魏小龍，唐濤，王鑫，胥睿，王娟（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000）

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超超臨界二次再熱機(jī)組超高壓內(nèi)缸可靠性研究

魏小龍，唐濤，王鑫，胥睿，王娟
（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000）

摘要：安源機(jī)組超高壓內(nèi)缸為公司首個二次再熱機(jī)組筒形內(nèi)缸，文章簡述了超高壓筒形缸設(shè)計特點，并結(jié)合機(jī)組運行過程中的實測溫度數(shù)據(jù)，對機(jī)組啟動運行及停機(jī)過程中筒形內(nèi)缸的熱應(yīng)力進(jìn)行了分析，驗證了公司超超臨界二次再熱機(jī)組超高壓筒形內(nèi)缸設(shè)計、運行的安全可靠性。

關(guān)鍵詞：筒形內(nèi)缸，溫度場，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

0 引言

提高蒸汽參數(shù)實現(xiàn)能源清潔化是汽輪機(jī)發(fā)展的必由之路。隨著汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)提高，主汽壓力從亞臨界（13.7 MPa）到超臨界（24.2 MPa），再到超超臨界（28 MPa），目前超超臨界二次再熱機(jī)組主汽壓力31 MPa，將來可能使用更高參數(shù)。而主蒸汽參數(shù)提高后，汽輪機(jī)高壓缸等高溫高壓部件的可靠性愈加重要。為此，世界各主要汽輪機(jī)制造廠都從系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、材料等方面開展了高壓缸設(shè)計研究，其中高壓缸采用雙層汽缸設(shè)計，內(nèi)缸采用紅套環(huán)筒形內(nèi)缸的設(shè)計方案，具有結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)力水平低、承壓能力更強(qiáng)、汽密性更高、檢修方便等優(yōu)點，是一種備受運行人員喜愛的技術(shù)。

東汽近年來在原有筒形汽缸技術(shù)研究基礎(chǔ)上，全新開發(fā)了適用于更高參數(shù)（大于28 MPa）的筒形汽缸技術(shù)，并經(jīng)過內(nèi)部試驗，逐步在華潤焦作（25 MPa/600℃）[1]、山東茌平（28 MPa/600℃）、重慶萬州（28 MPa/600℃）[2]等多個工程項目中順利投運。東汽660 MW二次再熱機(jī)組主汽參數(shù)是目前國內(nèi)最高參數(shù)（31 MPa/600℃），并根據(jù)二次再熱機(jī)組特點開發(fā)設(shè)計了超高壓模塊及其配套系統(tǒng)，該機(jī)組已于2015年6月在江西安源順利投入商業(yè)運行。本文結(jié)合東汽已投運二次再熱機(jī)組的實際運行監(jiān)測數(shù)據(jù)對超超臨界二次再熱機(jī)組超高壓內(nèi)缸可靠性進(jìn)行了驗證研究。

1 東汽660 MW二次再熱機(jī)組超高壓內(nèi)缸簡介

東汽660 MW二次再熱機(jī)組超高壓內(nèi)缸工作參數(shù)、結(jié)構(gòu)與已投運超超臨界機(jī)組相比有以下特點:

（1）超高壓汽缸為雙層缸、單流式全周進(jìn)汽結(jié)構(gòu)；

（2）超高壓內(nèi)缸為無法蘭的紅套環(huán)筒形汽缸，具有結(jié)構(gòu)緊湊、受力均勻、啟停機(jī)過程中熱應(yīng)力小、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點；

（3）超高壓排汽通過管道直接進(jìn)入再熱冷段，不進(jìn)入內(nèi)外缸夾層。

超高壓內(nèi)外缸啟動運行過程中溫度場變化復(fù)雜，難于精確計算。為實時監(jiān)測汽缸溫度場、保證機(jī)組運行安全可靠，該模塊設(shè)置了多個溫度監(jiān)測點，如圖1所示：內(nèi)缸2級后內(nèi)外壁、外缸前、中、后部內(nèi)壁及外缸后部外壁均布置溫度測點。

圖1　超高壓汽缸溫度測點布置圖

2 超高壓內(nèi)缸安全可靠性設(shè)計

超高壓內(nèi)缸工作壓力較常規(guī)超超臨界機(jī)組大幅提高，首次達(dá)到31 MPa，在設(shè)計階段，對內(nèi)缸進(jìn)行了包含啟動、穩(wěn)態(tài)運行、停機(jī)全過程的系統(tǒng)安全可靠性分析論證（見圖2、圖3）。

計算分析基于東汽強(qiáng)大的熱流固三元分析能力，依據(jù)機(jī)組理論啟動曲線，在考慮極端啟動工況并保留充分安全裕度的基礎(chǔ)上，對筒形內(nèi)缸進(jìn)行了完整的溫度場、熱應(yīng)力、汽缸強(qiáng)度及內(nèi)缸汽密封分析，計算結(jié)果滿足行業(yè)設(shè)計規(guī)范。

圖2　筒形內(nèi)缸瞬態(tài)溫度場

圖3　筒形內(nèi)缸應(yīng)力場

3 超高壓內(nèi)缸實測溫度場分析

3.1 沖轉(zhuǎn)階段超高壓內(nèi)缸溫度場

機(jī)組在經(jīng)過約10 h汽缸預(yù)暖后，內(nèi)缸溫度達(dá)到160℃，17:23開始沖轉(zhuǎn)，17:40升速至中速暖機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min，經(jīng)過90 min中速暖機(jī)，機(jī)組以150 r/min/min的升速率快速提升至額定工作轉(zhuǎn)速（見圖4）。機(jī)組沖轉(zhuǎn)至中速暖機(jī)轉(zhuǎn)速過程中，筒形內(nèi)缸內(nèi)外壁溫差很小。

圖4　冷態(tài)啟動參數(shù)曲線圖

3.2 低負(fù)荷階段超高壓內(nèi)缸溫度場

超高壓內(nèi)缸服役工況最為惡劣，圖5給出了機(jī)組冷態(tài)啟動過程中內(nèi)缸2級后上下半缸的溫差曲線。

機(jī)組從0負(fù)荷帶負(fù)荷至10%左右時，主汽溫度平穩(wěn)，而內(nèi)缸內(nèi)外壁出現(xiàn)峰值43℃的溫差（見圖5），主要原因為啟動初期負(fù)荷快速增加4.6 MW/h，蒸汽流量大幅增加，內(nèi)缸溫升率達(dá)到195℃/h，內(nèi)缸急劇換熱，內(nèi)缸外壁溫升較內(nèi)壁慢導(dǎo)致（見圖5）。

負(fù)荷由10%負(fù)荷繼續(xù)上升，機(jī)組主汽溫升率、負(fù)荷增加率相對較小，內(nèi)外壁溫差逐步減小。在沖轉(zhuǎn)約10 h后出現(xiàn)第二次溫差峰值（此為調(diào)試期間的特殊運行工況），約38℃溫差。主要原因為運行調(diào)試使主汽溫度急劇上升，溫升率達(dá)到109.3℃/h。

圖5　啟動過程內(nèi)缸溫度溫差曲線

3.3 高負(fù)荷階段超高壓內(nèi)缸溫度場

機(jī)組負(fù)荷繼續(xù)升高或機(jī)組部分負(fù)荷穩(wěn)定運行時，內(nèi)缸溫差逐步減小至20℃左右。因啟動初期夾層加熱系統(tǒng)投入，外缸汽機(jī)側(cè)溫度明顯高于內(nèi)缸外壁溫度，隨著主汽溫度提高與夾層加熱系統(tǒng)的退出，外缸汽機(jī)側(cè)溫度回歸至與超高壓后軸封漏汽溫度相當(dāng)值；外缸電機(jī)側(cè)溫度逐漸與超高壓前軸封漏汽溫度接近（見圖6）。

圖6　VHP外缸內(nèi)壁溫度場

3.4 停機(jī)階段超高壓內(nèi)缸溫度場

機(jī)組14時左右開始降負(fù)荷，主汽溫度緩慢下降，約10 h后電機(jī)從電網(wǎng)解列（見圖7、圖8），此過程中汽缸溫差波動幅度幅度小于15℃，汽缸溫度變化平穩(wěn)，最大溫升率為-38℃/h。

圖7　停機(jī)曲線

圖8　停機(jī)過程內(nèi)缸溫度溫差曲線

4 筒形內(nèi)缸安全可靠性驗證

4.1 溫度場修正

根據(jù)超高壓模塊實際冷態(tài)啟動過程的各溫度測點數(shù)據(jù)，修正設(shè)計階段的熱邊界條件，包含熱傳導(dǎo)、對流換熱系數(shù)和熱輻射因子，重新計算超高壓內(nèi)缸冷態(tài)啟動溫度場（見圖9）。

圖9　啟動初期、最大溫差、穩(wěn)定工況內(nèi)缸溫度場

由運行數(shù)據(jù)反推可知，內(nèi)缸冷態(tài)啟動最大溫差為54℃，穩(wěn)定運行工況溫差約為20℃，均小于設(shè)計值。內(nèi)缸實際啟停及運行過程熱應(yīng)力小于設(shè)計值，內(nèi)缸安全可靠性得到驗證。

4.2 強(qiáng)度復(fù)核

超高壓內(nèi)缸設(shè)計時，在最大溫差點的應(yīng)力為513 MPa，根據(jù)計算的溫度場，在穩(wěn)定運行工況下的應(yīng)力為276 MPa。由于實測溫度場較理論計算溫度場優(yōu)良，根據(jù)實測溫度場修正的溫度場重新計算內(nèi)缸的應(yīng)力。通過計算可知，危險截面位于進(jìn)汽腔室處，進(jìn)汽腔室處的應(yīng)力在低負(fù)荷和高負(fù)荷條件下的最大應(yīng)力隨著啟機(jī)過程的曲線分布如圖10、圖11所示。

圖10　VHP外缸內(nèi)壁溫度場

圖11　高負(fù)荷階段進(jìn)汽室處應(yīng)力

圖12　最大溫差工況下的應(yīng)力云圖

圖13　穩(wěn)態(tài)工況內(nèi)缸應(yīng)力云圖

由圖12、圖13可知，實際運行的最大應(yīng)力值為130 MPa，小于設(shè)計最大應(yīng)力值513 MPa，穩(wěn)定工況下最大應(yīng)力為100 MPa，小于設(shè)計最大應(yīng)力276 MPa。由此可知內(nèi)缸安全穩(wěn)定運行，設(shè)計裕度大。此外還對內(nèi)缸冷態(tài)強(qiáng)度、一次應(yīng)力等指標(biāo)進(jìn)行了分析，應(yīng)力值均滿足設(shè)計要求，因此內(nèi)缸的強(qiáng)度滿足要求。

4.3 汽密性

由計算可知，機(jī)組啟動、停機(jī)過程中，汽缸中分面均保持一定的接觸壓應(yīng)力，接觸應(yīng)力云圖如圖14所示。

圖14　接觸應(yīng)力云圖

通過前文的分析可知，內(nèi)缸的強(qiáng)度、汽密性滿足要求且實際運行中溫度場優(yōu)于設(shè)計考核溫度場，汽缸受力優(yōu)于設(shè)計條件，東汽超高壓內(nèi)缸的設(shè)計能確保該模塊安全穩(wěn)定運行。

5 結(jié)論

（1）安源超高壓模塊設(shè)計合理，內(nèi)缸實際啟停、運行、停機(jī)過程中溫差小，溫度場分布合理。

（2）通過將超高壓筒形缸計算模型用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)修正后，汽缸的溫度場、應(yīng)力場、汽密性均優(yōu)于設(shè)計值，驗證了其安全可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]劉東旗,黃果,張曉東,等.大功率汽輪機(jī)筒形內(nèi)缸的強(qiáng)度和汽密性分析[J].東方電氣評論,2015,29(2):24-28.

[2]劉雄,袁永強(qiáng),黃果,等.東方新超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)及設(shè)計特點[J].東方汽輪機(jī),2015,(2):7-12.

[3]張曉東,方宇,唐清舟,等.660 MW超超臨界二次再熱汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)特點[J].東方汽輪機(jī),2015,(2):1-6.

Reliability Research for VHP Casing of Ultra-supercritical Double-reheat Sets

Wei Xiaolong，Tang Tao，Wang Xin,Xu Rui，Wang Juan
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Abstract:Anyuan power generation set is the first double-reheat unit,which VHP barrel type inner casing made by Dongfang first works in such tough condition.This paper introduces the design feature of the VHP inner casing.The thermal stress of the VHP inner casing is deeply analyzed with the measured temperature data during the start-up and shut-down of the unit.It's proved that the de?sign and operation of Anyuan VHP inner casing is safe and reliable.

Key words:barrel type inner casing，temperature field，structural strength

作者簡介：魏小龍（1981-），男，工程師，長期從事汽輪機(jī)產(chǎn)品方案研究開發(fā)工作。

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.01.015

中圖分類號：TK262

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9987（2016）01-0077-04