某工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)廠內(nèi)空負(fù)荷試車方案分析

魏應(yīng)強(qiáng)， 張玉勝， 魏安榮， 蘇軍會(huì)， 羅文， 艾潤(rùn)民， 顏毅

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川德陽(yáng)， 618000）

0 引言

某工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)是公司全新研發(fā)的次高溫次高壓驅(qū)動(dòng)燒結(jié)風(fēng)機(jī)用純凝式機(jī)組。 整體結(jié)構(gòu)為單缸上排汽結(jié)構(gòu)， 沖反結(jié)合形式， 見圖1。 額定進(jìn)汽參數(shù)： 壓力 4.9 MPa（a）， 溫度470 ℃， 進(jìn)汽流量40.5 t/h， 額定功率9 MW， 排汽壓力8.2 kPa。

圖1 機(jī)組整體結(jié)構(gòu)示意圖

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速4 968 r/min， 通過齒輪減速箱降低燒結(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速至1 000 r/min， 各聯(lián)軸器采用膜片式聯(lián)軸器撓性連接。

通過機(jī)組廠內(nèi)空負(fù)荷試車可以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案是否達(dá)到預(yù)期技術(shù)指標(biāo)， 驗(yàn)證機(jī)組制造及裝配質(zhì)量， 同時(shí)通過試車暴露的問題進(jìn)行改進(jìn)、 完善機(jī)組設(shè)計(jì)方案， 為現(xiàn)場(chǎng)帶負(fù)荷運(yùn)行提供條件。

汽輪機(jī)組空負(fù)荷試車技術(shù)要求高、 難度大，需要設(shè)計(jì)專用試車系統(tǒng)以滿足與通用試車系統(tǒng)之間良好匹配。 本文將對(duì)該機(jī)組廠內(nèi)空負(fù)荷試車專用系統(tǒng)方案進(jìn)行介紹。

1 通用試車系統(tǒng)配置

公司現(xiàn)有試車通用系統(tǒng)定位于50 MW 等級(jí)及以下工業(yè)透平和常規(guī)透平產(chǎn)品， 能滿足機(jī)組的空負(fù)荷試車或帶10%負(fù)荷試車[1]。通用系統(tǒng)配置如下：

燃?xì)忮仩t： 壓力 3.43 MPa、 溫度 435 ℃、 流量25 t/h。

進(jìn)汽母管： DN200， 預(yù)留2 處支管接口D150、DN200。

凝汽器： 壓力 10 kPa、 流量（殼程）25 t/h、 管程流量1 500 t/h、 換熱面積560 m2。

軸封減溫減壓器： 二次蒸汽0.12 MPa/160 ℃，二次蒸汽流量0.5~1.5 t/h。

循環(huán)水系統(tǒng)： 流量 788 t/h， 揚(yáng)程 44 m， 轉(zhuǎn)速1 480 r/min， 氣蝕余量 4.1 m。

真空系統(tǒng)： 2 臺(tái)水環(huán)式真空泵， 抽汽速率20 m3/min， 極限壓力 3.3 kPa。

凝結(jié)水系統(tǒng)： 2 臺(tái)凝結(jié)水泵， 揚(yáng)程38 m， 必須氣蝕余量1 m。

油系統(tǒng)： 集裝油箱（含高壓?jiǎn)?dòng)油泵、 交流潤(rùn)滑油泵、 直流潤(rùn)滑油泵、 油煙風(fēng)機(jī)等）1 套、 雙聯(lián)濾油器1 套， 板式冷油器1 套。

除上述系統(tǒng)外， 還包括疏水系統(tǒng)、 軸封加熱系統(tǒng)、 凝結(jié)水補(bǔ)水系統(tǒng)、 頂軸油系統(tǒng)、 抗燃油系統(tǒng)及試車控制系統(tǒng)等。

2 試車專用系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2.1 試車進(jìn)汽參數(shù)選擇

根據(jù)鍋爐容量及機(jī)組額定進(jìn)汽參數(shù)， 確定本機(jī)組試車進(jìn)汽參數(shù)， 進(jìn)汽壓力1.50 MPa， 進(jìn)汽溫度 310 ℃。

汽輪機(jī)空載汽耗一般是設(shè)計(jì)額定流量3%~10%[2]， 機(jī)組廠內(nèi)空負(fù)荷試車所需蒸汽流量可參照計(jì)算。 試車方案設(shè)計(jì)時(shí)按上限值10%計(jì)算， 則試車流量G=10%×40.5 t/h =4.05 t/h。 汽封供汽汽源來自主蒸汽系統(tǒng)， 鍋爐最大流量需求G'=4.05+1.5（汽封最大供汽流量）=5.55 t/h。

2.2 試車總體布置

本機(jī)組為上排汽結(jié)構(gòu)， 為縮短排汽管道長(zhǎng)度，結(jié)合通用試車系統(tǒng)各接口標(biāo)高， 確定試車平臺(tái)總高1.2 m。 為驗(yàn)證齒輪箱空載特性， 齒輪箱參與試車， 汽輪機(jī)和齒輪箱全長(zhǎng)約7.4 m， 機(jī)組前軸承箱至凝汽器進(jìn)汽法蘭約11 m。 機(jī)組絕對(duì)死點(diǎn)布置于蒸汽管道膨脹初始端， 即機(jī)組熱脹方向與蒸汽管道熱脹方向一致， 防止試車過程中熱脹對(duì)機(jī)組本體產(chǎn)生過大影響。

為保證軸系對(duì)中和機(jī)組死點(diǎn)的固定， 需要將汽輪機(jī)、 減速箱的絕對(duì)死點(diǎn)與基礎(chǔ)定位固定， 防止推力造成汽輪機(jī)、 減速箱中心跑偏。

試運(yùn)行時(shí)齒輪箱軸與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用膜片式聯(lián)軸器連接。 為控制減速箱軸與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子連接孔同心要求， 膜片式聯(lián)軸器與汽機(jī)轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器連接孔共同加工。

2.3 試車汽水管道設(shè)計(jì)

本機(jī)組試車汽水管道主要包括進(jìn)汽、 排汽、汽封、 疏水和油管道等。 根據(jù)通用試車系統(tǒng)配制特點(diǎn)， 試車專用汽水管道在公用系統(tǒng)基礎(chǔ)上存在系統(tǒng)能力調(diào)整、 改造方案等設(shè)計(jì)工作。 專用汽水系統(tǒng)見圖2 中紅色虛線框內(nèi)部分。

圖2 試車排汽管道示意圖

2.3.1 進(jìn)汽管道

進(jìn)汽管道自通用系統(tǒng)母管預(yù)留接口接入， 管道材料選擇Φ219×7/20G 鋼管。 管道布置時(shí)設(shè)U型彎轉(zhuǎn)吸收熱膨脹， 并采用2 處彈性支架支撐。管道所有焊縫探傷要求RT 合格。 采用臨時(shí)管道將進(jìn)汽管道與吹管管道短接排空至廠房外。

2.3.2 排汽管道

本機(jī)組的排汽管道設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究重點(diǎn)。 根據(jù)文獻(xiàn)[3]計(jì)算試車排汽 （10 kPa， 80 ℃）條件下所需排汽管徑 Dn， 見式（1）。

式中： G0為質(zhì)量流量， kg/s， 根據(jù) 2.1 結(jié)果取 4.05 t/h； VT0為蒸汽質(zhì)量體積， m3/kg， 取 16.27 m3/kg；C0為蒸汽流速， m/s， 取 80~120 m/s。

將各值代入式（1）計(jì)算得出Dn=440~540 mm，考慮試車時(shí)降低排汽管振動(dòng)噪聲及設(shè)計(jì)裕度， 取排汽管徑為Φ600 mm。

綜上， 排汽管道布置方案見圖2。 全新設(shè)計(jì)Φ600 mm 普通碳鋼管道接入通用系統(tǒng)凝汽器。 汽缸排汽口及凝汽器法蘭口采用特制法蘭進(jìn)行連接。汽缸排汽法蘭上布置安全閥。

按排汽管道布置， 水平管段長(zhǎng)6 m， 垂直管段長(zhǎng)4.6 m， 管道總重3.5 t， 采用2 處彈性支架支撐。 管道水平方向熱膨脹4.9 mm， 垂直方向熱膨脹2.0 mm。 本排汽管道與排汽缸及凝汽器法蘭連接尺寸較短， 根據(jù)文獻(xiàn)[4]，可近似為L(zhǎng) 形管道進(jìn)行熱膨脹自然補(bǔ)償能力計(jì)算， L 形補(bǔ)償管段見圖3。

圖3 L 形補(bǔ)償管段示意圖

將設(shè)計(jì)參數(shù)帶入式（2）計(jì)算，可得l=3.26 mm，即水平管段L=6 mm 條件下， 管道L 形布置所需垂直管段長(zhǎng)度應(yīng)大于3.26 m。 本排汽管道垂直管段長(zhǎng)度4.6 mm 滿足補(bǔ)償要求。

式中： L 為形自然補(bǔ)償短臂長(zhǎng)度， m； ΔL 為長(zhǎng)臂L的熱伸長(zhǎng)量， mm； DW為管道外徑， mm。

又根據(jù)文獻(xiàn)[4]，按空間自然補(bǔ)償管段的近似驗(yàn)算公式， 見式（3）。

式中： Dn為管道公稱通徑， mm； ΔL 為管道 3 個(gè)方向熱伸長(zhǎng)量的向量和， cm； L 為L(zhǎng) 管道展開總長(zhǎng)度，m；U 為U 管道兩固定點(diǎn)之間的直線距離，m。

將設(shè)計(jì)參數(shù)帶入式（3）計(jì)算得出18.85<20.8（本文不再詳細(xì)計(jì)算）， 滿足自然補(bǔ)償。

經(jīng)過上述設(shè)計(jì)分析和驗(yàn)算， 該排汽管道布置滿足熱膨脹空間自然補(bǔ)償要求， 無需增加專用熱膨脹補(bǔ)償器。

另外， 排汽法蘭強(qiáng)度和剛性直接影響排汽系統(tǒng)安全及經(jīng)濟(jì)性。 為防止法蘭應(yīng)力過大， 剛性較差引發(fā)變形破壞而泄露真空， 特校核排汽法蘭強(qiáng)度和剛性， 結(jié)果顯示法蘭設(shè)計(jì)滿足要求。 排汽法蘭變情況見圖4。

圖4 排汽法蘭變形圖

2.3.3 閥桿漏汽及汽封管道

為簡(jiǎn)化系統(tǒng)管道布置， 本機(jī)組專用試車系統(tǒng)取消主汽閥、 調(diào)節(jié)閥漏汽管道。 對(duì)閥桿端部設(shè)計(jì)專用石墨填料， 既密封閥桿端部漏氣又潤(rùn)滑閥桿不發(fā)生卡澀； 閥門漏汽用螺塞進(jìn)行封堵，見圖5。

圖5 閥桿密封及漏汽封堵示意圖

前后汽封體各選取一處進(jìn)汽、 抽汽接口， 與通用系統(tǒng)汽封母管連接， 以保證試車過程汽封進(jìn)汽抽汽系統(tǒng)平衡。 汽封體其余接口封堵并設(shè)置疏水管道。

2.3.4 疏水管道及后汽缸冷卻噴水管

汽封體封堵接管疏水、 汽缸疏水、 閥門疏水均采用Φ28×4/20 管道接至疏水母管。 后汽缸疏水管道采用Φ159/20 接至排汽管道（靠凝汽器法蘭）。汽缸下部抽汽管道用封板封堵后疏水接入疏水母管。 各疏水管道按壓力高低接入疏水母管后再匯流至疏水?dāng)U容器。

后汽缸噴水管道由試車通用系統(tǒng)噴水母管Φ57×3.5 管道引至汽缸噴水管接口 4-Φ38 處。 當(dāng)試車排汽溫度超過100 ℃時(shí)開啟冷卻噴水， 低于60 ℃時(shí)關(guān)閉冷卻噴水。

2.3.5 油管道

試車通用系統(tǒng)油管道已鋪至試車平臺(tái)下方，本方案采用金屬軟管連接油母管與軸承箱、 齒輪箱進(jìn)回油口。 金屬軟管與軸承箱、 齒輪箱之間設(shè)轉(zhuǎn)接口， 轉(zhuǎn)接口上設(shè)置進(jìn)油過濾器、 回油窺視管及油溫、 油壓測(cè)點(diǎn)。 潤(rùn)滑油管道連接見圖6， 藍(lán)色曲線代表油管道。

圖6 潤(rùn)滑油管道簡(jiǎn)圖

調(diào)節(jié)系統(tǒng)油源為低壓潤(rùn)滑油， 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)控制油壓為2.5 MPa。 試車通用油系統(tǒng)中高壓?jiǎn)?dòng)油泵可供調(diào)節(jié)油壓2.0 MPa， 滿足試車進(jìn)汽參數(shù)條件下， 閥門提升力要求。 因此， 僅需設(shè)計(jì)專用調(diào)節(jié)油外部管道連接控制系統(tǒng)液壓部套與調(diào)節(jié)油母管。

3 試車效果

經(jīng)過多次分析， 制定本機(jī)組空負(fù)荷試車流程如下： 油系統(tǒng)運(yùn)行→投盤車→暖管→真空系統(tǒng)運(yùn)行→系統(tǒng)檢查→掛閘碰摩檢查 （500 r/min）→低速暖機(jī)（2 000 r/min）→高速暖機(jī)（4 000 r/min）→額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行 （4 968 r/min）→電氣超速試驗(yàn) （5 470 r/min）→打閘停機(jī)。

廠內(nèi)按技術(shù)要求順利完成試驗(yàn)， 各系統(tǒng)滿足空負(fù)荷試運(yùn)行要求。 整個(gè)流程中汽輪機(jī)及齒輪箱各軸振小于25 μm，瓦溫小于90 ℃，潤(rùn)油回油溫度低于70 ℃，各項(xiàng)試車指標(biāo)滿足API612 技術(shù)要求。

4 結(jié)語

通過機(jī)組空負(fù)荷試車， 對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、 制造裝配質(zhì)量進(jìn)行了全面驗(yàn)證， 同時(shí)機(jī)組試車專用系統(tǒng)方案也得到驗(yàn)證， 得出以下結(jié)論：

（1）試車方案設(shè)計(jì)合理， 通用系統(tǒng)與專用系統(tǒng)能夠很好匹配。

（2）專用系統(tǒng)汽水管道布置滿足試車要求， 特別是大排汽管道尺寸滿足試車排汽流量要求，排汽管道熱膨脹未對(duì)機(jī)組本體及凝汽器產(chǎn)生過大推力。

（3）為后續(xù)工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)空負(fù)荷試車積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。