垃圾發電汽輪機的設計特點

□ 張 柯

上海汽輪機廠有限公司 上海 200240

1 設計背景

隨著國家經濟的長期健康發展和環境保護工作的大力開展,生活垃圾處理的壓力逐漸增大。截至2020年,我國城市生活垃圾產量達到3.23億t,并且呈逐年增長趨勢。

垃圾發電作為處理生活垃圾的有效措施得到廣泛應用。近年來,光大集團、深能環保公司、康恒環境等企業均投入研究垃圾發電項目,垃圾發電市場潛力巨大。

作為國內主要的汽輪機生產廠家,上海汽輪機廠有限公司已經在垃圾發電領域開發了一系列垃圾發電汽輪機組。筆者著重介紹垃圾發電汽輪機的設計特點。

2 整體結構

根據不同的進汽參數條件,垃圾發電汽輪機具有多種結構可供選擇。筆者著重介紹的垃圾發電汽輪機整體結構方案為前軸承座、前汽缸及排汽缸。該機結構緊湊,采用運輸支架整體總裝發運,便于現場安裝就位。垃圾發電汽輪機本體選用了成熟的汽缸結構、閥門結構、調節級動葉及末級長葉片等。該機已在垃圾發電領域獲得大量訂單,并在多臺已運行機組中得到驗證,能有效保證機組結構的成熟性與可靠性。

目前,垃圾發電汽輪機項目的主要業績信息見表1,該機的整體結構如圖1所示,三維模型如圖2所示。

表1 垃圾發電汽輪機項目主要業績信息

3 設計特點

垃圾發電汽輪機結構方案的確定對于整機設計意義重大。垃圾發電汽輪機設計為前軸承座、前汽缸、排汽缸及落地后軸承座型式,各結構部件的確定需要驗證滑銷系統、軸系、汽缸、配汽機構、通流及排汽結構等。

3.1 配汽結構

垃圾發電汽輪機采用具有優良變工況特性的噴嘴+調節級動葉結構型式,滿足實際運行時不同工況的需求。不同負荷工況對調節級動葉受力會產生很大影響,需要對動靜強度進行校核計算。鉚接圍帶調節級動葉結構如圖3所示,設計計算如下。

圖1 垃圾發電汽輪機整體結構

圖2 垃圾發電汽輪機三維模型

動葉靜強度計算:

σCF≤σyield/K1

(1)

σTOTAL≤σyield/K2

(2)

σCF≤σcreep/K3

(3)

σTOTAL≤σcreep/K4

(4)

圖3 鉚接圍帶調節級動葉結構

式中:σCF為動葉離心應力;σyield為屈服強度;σTOTAL為動葉合成應力;σcreep為蠕變強度;K1、K2、K3、K4為葉片不同運行環境下的安全因數。

當離心應力和合成應力結果小于對應許用應力時,葉片靜強度考核合格。

動葉振動強度計算:

Δf=(Ft-Fr)/Ft

(5)

σSL=aσSB

(6)

式中:Δf為頻率余量;Ft為動葉固有頻率;Fr為動葉衰減頻率;σSL為沖擊應力;σSB為蒸汽彎應力;a為放大因子。

當頻率余量大于30%小于50%,沖擊應力小于20.68 MPa時,或當頻率余量大于50%,沖擊應力小于27.58 MPa時,動葉振動強度考核合格。

垃圾發電汽輪機調節級動葉強變校核見表2。

表2 垃圾發電汽輪機調節級動葉強度校核

3.2 軸系設計

垃圾發電汽輪機軸系采用前后軸承支撐轉子的雙支撐布置方式,軸系的設計通過對轉子、軸承及軸承座的結構型式進行驗證,確保機組良好的振動特性。軸系計算應用傳遞矩陣法,核算轉子各階臨界轉速,以滿足避開率的要求。軸系計算流程如圖4所示。垃圾發電汽輪機軸承結構數據見表3,軸承計算結果見表4。

圖4 軸系計算流程

根據垃圾發電汽輪機軸系計算得到機組臨界轉速,通過一階、二階臨界轉速結果與額定轉速對比,轉速避開率滿足避開工作轉速的±10%,可滿足機組振動運行要求。

表3 垃圾發電汽輪機軸承結構數據

表4 垃圾發電汽輪機軸系計算結果

3.3 排汽結構

垃圾發電汽輪機排汽結構采用成熟的向下排汽及軸向排汽技術。排汽結構包含排汽缸及末級葉片,設計時根據排汽參數和排汽流量確定,使得末級葉片和排汽缸達到匹配。應用了垃圾發電汽輪機的系列化變轉速末級葉片及對應排汽缸。垃圾發電汽輪機末級葉片及排汽缸結構數據見表5。375 mm葉片結構數據見表6,葉片型式為自帶圍帶、凸臺,整圈自鎖。

表5 垃圾發電汽輪機末級葉片及排汽缸結構數據

表6 375 mm葉片結構數據

375 mm葉片作為上汽廠開發設計的葉片之一,是基于500 mm葉片,根據相似原理模塊化設計而來,性能穩定可靠,在垃圾發電汽輪機中得到廣泛應用。具體葉片設計計算過程為,對葉片葉根進行選型計算,然后根據有限元軟件、1516工程程序進行計算。

375 mm葉片葉根設計計算:

δ/A=[2(r-L)π/N-F]/A

(7)

式中:N為葉片數。

葉根部位各數據如圖5所示。葉根設計計算的δ/A值應不小于1.1,不大于1.4。375 mm葉片δ/A計算值為1.327,滿足設計要求。

圖5 葉根部位各數據

375 mm葉片結構模型如圖6所示,包括單個葉片及與葉片相接觸的對應扇形區輪緣部分,葉片材料數據見表7。375 mm葉片網格劃分如圖7所示,應力單元類型為C3D8I、頻率單元類型為C3D8R。大部分區域采用結構化的六面體或五面體網格劃分,中間體部分采用四面體網格劃分,可提高計算效率和精度。葉片圍帶、拉筋和輪緣采用循環對稱約束,輪緣底面全約束,采用Abaqus有限元分析軟件計算。375 mm和500 mm葉片坎貝爾圖分別如圖8、圖9所示。其中圖9采用Abaqus軟件、1516工程程序和高校教師對葉片坎貝爾圖的計算結果,375 mm葉片計算結果與500 mm計算結果進行對比,確認計算的準確性。對比圖8和圖9可以發現,共振點分布均在4和5節徑范圍內,設計開發的375 mm葉片頻率滿足避開要求。

表7 375 mm葉片材料數據

圖6 375 mm葉片結構模型

圖7 375 mm葉片網格劃分

圖8 375 mm葉片坎貝爾圖

3.4 低壓葉片水蝕

機組運行過程中低壓排汽側蒸汽攜帶的水滴撞擊低壓動葉,從而導致動葉表面破壞和材料磨損。垃圾發電汽輪機采取防水蝕措施并通過侵蝕指數評估效果。

圖9 500 mm葉片坎貝爾圖

侵蝕指數計算:

E=(1-x)2(Dan/50)3/p

(8)

式中:E為侵蝕指數;Da為葉頂直徑;n為轉速;p為級前靜壓;x為級前蒸汽含量。

某機組末級葉片侵蝕指數計算數據見表8。侵蝕指數的計算可以為防水蝕措施提供依據。目前采取的防水蝕措施有級間去濕、動葉進汽邊硬化、空心靜葉內弧側開槽、空心靜葉加熱等。動葉進汽邊硬化和空心靜葉模型分別如圖10、圖11所示。

表8 葉片末極侵蝕指數計算數據

圖10 動葉進汽邊硬化

圖11 空心靜葉模型

4 結束語

筆者對上海汽輪機廠有限公司新研發的垃圾發電汽輪機的主要結構進行介紹,分別從配汽結構、軸系設計、排汽結構及低壓葉片水蝕入手,通過對各方面的設計計算驗證來深入剖析機組結構特點。配汽結構調節級結構設計、軸系計算、排汽結構末葉片開發、末級葉片水蝕防護的成熟性得到充分驗證。總體而言,所研發的垃圾發電汽輪機具有較高的安全性、經濟性與可維護性。