技術(shù)人員也開展了管道壓損計(jì)算方法的研究和數(shù)值數(shù)據(jù)分析，對(duì)蒸汽在管道中壓降的計(jì)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(shù)人員的實(shí)踐研究及計(jì)算方法表明，高壓管道由于在制造工藝上、管道布置上等結(jié)構(gòu)原因，蒸汽流經(jīng)處必然會(huì)存在一定壓力損失，而這種損失直接帶來(lái)機(jī)組實(shí)際使用效率的降低。故本文對(duì)某30 MW高溫高壓汽輪機(jī)在結(jié)構(gòu)上及熱力性能上計(jì)算比較分析，給出取消外導(dǎo)汽管的可行性及效益性，為同類型汽輪機(jī)取消外導(dǎo)汽管在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上及性能計(jì)算上提供優(yōu)化案例，也為機(jī)組提高效率途徑開拓思路。

1 配汽結(jié)構(gòu)

本文所述的汽輪機(jī)導(dǎo)汽管是指蒸汽進(jìn)入到調(diào)門后，經(jīng)過(guò)各個(gè)配汽噴咀分配送到內(nèi)汽缸中途的導(dǎo)汽管道，而內(nèi)外汽缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目的是因?yàn)檫M(jìn)汽壓力太高，外汽缸的壓差太大，為了避免采用過(guò)厚的壁厚及貴金屬材料，從而增加一套內(nèi)缸，以減輕內(nèi)、外汽缸的壓差，同時(shí)減薄壁厚［2］。這種類型的汽輪機(jī)為了保證轉(zhuǎn)子的受力均勻性，都采用內(nèi)汽缸上下半進(jìn)汽的配汽結(jié)構(gòu)方式。傳統(tǒng)配汽結(jié)構(gòu)的下半進(jìn)汽都采用兩個(gè)外連的對(duì)稱布置的導(dǎo)汽管彎到汽缸底部再進(jìn)入到內(nèi)汽缸下部［3］，如圖1（a）所示，而新開發(fā)改進(jìn)的配汽結(jié)構(gòu)方式是導(dǎo)汽管直接從外汽缸上半伸至內(nèi)汽缸下半，如圖1（b）所示。

圖1 兩種配汽結(jié)構(gòu)對(duì)比

2 結(jié)構(gòu)利弊分析

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的外導(dǎo)汽管，其由上下兩段導(dǎo)汽管通過(guò)拼焊及法蘭聯(lián)接一起，此類結(jié)構(gòu)對(duì)于高溫高壓機(jī)組來(lái)說(shuō)存在比較多的安全隱患。在結(jié)構(gòu)上，法蘭嚴(yán)密性、管及密封片材質(zhì)的可靠性、焊接工藝性，還有管路、彎頭的布置都對(duì)機(jī)組運(yùn)行有影響。其中管道的布置必須左右對(duì)稱，以抵消管道熱應(yīng)力引起徑向推力，同時(shí)還需要計(jì)算管道的軸向推力，并在合理位置布置支撐點(diǎn)和冷態(tài)安裝預(yù)拉量工序。如果管道布置不合理，必然會(huì)產(chǎn)生額外的推力并引起機(jī)組振動(dòng)［4］。在熱力性能方面，管道需要計(jì)算出壓損，并從機(jī)組能效上減去管道壓損引起的能效損失，給機(jī)組能效帶來(lái)不利因素，而且還需要對(duì)高壓管道進(jìn)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(jī)組故障或效率難以到達(dá)預(yù)期，但此結(jié)構(gòu)在制造安裝工藝比較簡(jiǎn)單。

優(yōu)化結(jié)構(gòu)是將原來(lái)的外導(dǎo)汽管直接布置在汽缸內(nèi)部，由外汽缸上半直伸到內(nèi)汽缸下半。為了達(dá)到相同的配汽效果，避免把調(diào)門設(shè)計(jì)過(guò)寬，重新優(yōu)化配汽噴咀及油動(dòng)機(jī)，使得優(yōu)化后的調(diào)門寬度和外汽缸反而相對(duì)變窄，只是內(nèi)汽缸需要在上半布置同樣數(shù)量的配汽通道及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)做寬度優(yōu)化，而整體效果還是比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊合理。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)上看，由于沒(méi)有外露的高壓管道，不存在類似傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安全隱患，同時(shí)導(dǎo)汽管在本體內(nèi)部而且是對(duì)稱分布，不存在管道的推力問(wèn)題。熱力性能方面，內(nèi)外缸的溫差不大，不用設(shè)計(jì)保溫結(jié)構(gòu)。導(dǎo)汽管變短、沒(méi)有彎頭，管道的壓損幾乎不存在［5］，但是優(yōu)化結(jié)構(gòu)的內(nèi)汽缸在制造及工藝上會(huì)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、困難。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

本文只對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)蒸汽流經(jīng)管道的壓損及管道的軸向推力進(jìn)行計(jì)算，只因優(yōu)化結(jié)構(gòu)的壓損幾乎可以忽略計(jì)算，故而軸向推力不存在。

該機(jī)組的主蒸汽額定壓力為8.83 MPa；額定溫度為535℃；調(diào)門進(jìn)汽壓力為8.629 6 MPa；進(jìn)汽溫度為540℃；額定流量為113.86 t／h；最大流量為144.38 t／h。機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，流速v是一個(gè)很重要的指標(biāo)，對(duì)閥門及管道選型有決定作用。流速?zèng)Q定了管道的直徑D，也決定了閥門的喉徑，關(guān)系到機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性、管道壓力損失、振動(dòng)、噪聲等［6］。綜上所述，在計(jì)算管道壓損時(shí)，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(jì)算出不同管段及彎頭的壓損［7］，如表1所示。

表1 外導(dǎo)汽管壓損計(jì)算

流速計(jì)算：

壓損計(jì)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(dòng)損失等）。

導(dǎo)汽管的直徑計(jì)算出來(lái)后，根據(jù)最優(yōu)的管路布置方案，結(jié)合其工作溫度，還需要計(jì)算由于溫度的影響，管道存在熱應(yīng)力，產(chǎn)生軸向推力（左右導(dǎo)汽管對(duì)稱布置沒(méi)有徑向推力），計(jì)算結(jié)果如表2所示。結(jié)果必須符合管道的設(shè)計(jì)要求，避免軸向力傳到機(jī)組本體上引起機(jī)組的其他故障。

表2 管路應(yīng)力計(jì)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(jì)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(zhì)：硅酸鈣）。

對(duì)汽輪機(jī)熱耗的影響。機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的偏差通?？梢栽试S在一定范圍內(nèi)，但由于結(jié)構(gòu)等內(nèi)部原因，參數(shù)的偏差往往有時(shí)直接影響熱力性能指標(biāo)的超差，本文只研究了導(dǎo)汽管的壓力損失導(dǎo)致主蒸汽壓力偏差對(duì)整機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響，主蒸汽壓力的降低使得機(jī)組焓降區(qū)間減小，循環(huán)效率降低，熱耗升高［8］。本機(jī)組取消外導(dǎo)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(jī)組熱耗按9 629 kJ／（kW·h）。

4 結(jié)束語(yǔ)

由以上計(jì)算結(jié)果及熱耗收益數(shù)據(jù)分析可以看出，取消外導(dǎo)汽管對(duì)本類型的汽輪機(jī)在熱耗方面有較為可觀的收益，同時(shí)該改進(jìn)結(jié)構(gòu)能夠解決由于外導(dǎo)汽管的存在而引起的軸向推力對(duì)機(jī)組本體的影響和解決部分安全隱患。雖然在結(jié)構(gòu)的加工及安裝上比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)困難，但是各方面的收益卻非常可觀。因此，在進(jìn)行本類型機(jī)組的方案設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用該改進(jìn)的配汽結(jié)構(gòu)，同時(shí)也使得機(jī)組的外形布置簡(jiǎn)單化，是值得參考的結(jié)構(gòu)方案。