F級(jí)二拖一聯(lián)合循環(huán)抽凝背汽輪機(jī)的開(kāi)發(fā)

0 前 言

為了滿足電廠供熱最大化的要求，上海電氣開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的抽凝背（NCB）汽輪機(jī)用于北京草橋項(xiàng)目。通過(guò)實(shí)現(xiàn)低壓缸在線解列與并列，使機(jī)組的運(yùn)行方式更適應(yīng)最大限度地提高供熱能力。冬季供熱工況時(shí)，供熱初期，在汽輪機(jī)最大抽汽量可滿足供熱負(fù)荷需要的情況下，汽輪機(jī)采用抽凝方式運(yùn)行；在汽輪機(jī)最大抽汽量不能滿足供熱負(fù)荷需要時(shí)，采用低壓缸解列，高中壓缸背壓運(yùn)行，其中壓排汽及低壓主汽全部用于加熱熱網(wǎng)加熱器。該汽輪機(jī)為三壓再熱、反動(dòng)式、雙缸雙排汽、單軸、抽凝背聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)，型號(hào)為L(zhǎng)ZC(B)266-12.5/0.4/545/540。以下從總體布置和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)兩方面，對(duì)該汽輪機(jī)進(jìn)行介紹。

1 總體布置

1.1 雙缸五支點(diǎn)軸系支撐結(jié)構(gòu)

該聯(lián)合循環(huán)項(xiàng)目采用F級(jí)燃機(jī)“二拖一”配置，汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)分軸布置，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 汽輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

本汽輪機(jī)采用雙缸布置方案，其高中壓合缸、對(duì)流布置，低壓雙流、向下排汽。為了實(shí)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子的在線解列與并列，高中壓缸與低壓缸之間設(shè)置自同步離合器，整體布置如圖1所示。

圖1 F級(jí)二拖一聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)的布置

為了滿足上述汽輪機(jī)布置方式，通過(guò)對(duì)其軸系動(dòng)力特性進(jìn)行分析[1]，本機(jī)組采用了一種全新的軸系支撐結(jié)構(gòu)——雙缸五支點(diǎn)結(jié)構(gòu)。如圖2所示，軸系從發(fā)電機(jī)端看向汽輪機(jī)，依次為高中壓轉(zhuǎn)子、中間軸、自同步離合器、低壓轉(zhuǎn)子。高中壓轉(zhuǎn)子前后分別設(shè)置高中壓前軸承和高中壓后軸承兩個(gè)徑向軸承；低壓轉(zhuǎn)子前后分別設(shè)置低壓前軸承和低壓后軸承兩個(gè)徑向軸承。為了保護(hù)自同步離合器，軸系中布置了中間軸，并在中間軸的自同步離合器端設(shè)置一個(gè)輕載徑向軸承，即離合器軸承，與以上四個(gè)徑向軸承一起組成五支點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)。為了平衡汽機(jī)轉(zhuǎn)子軸向推力，高中壓轉(zhuǎn)子汽機(jī)端的高中壓后軸承為徑向推力聯(lián)合軸承，低壓轉(zhuǎn)子在汽機(jī)端設(shè)置獨(dú)立的低壓推力軸承。以上兩處即為本機(jī)組的兩個(gè)相對(duì)死點(diǎn)，其絕對(duì)死點(diǎn)也有兩個(gè)，分別設(shè)在所在推力軸承的軸承座處。本機(jī)組發(fā)電機(jī)出軸在高中壓轉(zhuǎn)子上。

圖2 汽輪機(jī)支撐及滑銷系統(tǒng)

以上諸多有別于常規(guī)機(jī)組的設(shè)置，完全不同于汽輪機(jī)軸系及整體布置的已有概念，從而解決了此類抽凝背機(jī)組的總體布置問(wèn)題，其運(yùn)用到的技術(shù)理念對(duì)于后續(xù)類似機(jī)組將起到參考作用。

1.2 具有鎖定功能的自同步離合器

自同步離合器的主要用途是將低壓轉(zhuǎn)子的扭矩傳遞至高中壓轉(zhuǎn)子，且其傳遞力矩的方向是單向的，本機(jī)組正是通過(guò)該功能實(shí)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子的在線解列與并列。不同于F級(jí)單軸聯(lián)合循環(huán)汽機(jī)所采用的自同步離合器，該機(jī)組所配離合器具有鎖定裝置，且同時(shí)具有高速（次）和低速（主）兩套棘輪棘爪，如圖3所示。對(duì)于單軸機(jī)組來(lái)說(shuō)，由于汽機(jī)與燃機(jī)是同軸的，離合器用于連接汽機(jī)轉(zhuǎn)子與燃機(jī)—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，只有在燃機(jī)帶一定負(fù)荷后，才會(huì)沖轉(zhuǎn)汽機(jī)，因此只需要離合器的基本功能即可[2]。而對(duì)于本機(jī)組，為了簡(jiǎn)化汽輪機(jī)啟動(dòng)方式、縮短啟動(dòng)時(shí)間，高中壓模塊啟動(dòng)時(shí)，總是帶著低壓模塊一起啟動(dòng)，汽輪機(jī)只需要在盤(pán)車時(shí)，將高中壓轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子鎖定，就可以將其視為常規(guī)機(jī)組，即允許高中壓轉(zhuǎn)子將扭矩傳遞至低壓轉(zhuǎn)子而不會(huì)發(fā)生意外解列，此功能對(duì)于機(jī)組純凝/抽凝運(yùn)行的沖轉(zhuǎn)階段尤為重要。為了使離合器能夠在汽機(jī)盤(pán)車轉(zhuǎn)速附近嚙合并鎖定，除了高速（次）棘輪棘爪外，需要額外配置低速（主）棘輪棘爪（見(jiàn)圖3）。

圖3 具有鎖定功能的SSS離合器結(jié)構(gòu)

這類離合器需要在軸承座內(nèi)增設(shè)鎖定裝置油缸、油路控制電磁閥及其附屬油管路，在一定程度上會(huì)增加機(jī)組的設(shè)計(jì)難度及控制復(fù)雜程度，但它在滿足低壓缸實(shí)現(xiàn)在線解列與并列的前提下，很好地簡(jiǎn)化啟動(dòng)及停機(jī)方式，是目前這類抽凝背汽輪機(jī)的首選。

本款自同步離合器仍具有吸收汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子膨脹的功能。高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子各有自己的死點(diǎn)，并向離合器方向膨脹而產(chǎn)生差脹，自同步離合器在結(jié)構(gòu)上可以吸收這個(gè)差脹。

1.3 配汽機(jī)構(gòu)——低壓缸進(jìn)汽系統(tǒng)

本汽輪機(jī)為三壓機(jī)組，配備了三組進(jìn)汽閥門(mén)：兩套主汽閥組、兩套再熱閥組和一套補(bǔ)汽閥組。其中，主汽與再熱閥組通過(guò)法蘭直接固定在高中壓缸上，對(duì)稱布置，其間無(wú)導(dǎo)汽管連接，下方都用支架支撐自身重量，以利于汽缸熱脹，見(jiàn)圖1。閥門(mén)直接座缸，其蒸汽壓損極小、效率高。

對(duì)于抽凝背機(jī)組，由于要求低壓缸可在線并列和解列，且滿足抽汽要求，中低壓聯(lián)通管與低壓補(bǔ)汽管路上需設(shè)置一系列閥門(mén)，組成低壓缸進(jìn)汽系統(tǒng)。

該聯(lián)通管布置在機(jī)組的右側(cè)（高中壓缸看向低壓缸）。如圖4所示，中壓排汽通過(guò)聯(lián)通管，經(jīng)過(guò)低壓主汽閥、低壓調(diào)節(jié)閥和低壓?jiǎn)?dòng)調(diào)節(jié)閥，與低壓補(bǔ)汽混合，進(jìn)入低壓缸，以上閥門(mén)均為碟閥。其中低壓補(bǔ)汽管路設(shè)置了補(bǔ)汽濾網(wǎng)和低壓補(bǔ)汽閥組。

圖4 中低壓聯(lián)通管

對(duì)于本機(jī)組，在背壓工況運(yùn)行時(shí)，聯(lián)通管上的低壓主汽閥，起到隔絕低壓缸的作用，以防中排漏汽進(jìn)入低壓缸，可能造成低壓缸無(wú)法在線解列的情況發(fā)生。機(jī)組作抽凝工況運(yùn)行時(shí)，聯(lián)通管低壓調(diào)節(jié)閥起到調(diào)節(jié)低壓缸流量（功率）的作用。當(dāng)從背壓轉(zhuǎn)為凝汽/抽凝工況時(shí)，由于聯(lián)通管低壓調(diào)節(jié)閥口徑太大，缺乏小流量下一定的調(diào)節(jié)精度，需要設(shè)置聯(lián)通管啟動(dòng)調(diào)節(jié)閥單獨(dú)沖轉(zhuǎn)、啟動(dòng)低壓汽輪機(jī)。作為抽汽機(jī)組，本機(jī)熱網(wǎng)抽汽設(shè)于中排處，聯(lián)通管低壓調(diào)節(jié)閥還可以在熱電聯(lián)供時(shí)起調(diào)節(jié)抽汽壓力的作用。

由于聯(lián)通管上設(shè)置了一系列閥門(mén)，自重很大，需要在機(jī)組側(cè)面設(shè)置專門(mén)的龍門(mén)式支架，使其承受聯(lián)通管以及其上各部件的重力，并允許連通管自由膨脹。

不同于以往機(jī)組，由于不需要低壓缸蒸汽冷卻流量，且存在背壓工況，以上閥門(mén)均要求零泄漏。

1.4 軸承座——四落地軸承座結(jié)構(gòu)

該機(jī)組在高中壓轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子之間設(shè)置了中間軸，因此汽輪機(jī)采用了四軸承座結(jié)構(gòu)，高中壓缸兩端分別為前軸承座和中軸承座I，低壓缸兩端分別為中軸承座II和后軸承座。各軸承座均落地且固定于基礎(chǔ)上，軸承座材料為鑄鐵，其中自同步離合器布置于中軸承座II內(nèi)。四個(gè)軸承座除了容納軸承及支撐轉(zhuǎn)子外，高中壓外缸和低壓內(nèi)缸的前后貓爪也均支承在軸承座上并作軸向定位。這種布置方式，無(wú)需軸承座及汽缸的臺(tái)板、墊鐵結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了機(jī)組結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)安裝，尤其適用于高中壓模塊需要整體發(fā)運(yùn)的機(jī)組。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 高中壓模塊——整體內(nèi)缸技術(shù)

高中壓模塊采用雙層缸結(jié)構(gòu)，高壓24級(jí)、無(wú)調(diào)節(jié)級(jí)，中壓14級(jí)、葉片反流布置，能適應(yīng)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組快速啟停的特點(diǎn)。高中壓內(nèi)缸為整體結(jié)構(gòu)，雖然對(duì)于加工工藝及設(shè)備要求較高，但是能有效減少汽輪機(jī)內(nèi)部漏汽損失，提高機(jī)組效率。同時(shí)，采用整體內(nèi)缸，高中壓外缸承受的是中壓排汽溫度、壓力，可以顯著降低外缸承受的壓差和表面溫度，從而達(dá)到降低外缸的壁厚和材料等級(jí)，圖5為高中壓模塊的結(jié)構(gòu)。

圖5 高中壓模塊結(jié)構(gòu)

高中壓模塊除了采用整體內(nèi)缸技術(shù)外，還有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)無(wú)導(dǎo)汽管的切向進(jìn)汽技術(shù)

該模塊的高壓進(jìn)汽與中壓進(jìn)汽，經(jīng)過(guò)類似的插管結(jié)構(gòu)，蒸汽切向進(jìn)入內(nèi)缸作功，減小了蒸汽壓損，提高了效率。進(jìn)汽插管和內(nèi)缸之間由L 型密封環(huán)連接。采用這種結(jié)構(gòu)，能夠提供內(nèi)外缸在進(jìn)汽管處密封功能的同時(shí)，允許內(nèi)缸在各個(gè)方向上自由膨脹移動(dòng)，保證了機(jī)組的安全性。

(2)斜置靜葉技術(shù)

中壓第一級(jí)采用斜置靜葉，在保證機(jī)組效率的同時(shí)，可以最大限度地縮短高中壓轉(zhuǎn)子的跨距，提升機(jī)組競(jìng)爭(zhēng)力。

(3)高中壓模塊可整體發(fā)運(yùn)

由于采用特殊結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子在運(yùn)輸時(shí)與汽缸的相對(duì)位置通過(guò)專用的工具固定住，該汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)了高中壓模塊的整體發(fā)運(yùn)，這項(xiàng)技術(shù)縮短了交貨周期，同時(shí)簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)安裝，能有效減少安裝工期。

2.2 低壓模塊——內(nèi)缸落地技術(shù)

低壓模塊為雙流結(jié)構(gòu)，可以平衡軸向推力，并縮短末葉片的長(zhǎng)度，采用了三層缸的設(shè)計(jì)，即外缸、內(nèi)缸、持環(huán)，可以逐層降低溫度，減小溫差，提高機(jī)組效率、延長(zhǎng)機(jī)組壽命。低壓葉片共2×6級(jí)。

對(duì)于該汽輪機(jī)來(lái)說(shuō)，除了日常用于電網(wǎng)調(diào)峰以外，在冬季供暖時(shí)，還需要在抽、凝、背各工況之間頻繁切換，使得低壓模塊運(yùn)行極不穩(wěn)定。所以機(jī)組采用低壓內(nèi)缸直接落地，內(nèi)缸通過(guò)貓爪坐落在兩端相應(yīng)的軸承座支撐臺(tái)面上。低壓內(nèi)外缸無(wú)剛性連接，主體上是互相獨(dú)立的，這種結(jié)構(gòu)使得低壓通流可不受背壓等因素的變化影響。內(nèi)缸分為上半和下半，是焊接缸。內(nèi)缸支撐在中分面，這樣，熱位移不會(huì)影響汽缸對(duì)中。圖6所示為低壓內(nèi)外缸的結(jié)構(gòu)。

圖6 低壓內(nèi)外缸結(jié)構(gòu)

低壓模塊其他特點(diǎn)如下：

(1)外缸坐落在凝汽器上

低壓外缸由多個(gè)部分組成，便于運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)再拼焊成上下兩大部分，具有水平中分面。外缸與基礎(chǔ)分離，其下半通過(guò)焊接直接坐落在凝汽器上，大大降低了運(yùn)轉(zhuǎn)層基礎(chǔ)的負(fù)荷。同時(shí)，在頂部進(jìn)汽口、端部汽封及低壓內(nèi)缸貓爪和縱銷處均采用波紋管連接，以吸收內(nèi)外缸之間的差脹，隔離外缸變形對(duì)內(nèi)缸及轉(zhuǎn)子的不利影響。

(2)液壓盤(pán)車設(shè)備

低壓轉(zhuǎn)子的尾端設(shè)置了同軸的回轉(zhuǎn)設(shè)備，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方式。液壓馬達(dá)通過(guò)花鍵與低壓轉(zhuǎn)子的延長(zhǎng)軸連接，延長(zhǎng)軸再與低壓轉(zhuǎn)子通過(guò)螺栓連接，該延長(zhǎng)軸上同時(shí)配有低壓轉(zhuǎn)子推力盤(pán)，采用這種方式有利于簡(jiǎn)化低壓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，方便運(yùn)輸。由于采用的自同步離合器具有低速（主）棘輪棘爪結(jié)構(gòu)，汽輪機(jī)在盤(pán)車時(shí)，即能實(shí)現(xiàn)離合器的嚙合，從而達(dá)到傳遞盤(pán)車扭矩的作用，整個(gè)機(jī)組只需一套盤(pán)車裝置即可滿足要求，方便運(yùn)行。

3 小結(jié)

作為國(guó)內(nèi)首臺(tái)自主研發(fā)的抽凝背汽輪機(jī)，于2013年2月7日已通過(guò)168h可靠性試運(yùn)行，證明首次采用的一系列新技術(shù)是可靠的：雙缸五支點(diǎn)軸系支撐結(jié)構(gòu)、雙死點(diǎn)滑銷系統(tǒng)、出軸在高中壓汽輪機(jī)端、具有鎖定功能的SSS離合器、獨(dú)特的中低壓聯(lián)通管結(jié)構(gòu)及低壓缸進(jìn)汽系統(tǒng)、高中壓整體內(nèi)缸結(jié)構(gòu)以及可順利實(shí)現(xiàn)此類機(jī)組“一鍵啟?！钡目刂葡到y(tǒng)和汽輪機(jī)輔助系統(tǒng)等。

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組本身具有快速啟停、高效率、低污染等多種優(yōu)勢(shì)，此項(xiàng)技術(shù)的增加，實(shí)現(xiàn)了“供熱最大化”，對(duì)于提高我國(guó)能源利用效率、降低污染具有重要意義，其市場(chǎng)前景廣闊，不僅能在各類聯(lián)合循環(huán)電廠推廣，同時(shí)也適用于我國(guó)廣大的燃煤電廠，尤其對(duì)于冬季供暖與高污染矛盾日益突出的我國(guó)北方，具有推廣價(jià)值。

[1]張力建,葛慶.具自同步離合器的汽輪發(fā)電機(jī)組軸系動(dòng)力特性分析[J].熱力透平,2012,41(4):268-271.

[2]陳倪,董真,沈堅(jiān).HE型聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析 [J].熱力透平,2009,38(3):153-155.