50MW高溫高壓汽輪機本體優化設計

沈 浩 張道蕾 李佰軍

（山東齊魯電機制造有限公司，濟南 250000）

隨著近年來國內汽輪機制造業競爭日益激烈，客戶對汽輪機性能質量及交貨期的要求越來越高。為了滿足客戶多樣化、個性化的需求，山東齊魯電機制造有限公司通過對汽輪機產品結構進一步優化，降低了制造成本，提高了產品安全性、可靠性和市場占有率。其中，50MW等級高溫高壓汽輪機作為主要機型之一，在汽輪機產品整體系列中占有重要地位。中小型熱電聯產工程和企業自備電廠多選用該型機[1-2]。

鑒于此，山東齊魯電機制造有限公司重點對50MW高溫高壓汽輪機從多個方面進行優化設計。下文僅從本體部分分析優化設計的思路和特點。

1 結構設計特點

1.1 內外雙層缸結構

50MW高溫高壓汽輪機通常采用單層缸結構，隔板套直接安放在汽缸中，各級隔板放置在隔板套中，每個隔板套可安裝多級隔板。進汽部分通常設4個調節閥、4個噴嘴室，分別裝焊在汽缸上下半。每個調節閥和相應的噴嘴室焊接在一起，在噴嘴室中裝入對應的噴嘴組弧段。機組運行時通過調節某個調節閥的開度就能控制相應噴嘴組弧段的進汽量，進而調節機組功率。其進汽部分剖面圖如圖1所示。

該結構為絕大多數50MW高溫高壓汽輪機所采用，卻存在兩個缺點。一是運行時外缸直接承受調節級后高溫高壓蒸汽，相應外缸壁及法蘭厚度較大，中分面螺栓規格較大，不利于機組快速啟停和變工況運行。二是外缸、噴嘴室及調節閥殼需先加工坡口然后裝焊，裝焊后需探傷及整體熱處理。工藝復雜，焊接難度大，焊縫質量不易保證，耗時較長。

因此，對原結構進行優化。借鑒150MW以上大容量機組汽缸結構，新型50MW高溫高壓汽輪機采用內外雙層缸結構。新蒸汽經主汽閥進入外缸上部腔室，再由布置在外缸上部的3個調節閥進入內缸噴嘴室，最終進入通流部分。調節閥座和內缸接口間采用多級密封環結構以減少蒸汽泄露。內缸中分面左右共4個貓爪搭在外缸下半凹槽中，允許內缸受熱時能夠往各個方向自由膨脹。其進汽部分剖面圖如圖2所示。

采用內外雙層缸結構，汽缸內外壓差由內缸和外缸共同分擔，內外缸壁厚及法蘭厚度減小，中分面螺栓規格尺寸減小，汽缸熱應力降低，大大增加了快速啟停和變負荷靈活性。內外缸都是一次鑄造成型，中間加工過程不存在焊接作業及熱處理，顯著縮短了加工周期，杜絕了焊接的質量風險。

圖1 原汽輪機進汽部分剖面圖

圖2 優化后汽輪機進汽部分剖面圖

1.2 一體式主汽調節閥

原50MW高溫高壓汽輪機主汽閥和調節閥是分離的，調節閥布置在汽缸上（見圖1），而主汽閥布置在機組正前方，經由主汽閥構架固定在基礎上。主汽閥蒸汽出口經導汽管連接到調節閥，連接方式一般為焊接，少數為法蘭連接，如圖3所示。

圖3 原汽輪機主汽閥布置

此結構為大多數中小容量機組所用，但存在如下問題。一是整臺汽機占用空間大，基礎平臺施工工作量大，對于廠房規劃面積較小，資金有限的自備電廠尤其如此。二是導汽管焊接作業一般在現場進行，焊接質量不易保證。近年來，我國發生多起導汽管因焊縫質量不合格導致漏氣甚至爆裂傷人的重大事故。

故對該結構進行優化，將主汽閥殼和汽缸上半一體鑄造，取消導汽管，結構如圖2所示。優化后的一體式主汽調節閥使產品外形大為減小，既節約廠房空間，便于電廠布置，又節省了基礎施工費，降低了汽輪機制造成本。同時，現場無需焊接導汽管，縮短了機組安裝周期，杜絕了導汽管質量風險。但此結構也存在起吊難度較高、重心偏移等缺點，在生產及安裝過程中需要引起重視。

1.3 DEVA合金自潤滑滑塊

傳統汽輪機滑銷系統潤滑結構一般采用在臺板上開槽并注入二甲基硅油脂潤滑劑或者是鋼滑塊加注潤滑油脂。該結構在機組運行一段時間后，由于汽缸變形、滑銷卡澀或者潤滑介質干涸流失難以補充等原因，汽缸膨脹不暢，脹差難以控制，機組啟動時間延長，甚至造成動靜部分碰磨，軸系振動加大，給機組安全運行帶來巨大隱患[3]。

伴隨著自潤滑技術應用的日益廣泛，用DEVA合金自潤滑滑塊代替傳統滑銷系統潤滑結構，即將鑲嵌在軸承箱臺板凹槽內的脂潤滑鋼質滑塊全部換成自潤滑滑塊[4-5]。DEVA合金自潤滑滑塊是一種含固體潤滑劑的雙金屬自潤滑滑塊。它以鋼為基體，以燒結優質青銅粉為表面摩擦層，青銅粉內均勻分布固體潤滑劑。磨損時，固體潤滑劑從表面銅層中不斷釋放，在摩擦表面形成固體潤滑膜，從而達到潤滑效果。應用該自潤滑滑塊使軸承箱臺板免于維護，滑塊長期保持良好潤滑狀態，徹底解決了汽輪機啟停和變工況過程中由于滑銷系統卡澀造成的膨脹不暢問題。

1.4 整體式外缸（用于背壓汽輪機）

此項優化措施適用于背壓式汽輪機。把汽缸分為前汽缸和后汽缸兩部分的傳統做法雖有利于產品模塊化設計，但缸體垂直結合面密封性不好，為防止蒸汽泄漏一般還要密封焊。為更好地保證產品質量，背壓汽輪機優先采用整體式外缸，即外缸整體鑄造，不再分別鑄造前后汽缸，取消垂直中分面法蘭及螺栓。整體式外缸徹底杜絕了汽缸間垂直結合面漏汽的風險，對于高背壓機組尤其適用。

1.5 下法蘭曲型貓爪

汽輪機高壓段溫度較高，其支撐在軸承座上的貓爪比軸承座溫度高。由于貓爪厚度較大，向上的熱膨脹較大。傳統的下法蘭貓爪由于其結構形式的緣故會使汽缸中心線向上的位移量超過轉子向上的位移量，引起汽缸和轉子中心線偏移。

還有一種常用的上貓爪結構。上貓爪結構能夠保證汽缸和轉子中心線一致，但影響汽缸中分面螺栓的應力。螺栓除了承受汽缸內的汽壓張力外，還要承受下半汽缸重力，螺栓應力變大，過大的應力會導致汽缸中分面密封不嚴或者螺栓規格偏大。

因此，將汽輪機的下法蘭貓爪做成彎曲型，即下法蘭曲型貓爪，使貓爪的支撐面與汽缸中心線在同一平面，即與轉子中心線保持同一平面。這樣既避免了上法蘭貓爪螺栓應力偏大的缺陷，又保證了汽缸和轉子中心線的一致性，如圖4所示。

2 實施效果

優化的50MW高溫高壓汽輪機經過實際安裝運行的檢驗，結果顯示，其暖機和啟動時間明顯降低，有關本體設計質量問題的客戶投訴大幅減少。在生產環節，由于產品焊接和熱處理作業的減少，生產周期縮短，更加適應電廠壓縮交貨期的需求；由于取消了導汽管和獨立主汽閥，機組體積顯著減小，生產成本降低，同時電廠廠房的基礎建設投資節約效果良好。

圖4 貓爪支撐結構形式

3 結論

本文詳細介紹了50MW等級高溫高壓汽輪機本體優化設計的構想、特點及其實施效果。該優化設計可以為類似機組的設計開發提供指導和參照，以創造更為顯著的經濟和社會效益。

[1]王恒，胡曉華，馮志翔.中小型熱電聯產汽輪機的優化設計[J].華東科技（學術版），2015，（1）：364.

[2]劉超.淺析中小型熱電聯產汽輪機的優化設計[J].科技創新與應用，2013，（8）：3.

[3]王晨瑜.汽輪機滑銷系統固體自潤滑技術[J].山西電力，2004，（5）：48-50.

[4]張林，陳慧敏，張振.應用石墨自潤滑技術解決汽輪機冷態啟動膨脹受阻問題[J].熱電技術，2013，（2）：55-56.

[5]張勇軍，郝忠義.采用自潤滑滑塊改進200MW機組膨脹系統[J].熱力發電，2003，（9）：54-56.