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1、第一部分 汽缸及静止部分第一节 我国电站 600MW 机组的情况简介从 20 世纪 6090 年代的 30 年间 , 电站汽轮机产品在单机功率和蒸汽初参数上都没有重大的突破, 只是在产品的可靠性、机动性、控制水平和经济性等方面有所进展。为了进一步降低机组单位功率的重量, 提高机组的内效率, 有的制造厂正在研制更高参数的大型机组。如日本川越电站 70OMW 燃用天然气的超临界压力机组, 其初参数压力为 31.6MPa 、温度为 566/566 , 汽轮机的设计热耗为 7461K/(KWh), 汽轮机组热循环效率为 48.26% 。我国最大的汽轮机制造厂哈尔滨汽轮机厂, 生产的 60OMW 机组,
2、 其设计热耗为7829kJ/(KWh), 接近世界最先进水平。该厂已投运的合金钢长叶片为 100Omm, 己研制的铁合金叶片系列有 700 、 1000 、 1200mm；正在设计制造的单机功率有 800 、 100OMW 。各国电站汽轮机组典型产品的经济技术水平如表 0-1 所列。我国电站自 20 世纪 80 年代以来开始装备 60OMW 等级的汽轮发电机组, 这些机组的基本特点参见表0-2。图 0-4 为哈尔滨第三电厂 60OMW 汽轮机的总体结构图。从表 0-1 和表 0-2 中可以看出 , 国内外 60OMW 等级汽轮机组的总体结构状态和主要的技术经济指标。在通流部分的结构方面 , 冲
3、动式和反动式的优点得到了很好的应用； 蒸汽参数多采用以亚临界压力 1619MPa 、温度 530566 的参数 , 且以 16.616.7MPa 、 540 最为普遍 , 而采用超临界压力的蒸汽压力约为 24MPa 、温度 536566 。对于汽轮机组的热耗, 亚临界压力机组约为 7790800OKJ/(KWh) GE 公司的 60OMW 调峰机组热耗为 8441KJ/(KWh), 超临界压力机纽约为 7650791OKJ/(kwh) 。汽轮机末级叶片长度对机组的功率和效率有明显的影响。目前用于 300Or/min 的 60OMW 等级机组的合金钢末级叶片长度约为 7871072mm 己研制成
4、功的铁合金叶片长度 有 700 、 900 、 1000 、 1200 、 130Omm, 长度为 150Omm 的铁合金叶片正在研制之中。我国早 期安装的 60OMW 等级汽轮机组的末级叶片长度为 85090Omm, 近期安装的机组末级叶片长度为 10001072mm 。在汽轮机组的总体结构方面 ,60OMW 等级机组多数采用四缸四排汽的形式 , 即高压缸、中压缸 ( 单流程、双流程均有采用 )、两个双流程低压缸。也有采用高、中压缸合缸的结构, 构成三缸四排汽的总体结构, 其好处是使机组更加紧凑。但由于合缸高中压缸尺寸较大, 热惯性大, 有可能造成调峰性能较差。这种结构形式的中压缸级数较少
5、, 有可能限制中压缸效率的提高。60OMW 等级机组的高、中、低压缸采用双层 ( 内、外 ) 缸形式。高、中压缸由铸造制成 , 低压缸多数为焊接结构。绝大多数制造厂的汽缸采用带法兰的水平中分面。由ABB 公司制造的上海石洞口二电厂超临界压力 60OMW 机组, 其高压内缸的中分面没有法兰, 而是用 7 只钢套环将内缸上、下半紧箍成一个圆筒体, 且内缸中分面与水平面成 50夹角。现代 60OMW 等级汽轮机汽缸采用窄法兰, 不设法兰螺栓加热装置, 运行、检修较为方便。采用双层缸结构, 汽缸壁可以较薄, 有利于降低启动、停机过程的热应力。60OMW 等级机组的汽轮机转子, 绝大多数制造厂采用整锻转
6、子或焊接转子, 只有俄罗斯和日本的三菱公司还有套装转子。现在制造的整锻转子大多数没有中心孔。汽轮机转子的支承方式, 有采用两根转子四个轴承和两根转子三个轴承两种基本形式 ( 即四支承和三支承 )。中国、俄罗斯、美国的 GE 公司和 WH 公司、法国 Alsthorn 、英国 GEC 公司、日本等多数采用每根转子由两个轴承支承。瑞士的 ABB 公司和德国的 KWU 公司在两根转子中间只用一个轴承, 组成单支点轴系。支持轴承的形式 , 中国的哈尔滨汽轮机厂和上海汽轮机厂、美国的 GE 公司和 WH 公 司、日本的三菱和东芝公司 , 对承受负荷不很重的轴承 ( 如高中压转子和第一根低压转子 ), 采
7、用可倾瓦轴承 , 对承受负荷很重的轴承 ( 如第二根低压转子和发电机转子 ), 则采用圆筒 形轴承, 轴系的稳定性较好。中国的东方汽轮机厂、俄罗斯、日本的日立公司, 对负荷不很重的轴承, 采用可倾瓦轴承, 对承受负荷很重的轴承, 采用椭圆形轴承, 瑞士的 ABB 公司采用类似于椭圆形轴承的改良型袋式轴承。汽轮发电机轴系的盘车 , 多数采用低速盘车方式。在重载轴承处 , 有用顶轴油设施和不用顶轴油设施两种形式。为了提高大型汽轮机组的经济性和可靠性 , 各制造厂正在对大型汽轮机从参数、单机功率、控制水平、安全设施等方面进行不懈的努力。美国的西屋公司正在研制 800MW 、 31.OMPa 、 59
8、3/566/566 的超临界压力两次再热 汽轮机组。在煤、水耗量不变的条件下 , 效率和功率各提高 10%, 厂用电降低 4%, 在整个机组寿命期内估计可节约1.4 亿美元。俄罗斯正在研制 23.5MPa 、 585/585 和 31.5MPa 、 650/570 的 800100OMW 和200OMW 的电站汽轮机。瑞士正在研制 160OMW 、 26.OMPa 、 538/552/565 两次再热汽轮机。这些努力的主要目的是提高机组的经济性和可靠性。如西欧、俄罗斯和日本各公司都制定了电站汽轮机的可靠性指标: 可用率不得低于 0.97, 大修间隔不得小于 4 年, 无事故累计运行时间不得少于
9、 500Oh, 使用寿命不得少于30 年。俄罗斯国家标准规定超临界压力参数汽轮机组的热耗率,30OMW 机组为 7725KJ/(KWh),50080OMW 机组为7641KJ/ (kwh) 。目前各国公司正在积极采取措施来达到或超过上述指标。采用燃气一蒸汽联合循环电站是提高电站热效率的另一重要途径。如浙江镇海30OMW 的燃气一蒸汽联合循环电站, 采用了两台 10OMW 等级燃气轮机和一台 10OMW 等级的汽轮机, 电站的热效率达到 47.8% 。第二节 汽缸的结构和热膨胀一、汽缸的作用汽缸是汽轮机的外壳, 其作用是将汽轮机的通流部分与大气隔开 , 形成封闭的汽室, 保证蒸汽在汽轮机内部完成
10、能量转换过程。汽缸内安装着喷嘴室、隔板、隔板套等零部件； 汽缸外连接着进汽、排汽、抽汽等管道。汽缸质量大、形状复杂并且在高温高压下工作, 除了承受内外压差以及汽缸本身和装在其中的各零部件的重力等静载荷外, 还要承受隔板和喷嘴作用在汽缸上的力, 以及进汽管道作用在汽缸上的力和由于沿汽缸轴向、径向温度分布不均匀 ( 尤其在启动、停机和变工况时 ) 而引起的热应力。汽缸运行中的热应力对高参数、大功率汽轮机的影响更为突出。因此, 在考虑汽缸结构时, 除了要保证足够的强度、刚度和保证各部分受热时自由膨胀以及通流部分有较好的流动性能外, 还应考虑在满足强度和刚度的要求下, 尽量减薄汽缸壁和连接法兰的厚度,
11、 并力求使汽缸形状简单、对称, 以减小热应力。为了节省高级耐热合金钢 , 还应使高温高压部分限制在尽可能小的范围内。 同时还要保持静止部分同转动部分处于同心状态, 并保持合理的间隙。另外, 在汽轮机运行时, 必须合理控制汽缸温度的变化速度和温差, 以避免汽缸产生过大的热应力和热变形, 及由此而引起的汽缸结合面不严密或汽缸裂纹。二、汽缸的结构 1. 总体结构为了加工制造及安装检修方便, 汽缸多做成水平对分形式, 即分为上、下汽缸 , 水平结合面用法兰螺栓连接, 且上、下汽缸的水平中分面都经过精加工 , 以防止结合面漏汽。同时为了合理利用材料 , 还常以一个或两个垂直结合面而分为高压、中压、低压等
12、几段。和水平结合面一样, 垂直结合面亦通过法兰、螺栓连接, 所不同的是, 垂直结合面通常在制造厂一次装配完毕就不再拆卸了, 有的还在垂直结合面的内圆加以密封焊。汽缸自高压端向低压端看 , 大体上呈圆筒形或近似圆锥形。如图 2-22 所示为高压单缸凝汽式汽轮机汽缸外形图。该汽缸除有水平中分面外, 还有两个垂直结合面, 将汽缸分为高、中、低压三段。前部有四个和汽缸焊在一起的蒸汽室, 分别与四根进汽管相连, 下部留有各级抽汽管口, 尾部则是与凝汽器相连接的排汽管口。汽缸的高、中压段一般采用合金钢或碳钢铸造结构 , 低压段可根据容量和结构要求, 采用铸造结构或由简单铸件、型钢及钢板焊接的焊接结构。 一
13、般汽轮机的汽缸数目是随机组容量的增大而增加的 ,600MW 机组一般采用四个汽缸。2. 高、中压缸通常初参数不超过 8.83MPa 、 535 , 容量在 100 MW 以下的中、小功率汽轮机, 都采用单层汽缸结构。随着初参数的不断提高, 汽缸内外压差不断增大 , 为保证中分面的汽密性 , 连接螺栓必须有很大的预紧力 , 因而螺栓尺寸加大。与此相应 , 法兰、汽缸壁都很厚 , 导致启动、停机和工况变化时 , 汽缸壁和法兰、法兰和螺栓之间将因温差过大而产生很大的热应力 , 甚至使汽缸变形、螺栓拉断。为此, 近代高参数大容量汽轮机的高压缸多采用双层缸结构。有的机组甚至将高、中压缸和低压缸全做成双层
14、缸。例如 600MW 机组的高、中、低压缸均采用双层缸结构； 有的机组低压缸甚至采用三层缸结构。高、中压缸采用双层缸结构的优点是 :(1) 把原单层缸承受的巨大蒸汽压力分摊给内外两层缸, 减少了每层缸的压差与温差, 缸壁和法兰可以相应减薄 , 在机组启停及变工况时 , 其热应力也相应减小, 因此有利于缩短启动时间和提高负荷的适应性。(2) 内缸主要承受高温及部分蒸汽压力作用 , 且其尺寸小 , 故可做得较薄 , 则所耗用的贵重耐热金属材料相对减少。 而外缸因设计有蒸汽内部冷却 , 运行温度较低 , 故可用较便宜的合金钢制造 , 节约优质贵重合金材料。(3) 外缸的内、外压差比单层汽缸时降低了许
15、多 , 因此减少了漏汽的可能 , 汽缸结合面的严密性能够得到保障。但双层缸结构的缺点是, 增加了安装和检修的工作量。双层缸结构的汽缸通常在内外缸夹层里引入一股中等压力的蒸汽流。当机组正常运行时, 由于内缸温度很高, 其热量源源不断地辐射到外缸 , 有使外缸超温的趋势 , 这时夹层汽流对外缸起冷却作用。当机组冷态启动时 , 为使内外缸尽可能迅速同步加热 , 以减小动、静胀差和热应力 , 缩短启动时间 , 此时夹层汽流即对汽缸起加热作用。图 2-23 为某大功率汽轮机高压内、外缸示意图。内缸工作温度较高 , 采用综合性能较好的珠光体热强钢 ZG15CrMoV, 能在 570 下长期工作。而由于夹层
16、 I 区一直受到一号汽封套和喷嘴室进汽短管中漏汽的冷却 , 区一直受到高压缸第九级后引出的一部分蒸汽的冷却 , 外缸工作温度较低 , 可以采用不含钒的热强钢 ZG2OCrMo, 能在 500下长期工作。 同时又由于 I、 区的温度与通流部分中相应位置的汽流温度相差不大 , 还保证了每层汽缸的内、外温差及转子和汽缸的胀差不致过大。为了减少内缸对外缸的辐射热量 , 降低外缸温度 , 还可以在夹层中间加装遮热板 , 大约可使外缸温度降低 30 左右。在外缸材料工作温度许可的条件下 , 考虑到加工 , 特别是安装、检修的方便性以及减少运行中的噪声 ,也可以不装遮热板。图 2-24 是又一种双层结构的高压缸 , 它多用于我国引进的大功率
