国产四缸四排汽300MW汽轮机本体结构改造设计

国产四缸四排汽300MW汽轮机本体结构改造设计喻刚(东方汽轮机厂,四川德阳618000)【摘要】:着重从通流设计特点、滑销系统改进、汽缸优化设计以及机组启停辅助系统等方面阐述了改造特点。【关键词】:汽轮机；改造；可靠性；优化设计分类号:TK263文献标识码:A文章编号:100125884(2003)0120025202Home-made4F-300MWSteamTurbineStructureOptimizationDesignYUGang(DongfangSteamTurbineWorks,SichuanDeyang618000,China)【Abstract】:Thisarticleisfocusontheoptimizationdesignfeaturessuchassteampathcharacters,slidingsystem；HP,IPandLPcylinderandauxiliarysystemforstart2upandshut2downetc..【Keywords】:steamturbine；retrofire；reliability；optimizationdesign0前言上海汽轮机厂设计制造的四缸四排汽300MW汽轮机设计于上世纪60年代末,首台机组于1972年在望亭发电厂投运,至今该机型共生产了19台份,在全国各地投运。由于该机组设计年代早,设计技术落后,各缸效率和机组热耗与世界先进水平有较大的差距,因此采用现代化技术对其进行改造十分必要。该类型机组除了经济性差以外,在实际运行中还存在轴承箱负荷过重、摩擦阻力过大、刚性不足,机组因膨胀不畅而引起启停时间过长及振动超标等问题,各电厂虽经过多次正常大修、完善化大修和技术改造,但目前仍然存在许多制约机组稳定经济运行的因素:安全系数较低、可靠性差、达不到设计出力、不能适应电网调峰的要求等。通过改造,首先是提高机组的经济性,降低机组热耗；其次使机组具有良好的变负荷能力,能采用复合变压运行方式,机组具有灵活的调峰运行能力；以及消除原机组存在的主要问题,提高机组的可靠性和自动化控制程度,延长机组的使用寿命。东方汽轮机厂于2001年4月完成了首台四缸四排汽300MW机组的改造,迄今为止,共完成了4台机组的改造,改造后无论是机组的热耗水平,还是机组的运行可靠性都达到了设计要求。本文着重从通流设计特点、滑销系统改进、汽缸优化设计以及机组启停辅助系统等方面阐述了改造特点。1通流部分结构设计通流部分的设计主要着眼于用现代先进技术优化流场、光顺子午流道、减小胀差限制、减小汽流损失,从而提高通流效率,增加出力。1.1高压通流设计特点调节级:静叶采用自带冠导叶,动叶整体围带；压力级:第2～5级隔板为分流叶栅,第6～9级隔板为自带冠弯曲导叶；第2～9级动叶自带冠平衡扭曲动叶；高压通流采用等根径设计,光滑子午流道；级间根部汽封由轴向汽封改为径向汽封,叶顶汽封齿数为4齿结构；城墙齿汽封短齿均为双齿结构；汽封片材料采用低硬度铁素体材质镶处片式汽封。1.2中压通流设计特点第1～8级隔板为自带冠弯曲导叶,第9～11级隔板为自带冠弯扭导叶；第1～11级动叶均为自带冠平衡扭曲动叶；中压通流等根径设计,光滑子午流道；汽封结构采用与高压相同的技术。1.3低压通流设计特点第1～4级隔板为自带冠弯曲/扭导叶,第5、6级隔板为直焊式弯扭导叶；第1～5级动叶为自带冠高效叶型动叶,末级采用高效660mm末级叶片；光滑子午流道；所有汽封片材料采用铜汽封。2滑销系统和基架设计1号、2号轴承箱负荷重,摩擦阻力大,但滑动面的润滑效果不良,处于干摩擦状态,这些是造成机组膨胀不畅的主要原因,改造后滑动面采用自润滑滑块与不锈钢滑块配成滑动副。为了防止1号轴承箱翘头及汽缸跑偏,1号轴承箱与高压缸之间采用“H”型定中心梁推拉结构,推拉位置接近滑动面。为了保证“H”型定中心梁正常运行,还对该结构进行了有限元分析,并根据计算结果,在实际安装时将“H”梁向变形方向预拉1mm,以减小运行时的应力。由于高压进汽及中压进汽靠近高中压轴承箱,高中压外缸、中压汽缸与2号轴承箱之间温差较大,该处如果也采用“H”型定中心梁,则梁将产生较大的热变形,计算热应力已超过许用应力,因此该处推拉不采用“H”型定中心梁结构。高中压轴承箱的推拉机构仍采用原结构,即靠汽缸猫爪横键及横键推拉杆来传递高中压轴承箱的推拉力。同时,在改进设计中,为减小推力矩,降低了推拉机构的高度。为了保证3号轴承箱在机组运行时成为真正的高中压缸热胀死点,改造设计时在该箱基架与基础之间增加一死点键。3高、中压汽缸设计原四缸四排汽300MW机组汽缸普遍存在刚性不足、变形大、支撑不合理等缺陷,汽缸温度场分布也不合理,不利于机组热膨胀。改造后,高、中压汽缸采用高窄法兰、通孔螺栓联接和下半猫爪中分面支撑结构,有利于汽缸热膨胀。中压汽缸由原设计的前后二段改为整体结构、锥筒形式,改进排汽涡壳波形,增设排汽缸撑管,提高中压缸刚性。改善中压缸温度场分布,将中压内缸改为隔板套结构,使中压缸前部温度提高110℃左右,有利于中压缸热膨胀和机组快速启动。3.1高压内缸高压内缸壁厚设计为100mm,比原汽缸增厚5mm,中分面法兰高度在隔热环前为380mm,隔热环后为300mm。经有限元分析计算,改造后汽缸能承受上下半温差50℃产生的温度应力。中分面螺栓基本按照小而密的原则布置,有利于减小螺栓应力。3.2高压外缸高压外缸保持原壁厚,中分面法兰厚度为550mm,汽缸猫爪至汽缸中心的距离与原机组相同。螺栓离汽缸壁中心的距离与原汽缸相当,并相应加大高压前汽封处螺栓直径,防止该处出现因螺栓紧力不足而引起的中分面漏汽。3.3中压外缸中压外缸采用锥筒结构,排汽部分最大宽度为3752mm。为了加强汽缸刚性,排汽涡壳采用圆筒结构,加粗了排汽涡壳处的拉筋,同时在排汽口上下半涡壳内增设了轴向拉筋,改善了“疲老虎”效应,并增加了汽缸刚性。汽缸前半部分法兰厚400mm、宽220mm,后半部分法兰厚300mm,宽200mm,中压后汽封至后猫爪处法兰厚为180mm,宽度为200mm。汽缸猫爪至汽缸中心的距离与原机组相同。经有限元分析计算,改造后汽缸彻底改变了原汽缸刚性不足、变形大、膨胀不畅的缺点,在全实缸状态,汽缸垂直方向变形只有0.049mm,仅为原汽缸垂直方向变形的1/4。4低压内缸设计低压内缸承受了比高、中压汽缸更大的温差,原汽缸结构与较大的热载荷不相适应,以及热处理工艺不完善,导致了汽缸应力高、变形大,为了防止中分面变形,在改造设计中采取如下措施。4.1进汽腔室外侧设置隔热板在汽缸进汽腔室外侧设置不锈钢隔热板以减小高温进汽区的热损失和该区内外壁温差及热应力,通过合理使用隔热板,能有效减少应力报警区,减少了汽缸的塑性变形,能有效改善进汽腔室的内外温差和热变形。4.2汽缸水平中分面增设弹性槽以吸收热变形实际运行情况表明,尽量削弱汽缸法兰各部分在热膨胀时的相互制约和牵制,是改善汽缸热变形的有效途径之一。原机组水平中分面没有设置弹性槽,新设计低压内缸水平中分面左右各设置3个弹性槽,减小进汽腔室处隔板环的热应力对法兰的牵制,以改善整个汽缸的运行状态。4.3优化焊接工艺和热处理优化,减小残余应力(1)优化焊接工艺；(2)优化热力处理工艺,采用两次热处理措施；(3)加强无损检验,防止焊缝产生裂纹。5辅助系统5.1强迫冷却系统现代大型汽轮机组由于蒸汽初参数高、汽缸热容量大、保温材料性能好、保温工艺先进,使机组在停机检修时需要很长的时间等待冷却,检修工期紧的矛盾日益突出,从而降低了机组的可利用率。多年来,虽有不少电厂试用过一些加快冷却的方法,效果都不理想。而采用电加热压缩空气进行强迫冷却,可以比较满意地解决这个问题,能将停机冷却的过程缩短至2～3天之内,缩短检修周期3～5天,提高了机组的可利用率,带来了相当可观的经济效益和社会效益。四缸四排汽300MW机组改造强迫冷却系统采用高压缸顺流,中压缸顺流冷却方案,该系统具有如下优点:(1)利用一干燥洁净的压缩空气冷却汽轮机,空气放热系数小,与蒸汽相比无相变换热问题,不会造成过大的热冲击,冷却过程中调整时间充裕,控制指针不易超限；(2)高压缸顺流,中压缸顺流有利于加强对汽缸及转子的冷却,加快冷却速度。5.2预暖系统预暖系统采用高压缸倒流、中压缸顺流。设置预暖系统的主要目的是为了启动前将汽缸、转子等部套加热到一定温度,以利于机组缩短启动时间。冷态启动时,在汽轮机冲转前,高旁后蒸汽或辅助汽源通过倒暖阀(电动节流阀+电动截止阀)进入高压缸和中压缸,预暖整个通流部分后,高压缸预暖蒸汽从各疏水管排出,中压缸预暖蒸汽一部分通过疏水口排走,另一部分通过连通管进入低压缸和凝汽器。当高压内缸调节级下半内壁温度达到150℃,中压缸进汽处下半内壁金属温度达100℃时,对汽缸进行保暖,预暖结束。为了减少高压内缸与高压外缸的温差,减少动静胀差,保证启动顺利进行。增设了对内外缸夹层的加热管道。利用高压进汽管中螺旋遮热筒与外套管的间隙,通入蒸汽对内外缸夹层进行加热。6结论通过改造,四缸四排汽300MW汽轮机机组基本解决了原机组存在的问题和缺陷,各项指标达到设计要求。望亭14号机组、邹县3号机组、4号机组以及姚孟1号机组已经由东方汽轮机厂完成改造,并顺利运行,投运结果表明,机组滑销系统工作正常,达到设计膨胀量；机组经济性达到设计值,用户对改造结果十分满意。