張東梅,陸斌杰,申慶超
(上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機廠,上海 200240)
在水資源相對緊缺,而人口卻又最多的中國,為了應(yīng)對水資源危機和污染,搞好海水淡化、加快海水淡化配套設(shè)施的建設(shè)對我國建設(shè)創(chuàng)新型國家有著重大的戰(zhàn)略意義。去年河北國華滄東電廠黃驊三期2.5萬t/d海水淡化主設(shè)備蒸發(fā)器在臨港開工制造,這是目前國內(nèi)自主設(shè)計開發(fā)的單機產(chǎn)水量最大的海水淡化項目,它對提升自主海水淡化關(guān)鍵技術(shù)、推動電站集團海水淡化新產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。而黃驊電廠用于海水淡化項目的可調(diào)整抽汽凝汽式汽輪機是上海汽輪機廠亞臨界600MW 系列汽輪機中的一個新機型,按設(shè)計用于海水淡化的抽汽量為50~400t/h,抽汽壓力為0.75±0.2MPa,日制水能力可達10 000t。機型為單軸、四缸四排汽中間再熱抽汽凝汽式汽輪機。它是根據(jù)市場需求,在亞臨界600MW 凝汽式汽輪機的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。本文結(jié)合黃驊600MW 抽汽機組介紹了我廠的大功率600MW亞臨界可調(diào)整抽汽汽輪機的特點。
該汽輪機的母型機是具有良好運行業(yè)績的亞臨界600MW 凝汽式汽輪機,并且該汽輪機采用了與母型機完全相同的積木塊:單流高壓缸BB034、雙流中壓缸BB051 及兩個雙流低壓缸2×BB074。本文著重介紹為滿足調(diào)整抽汽而具有的一些設(shè)計和結(jié)構(gòu)特點。
該汽輪機除了繼承傳統(tǒng)四缸四排汽中間再熱凝汽式600MW 機組的優(yōu)點外,與母型機結(jié)構(gòu)上的最大不同是為了保證供汽壓力,在中低壓連通管上設(shè)置調(diào)節(jié)蝶閥,便于對進入低壓缸的蒸汽量進行節(jié)流,以此來滿足抽汽壓力為0.75±0.2 MPa的要求:關(guān)小閥門,減少進入低壓缸的汽量,提高閥前抽汽壓力;開大閥門,增大進入低壓缸的汽量,降低閥前抽汽壓力。不抽汽時該閥門全開或者用接管取代,以減少壓損,提高效率??紤]到現(xiàn)場更換方便,調(diào)節(jié)蝶閥和接管都采用法蘭連接。另外還在相應(yīng)的抽汽管路上設(shè)置了快關(guān)調(diào)節(jié)閥來調(diào)整抽汽量。通過這樣的雙閥調(diào)節(jié),對進入抽汽管道的抽汽量和抽汽壓力進行控制??刂朴蒁EH 完成。關(guān)于這種雙閥調(diào)節(jié)的方式,我們已積累了不少的成功經(jīng)驗。
該機組除增加了調(diào)整抽汽功能,蒸汽流量、中壓排汽壓力略有變化外,其他設(shè)計與母型機完全相同,因此設(shè)計重點放在如何滿足調(diào)整抽汽的要求上。
汽輪機對外提供蒸汽常用兩種方式:一種為非調(diào)整抽汽,這種方式抽汽壓力將隨工況而變化。當抽汽口壓力過高時,過高的壓力由抽汽管道上的節(jié)流調(diào)節(jié)閥節(jié)流掉,而當抽汽口壓力偏低時,就必須引入壓力較高的蒸汽來滿足用汽設(shè)備的需要。因此,該種抽汽方式適用于用汽設(shè)備壓力變化范圍不大、用汽量變化不大、工況較穩(wěn)定的電廠,這種方式的抽汽系統(tǒng)和設(shè)備布置都較為簡單方便。另一種為可調(diào)整抽汽,其抽汽量和壓力都可以調(diào)整,因而提供蒸汽的壓力不隨工況變化,但可隨用汽設(shè)備的需要而變化,所以對機組運行工況的要求比非調(diào)整抽汽模式寬松。但是抽汽量較小時,將對抽汽帶來較大的節(jié)流損失。常規(guī)抽汽方式的選擇將主要考慮用戶對蒸汽量以及蒸汽品質(zhì)的要求,并與汽輪機組特點相結(jié)合考慮。
黃驊電廠已有4臺600MW 汽輪發(fā)電機組在運行,同時正在建設(shè)日產(chǎn)量達10萬t的海水淡化裝置,需要利用汽輪機四段抽汽生產(chǎn)淡水,并且抽汽需求變化很大(每臺機組的抽汽量變化范圍為50~400t/h,壓力變化范圍為0.75±0.2MPa)。因此從機組運行的經(jīng)濟性、工程的便利性等角度出發(fā),經(jīng)過論證后決定采用調(diào)整抽汽。
為確保本抽汽機組的安全穩(wěn)定性,并保證在所有的工況下均能提供符合制水抽汽壓力要求的蒸汽,本機組采用與我廠已投運的天津楊柳青機組一致的雙閥調(diào)節(jié)模式,即中壓缸排汽一部分經(jīng)過設(shè)置在連通管上的調(diào)節(jié)閥進入低壓缸;另一部分經(jīng)過抽汽管上的快關(guān)調(diào)節(jié)閥和串聯(lián)的抽汽逆止閥后進入抽汽系統(tǒng),該機組的可調(diào)整抽汽口布置在中壓排汽口下方(即中壓4號抽汽口)。母型機在該處采用“先并管后布閥門”的管路布置:先將2根DN500管子并成1根DN700管子,再串聯(lián)布置2只DN700的抽汽逆止閥。因制水抽汽的要求,B157的4號抽汽口擴大為配2根DN700管子。若采用母型機“先并管后布閥門”的管路布置,先將2根DN700管子并成1根DN1000管子,再布置2只DN1000的抽汽逆止閥,這將帶來兩個問題:第一,DN1000 管子將引起很大的推力;第二,2只DN1000的抽汽逆止閥將增加采購成本。因此B157機組采用“先分管后布閥門”的管路布置:將一路DN700 的管路分成一路DN700和另一路DN450,再分別布置DN700 和DN450的抽汽逆止閥(見圖1)。這不但降低了管道推力,而且減少了采購成本。
由于調(diào)整抽汽壓力與吳涇600MW 機組的4號抽汽壓力接近,因此本機組在有成功投運經(jīng)驗的吳涇600MW 純凝汽輪機基礎(chǔ)上進行修改設(shè)計。經(jīng)過計算論證,決定在本體上僅把原來的4號抽汽口按最大抽汽量的需要擴大為調(diào)整抽汽口,其余一切不變,這樣就能可靠地保證原來汽輪機結(jié)構(gòu)的良好特性,而且設(shè)計工作量也大大減少。
該機中壓缸為雙分流兩排汽,共有4個中壓排汽口,通過2根中低壓連通管將中壓排汽引入低壓缸。而且在中低壓連通管上的抽汽調(diào)節(jié)蝶閥很重,因此閥門布置必須與支撐方式一起考慮。曾經(jīng)考慮過采用坐中缸式,但這種方式閥門太多(需4只閥門),布置也困難;又考慮過采用坐低缸式布置,但這種方式既會增加低壓缸的負荷,也會遇到空間布置的困難。最后根據(jù)黃驊電廠所配汽輪機的特點,決定采用“直接走管的連通管布置、門框形落地剛性架配彈簧支座的閥門支撐方式”[2],見圖2。這個方案僅有2根連通管和2只壓力調(diào)節(jié)閥,因此結(jié)構(gòu)簡單、布置方便。該方案獲得國家實用新型專利,專利號為ZL2004200816596。
圖1 調(diào)整抽汽系統(tǒng)閥門布置圖
雖然此型汽輪機與母型機相比,在結(jié)構(gòu)上僅有的2個4號抽汽口從Φ509/Φ490(外徑/內(nèi)徑)擴大為Φ713/Φ683(以使抽汽流速符合設(shè)計規(guī)范,保證抽汽量滿足用戶要求),而通流部分完全一樣,但畢竟有純凝與抽汽的區(qū)別,其工況條件不一樣,所以我們對有關(guān)部件的強度等進行了考慮和計算,以保證機組的安全可靠性。
因機組的改型設(shè)計需要根據(jù)調(diào)整抽汽方案進行,所以機組在大抽汽量、低調(diào)整抽汽壓力工況下,中壓的最后2級運行條件最惡劣,需對其進行考核。母型機的中壓動葉為我廠成熟的自帶整體圍帶-碰撞阻尼的結(jié)構(gòu)形式,其葉根采用高強度的葉根型線。這種結(jié)構(gòu)形式的葉片廣泛運用于國內(nèi)外100MW 等級以上機組的中長葉片中,至今已有近1000例成功運行的業(yè)績,從未發(fā)生一起事故,充分說明了這種形式葉片的安全可靠性和設(shè)計準則的成熟性、先進性。經(jīng)過計算,我們所采用的同類中壓動葉完全滿足有關(guān)設(shè)計準則的要求,其載荷遠低于我廠設(shè)計的、已經(jīng)成功運行多年的楊柳青抽汽300MW 機組。
對中壓缸來說,強度和剛度都是很重要的,而新設(shè)計的中壓缸因4號抽汽口很大,導致中壓缸下半在排汽端出現(xiàn)1個很大的孔,對汽缸的強度和剛度帶來一定影響。因此,我們用有限元法按國際準則對新設(shè)計的中壓缸進行計算,確保中壓外缸的剛度及強度都在安全范圍內(nèi)。另外,根據(jù)母型機的運行情況,對用戶管道在4號抽汽口處的推力和力矩的允許值做了規(guī)定,保證機組運行時汽缸的穩(wěn)定性。
本文對新型大容量抽汽汽輪機本體結(jié)構(gòu)設(shè)計的有關(guān)內(nèi)容作了介紹。綜上所述,該型汽輪機是我廠設(shè)計的一款新型的亞臨界600MW 大功率可調(diào)整抽汽凝汽式汽輪機(在設(shè)計時也是國內(nèi)容量最大的抽凝機組)。由于設(shè)計人員以成熟的、具有世界先進水平的亞臨界600MW 純凝汽輪機作為該型汽輪機的母型,結(jié)合了我廠長期以來的抽凝機組的成功經(jīng)驗,因此該汽輪機具有技術(shù)先進、結(jié)構(gòu)合理、運行靈活等特點。2013年,用戶對海水淡化進行了試生產(chǎn),我廠生產(chǎn)的汽輪機運行情況良好;預計不久之后,海水淡化的生產(chǎn)規(guī)模就會擴大。隨著海水淡化應(yīng)用的不斷增多和節(jié)能減排要求的不斷提高,技術(shù)先進的抽汽汽輪機的市場將會非常廣闊。
[1]蔡頤年.蒸汽輪機[M].西安:西安交通大學,2007.
[2]張東梅.600MW 抽汽機組連通管上調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)蝶閥的支架設(shè)計[J].熱力透平,2005(2):101-103,112.