超超臨界汽輪機部件冷卻技術(shù)的研究

1、超臨界和超超臨界汽輪機部件冷卻技術(shù)的研究史進淵，楊宇，鄧志成，陳勻，林振坤（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究所，上海，200240）摘 要：分析了超臨界和超超臨界汽輪機部件采用蒸汽冷卻技術(shù)的重要性，介紹了超臨界和超超臨界汽輪機噴嘴室、高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子和汽缸的冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點。提出了超臨界和超超臨界汽輪機冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，內(nèi)容包括冷卻參數(shù)的選取、部件溫度場和應(yīng)力場的有限元計算分析以及冷卻效果的測量和驗證。采用蒸汽冷卻技術(shù)，可以提高材料的使用等級，有利于延長超臨界和超超臨界汽輪機部件的設(shè)計壽命。關(guān)鍵詞：超臨界和超超臨界機組；汽輪機；冷卻技術(shù)；可靠性設(shè)計；結(jié)構(gòu)設(shè)計1 采用冷卻技術(shù)的重要性

2、隨著科學技術(shù)的進步和材料技術(shù)的發(fā)展，超超臨界汽輪機的主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度呈增長的趨勢1。隨著蒸汽溫度的升高，材料的力學性能有所下降，為了保證超超臨界汽輪機的部件有足夠的強度和壽命，除了采用高溫強度好的鋼材之外，還應(yīng)采用蒸汽冷卻技術(shù)和冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計。蒸汽冷卻是采用溫度比較低的蒸汽（如高壓排汽、高壓抽汽或動葉后蒸汽）來冷卻超超臨界汽輪機高溫部件，以降低超超臨界汽輪機高溫部件的工作溫度。在工程實踐中，對于汽輪機的高溫部件，CrMoV鋼應(yīng)用于566、12%Cr鋼應(yīng)用于600、粵氏體鋼應(yīng)用于650，需要采用蒸汽冷卻技術(shù)。對于蒸汽參數(shù)為16.7MPa/538/538的亞臨界汽輪機，高溫部件使用CrMoV

3、鋼，可以不采用蒸汽冷卻技術(shù)。對于蒸汽參數(shù)為24.1MPa/566/566的超臨界汽輪機，高溫部件使用12%Cr鋼，可以不采用蒸汽冷卻技術(shù)，但使用CrMoV鋼必須采用蒸汽冷卻技術(shù)。對于蒸汽參數(shù)為25MPa28MPa/600/600的超超臨界汽輪機，高溫部件使用12%Cr鋼，需要采用蒸汽冷卻技術(shù)。超超臨界汽輪機的噴嘴室、轉(zhuǎn)子、汽缸等部件采用蒸汽冷卻技術(shù)，既可以提高現(xiàn)有材料使用等級，充分利用材料的機械性能，又可以延長這些部件的設(shè)計壽命。在超超臨界汽輪機的啟動、停機和負荷變動的過程中，汽輪機部件承受相當大的熱應(yīng)力，最大熱應(yīng)力通常位于汽輪機部件高溫區(qū)域的應(yīng)力集中部位。采用蒸汽冷卻技術(shù)是在啟停過程中降低汽

4、輪機部件高溫部位瞬態(tài)熱應(yīng)力的有效方法。采用蒸汽冷卻技術(shù)，可以降低超超臨界汽輪機高溫部件的工作溫度和部件的溫度差，在其他條件相同的情況下可以降低這些部件的熱應(yīng)力，可以延長部件的設(shè)計壽命。部件的蒸汽冷卻技術(shù)現(xiàn)已成為超超臨界汽輪機研制和生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一1，通過先進的蒸汽冷卻技術(shù)的研究，實現(xiàn)超超臨界汽輪機部件高溫部位工作溫度的下降，是保證超超臨界汽輪機安全運行的重要技術(shù)手段之一。2 部件冷卻的結(jié)構(gòu)特點超超臨界汽輪機采用蒸汽冷卻技術(shù)的部件有高壓噴嘴室、中壓蒸汽室、高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、高壓汽缸、中壓汽缸等，超超臨界汽輪機不同的部件采用不同方案的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計。2.1 噴嘴室和高壓轉(zhuǎn)子 （1）高壓轉(zhuǎn)子單流結(jié)

5、構(gòu)。超超臨界汽輪機單流高壓轉(zhuǎn)子的蒸汽冷卻常用三種方法。把第一級葉型根部設(shè)計成負反動度，級后溫度比較低的蒸汽經(jīng)第一級動葉縱樹型葉根底部間隙流入前軸封的高壓側(cè)。冷卻蒸汽的流動使高壓第一級輪緣和前輪面得到了冷卻。從汽輪機高壓調(diào)節(jié)閥后引出少量主蒸汽，噴入凝結(jié)水使其溫度降低后作為冷卻蒸汽，通過改變噴入的凝結(jié)水量控制冷卻蒸汽的溫度。冷卻蒸汽經(jīng)高壓第一級和第二級動葉葉根底部間隙以及靜葉與動葉之間的間隙流入主流，使冷卻蒸汽流過的轉(zhuǎn)子表面得到冷卻。把高壓第一級后溫度比較低的蒸汽的一小部分，經(jīng)噴嘴室與內(nèi)缸之間的腔室，回流至高壓第一級前輪面和前軸封之間的空間，使噴嘴室、內(nèi)缸和第一級葉輪的前輪面得到冷卻2。（2）噴嘴

6、室雙流壓力級單流結(jié)構(gòu)。高壓第一級采用雙流式結(jié)構(gòu)，高壓第二級以后的壓力級采用單流結(jié)構(gòu)。采用雙流第一級的優(yōu)點是每只動葉片所承擔的負荷減少一半，噴嘴室和動葉片的應(yīng)力有所減少，對于大功率超超臨界汽輪機可以使用現(xiàn)有實際運行經(jīng)驗的動葉片。但采用雙流噴嘴室的缺點是葉片數(shù)目增加、造價高、軸承跨度增大。采用雙流噴嘴室結(jié)構(gòu)，從前軸封側(cè)噴嘴根部流出的小部分蒸汽，經(jīng)噴嘴室與轉(zhuǎn)子之間的腔室流入另外一側(cè)噴嘴后主流，冷卻噴嘴室和高壓轉(zhuǎn)子。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，由于主流的抽吸作用，腔室中的蒸汽流出，使轉(zhuǎn)子和噴嘴室得到冷卻。（3）高壓轉(zhuǎn)子雙流式結(jié)構(gòu)。1000MW級超超臨界汽輪機通常采用高壓轉(zhuǎn)子雙流式結(jié)構(gòu)，作用在轉(zhuǎn)子上的推力平衡，并有

7、利于降低高溫動葉片的應(yīng)力。采用雙流式高壓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)級后一小部分蒸汽經(jīng)過180°轉(zhuǎn)彎后，流徑調(diào)節(jié)級葉輪上的冷卻孔（斜孔）和噴嘴室外表面與轉(zhuǎn)子之間的腔室，再流經(jīng)雙流噴嘴室中間小孔返回到調(diào)節(jié)級后，冷卻噴嘴室和高壓轉(zhuǎn)子。在此流動過程中，冷卻了高溫噴嘴室和高壓轉(zhuǎn)子的外表面。調(diào)節(jié)級葉輪上打有斜孔，由于葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心泵的作用，把調(diào)節(jié)級出口小部分蒸汽吸過來，流過噴嘴室與轉(zhuǎn)子之間的腔室，冷卻了噴嘴室和高壓轉(zhuǎn)子高溫部位的外表面。2.2 蒸汽室和中壓轉(zhuǎn)子 （1）外部來汽（高壓缸排汽或高壓缸抽汽）冷卻技術(shù)。為了提高超臨界汽輪機中壓轉(zhuǎn)子的熱疲勞強度和蠕變強度、降低中壓轉(zhuǎn)子高溫區(qū)域的熱應(yīng)力，可采用中壓轉(zhuǎn)子

8、的蒸汽冷卻結(jié)構(gòu)。反動式汽輪機雙流中壓轉(zhuǎn)子的冷卻結(jié)構(gòu)，是把高壓汽輪機排汽或抽汽300多度的蒸汽引入中壓汽輪機的進口導流環(huán)下部的空間，對中壓轉(zhuǎn)子高溫部位進行冷卻5。該冷卻蒸汽中小部分通過第一級動葉與靜葉之間的汽封流入主流；大部分冷卻蒸汽通過第一級動葉縱樹形葉根底部間隙（也稱冷卻蒸汽通路或蒸汽冷卻孔）流入第二級靜葉前和第二級靜、動葉之間；還有一小部分冷卻蒸汽通過第二級動葉縱樹型葉根底部間隙，流入第三級靜葉前和第三級靜、動葉之間。在中壓轉(zhuǎn)子的冷卻結(jié)構(gòu)中，必須合理設(shè)計冷卻蒸汽出口汽封與轉(zhuǎn)子的間隙、第一級與第二級動葉縱樹形葉根底部冷卻蒸汽通道面積以及第二級與第三級靜葉環(huán)內(nèi)側(cè)汽封間隙，這些參數(shù)對轉(zhuǎn)子的冷卻效

9、果影響比較大。軸向插入的縱樹形葉根底部間隙和動葉前后的壓差保證冷卻蒸汽流過。冷卻蒸汽的流動，使中壓轉(zhuǎn)子高溫部位得到了冷卻。 沖動式汽輪機雙流中壓轉(zhuǎn)子的冷卻結(jié)構(gòu)，是高壓汽輪機的抽汽通過中壓汽輪機前兩級的隔板汽封、前兩級動葉縱樹型葉根底部間隙或葉輪的冷卻孔以及前兩級葉輪前后輪面，使中壓轉(zhuǎn)子高溫部位得到了冷卻6。（2）中壓第一級設(shè)計為負反動度。超超臨界汽輪機雙流式中壓缸具有比較高的再熱汽溫，在轉(zhuǎn)子中間，兩個第一級葉輪組成封閉空間，由于轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的熱量使轉(zhuǎn)子溫度上升。中壓轉(zhuǎn)子采用雙流式結(jié)構(gòu)后，中壓第一級葉型根部可設(shè)計成負反動度。在葉型根部，負反動度使得動葉根部出汽側(cè)的壓力比靜葉根部出汽側(cè)的壓力高。使得做

10、了功而降低了溫度的動葉出口的蒸汽經(jīng)動葉葉型根部和縱樹型葉根底部間隙流向靜葉出口。這種汽流的循環(huán)流動使輪緣和轉(zhuǎn)子的表面得到了冷卻。但是，葉型根部采用負反動也有不足之處，就是葉型高度有所增加，引起葉根離心應(yīng)力的增加抵消了一部分蒸汽冷卻的效果（不采用葉型根部負反動度的動葉高約為采用葉型根部負反動度動葉高的80%90%）。（3）采用渦流冷卻擋熱板結(jié)構(gòu)。在反動式雙流中壓轉(zhuǎn)子進汽部分的中壓第1級靜葉內(nèi)徑處設(shè)計渦流冷卻擋熱板，使中壓轉(zhuǎn)子進汽區(qū)工作溫度下降7 。中壓第1級的反動度設(shè)計的比普通反動級小，使流經(jīng)中壓第1級靜葉的蒸汽溫度下降幅度增大，第1級靜葉出口溫度下降，在靜葉內(nèi)徑處的擋熱板上設(shè)計4個切向孔，靜葉

11、出口的蒸汽經(jīng)過4個切向孔進入擋熱板與轉(zhuǎn)子之間的區(qū)域發(fā)生膨脹，使轉(zhuǎn)子表面溫度下降?？鄢羝趽鯚岚迮c轉(zhuǎn)子表面之間摩擦產(chǎn)生熱量的影響后，雙流第1級動葉之間的中壓轉(zhuǎn)子表面溫度約下降15。2.3 低壓轉(zhuǎn)子 （1）3.5%NiCrMoV（30Cr2Ni4MoV）鋼在350以上高溫長期服役會發(fā)生回火脆化現(xiàn)象，不宜在實際工作溫度高于350條件下長期使用。亞臨界汽輪機再熱蒸汽溫度為538，超臨界汽輪機再熱蒸汽溫度為566，通常低壓汽輪機進汽溫度不會超過350。超超臨界汽輪機再熱蒸汽溫度為600，低壓汽輪機進汽溫度有可能超過350。為了防止超超臨界汽輪機低壓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生回火脆化，低壓轉(zhuǎn)子可采用超純凈冶煉技術(shù)生產(chǎn)的超

12、純凈NiCrMoV鋼；或采用低壓轉(zhuǎn)子的蒸汽冷卻技術(shù)，把低壓轉(zhuǎn)子的工作溫度降下來。對于沖動式汽輪機雙流式低壓轉(zhuǎn)子，采用特殊結(jié)構(gòu)的隔板使低壓進汽與低壓轉(zhuǎn)子隔開。采用專門設(shè)計的第一級葉輪平衡孔的特殊結(jié)構(gòu)形式，使第一級動葉后低于350的蒸汽通過葉輪平衡孔，再流入第一級靜葉和動葉之間，對低壓轉(zhuǎn)子進行冷卻2。在平衡孔的地方，由于葉輪的轉(zhuǎn)動，圓周速度約為200m/s，把吸入的動壓變成葉輪兩側(cè)的壓差，溫度比較低的蒸汽持續(xù)流動冷卻了低壓轉(zhuǎn)子。 （2）反動式汽輪機雙流低壓轉(zhuǎn)子第一級葉型根部反動度設(shè)計為負值，動葉出口溫度較低蒸汽的回流至第一級靜葉出口，使轉(zhuǎn)子和輪緣的工作溫度下降。2.4 高壓汽缸和中壓汽缸 （1）高

13、壓第一級設(shè)計為沖動級且第一級葉型根部設(shè)計為負反動度。不論是反動式超超臨界汽輪機還是沖動式超超臨界汽輪機，高壓第一級噴嘴和動葉大多采用沖動級。采用沖動級使高壓第一級噴嘴有相當大的焓降，使調(diào)節(jié)級后的蒸汽壓力和溫度都有比較大的下降，從而使內(nèi)缸承受的熱負荷下降，從而使內(nèi)缸壁厚減薄，中分面螺栓尺寸減小。把高壓第一級葉型根部設(shè)計成負反動度，使第一級動葉出口較冷蒸汽的一小部分，經(jīng)噴嘴室與動葉之間的間隙回流至前輪面和前軸封之間的腔室，高壓轉(zhuǎn)子第一級葉輪也會受到這股冷卻蒸汽的冷卻。（2）汽缸的夾層冷卻。高壓汽缸夾層冷卻，對于主蒸汽壓力為25MPa的超超臨界汽輪機，調(diào)節(jié)級后壓力約為22MPa，內(nèi)缸承受壓差約13M

14、Pa，外缸承受壓力約9MPa，高壓缸排汽壓力約為5MPa 。從高壓缸通流部分引出部分蒸汽在內(nèi)外汽缸夾層中循環(huán)，可以冷卻內(nèi)缸，限制內(nèi)缸向外缸的熱交換和熱輻射。在汽缸夾層應(yīng)設(shè)計小的蒸汽流量，內(nèi)缸外表面和外缸內(nèi)表面的對流換熱的放熱系數(shù)不宜過大。應(yīng)注意防止汽缸的高溫部位被過度冷卻反而引起比較大的熱應(yīng)力；避免內(nèi)缸外表面的強對流，以減小內(nèi)缸的熱應(yīng)力和熱變形。內(nèi)缸安裝在外缸內(nèi)，內(nèi)缸應(yīng)能夠自由膨脹，兩只汽缸的對中由水平中分面處的支承和垂直中心線上的鍵來保證。中壓汽缸夾層冷卻，中壓內(nèi)缸內(nèi)表面再熱蒸汽溫度593，中壓內(nèi)缸外表面流過約460的中壓抽汽。中壓內(nèi)缸內(nèi)外表面的金屬溫度差比較大，運行中熱應(yīng)力有可能引起內(nèi)缸熱

15、變形。為了減小中壓內(nèi)缸內(nèi)外表面的金屬溫度差，在中壓內(nèi)缸內(nèi)表面處設(shè)計一個遮熱罩8。國外運行機組的測量數(shù)據(jù)，驗證了采用遮熱罩后中壓內(nèi)缸內(nèi)外表面金屬溫度差減小的效果。3 冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù) （1）冷卻參數(shù)的設(shè)計。在冷卻蒸汽參數(shù)的選取方面，冷卻通道進口處冷卻蒸汽的溫度應(yīng)低于部件高溫部位的工作溫度；冷卻通道進口處的冷卻蒸汽的壓力應(yīng)高于冷卻通道出口處的蒸汽壓力，以保證冷卻蒸汽流過；冷卻蒸汽的流速（或流量）不宜過大，對流放熱系數(shù)不宜過大，以避免強對流引起過大的熱應(yīng)力。在冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計方面，級的反動度、葉型根部反動度、冷卻通道的面積、汽封間隙、平衡孔的尺寸與形狀等因素對冷卻流量影響比較大，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計合理

16、分配冷卻蒸汽的流量。采用蒸汽冷卻技術(shù)，影響超超臨界汽輪機的經(jīng)濟性，設(shè)計中應(yīng)盡可能選用少量冷卻蒸汽，對汽輪機部件高溫部件的高溫部位進行冷卻。采用蒸汽冷卻技術(shù)后，轉(zhuǎn)子軸向力的變化還應(yīng)進行計算分析和設(shè)計校核。總之，對于冷卻參數(shù)的選取、冷卻通道面積的設(shè)計、冷卻蒸汽流量的分配、蒸汽冷卻對汽輪機經(jīng)濟性和轉(zhuǎn)子軸向推力的影響等蒸汽冷卻的關(guān)鍵技術(shù)，需要進行詳細的計算和分析研究，目的是為冷卻方案的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。建立模擬調(diào)節(jié)級葉輪等冷卻結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)試驗裝置，通過試驗研究驗證冷卻結(jié)構(gòu)的流動特性，可以為冷卻結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計提供依據(jù)。（2）部件溫度場和應(yīng)力場的有限元計算分析。對于超超臨界汽輪機的轉(zhuǎn)子、汽缸和噴嘴室，建立兩

17、維或三維有限元計算力學模型，給定熱邊界條件和力邊界條件，進行瞬態(tài)溫度場計算、穩(wěn)態(tài)溫度場計算和熱應(yīng)力場計算，可以定量分析和評定不同冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的冷卻效果，為超超臨界汽輪機部件冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供科學依據(jù)。過去幾年，上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究所完成了5個型號汽輪機15個部件的溫度場和應(yīng)力場的有限元計算分析以及壽命評定工作，已積累的經(jīng)驗可以應(yīng)用于超超臨界汽輪機部件冷卻技術(shù)的研究和冷卻方案的評定。亞臨界汽輪機轉(zhuǎn)子的溫度場和熱應(yīng)力場的計算通常使用兩維有限元計算力學模型，采用蒸汽冷卻技術(shù)的超超臨界汽輪機轉(zhuǎn)子的溫度場和熱應(yīng)力場的計算必須使用三維有限元計算力學模型。冷卻蒸汽與高溫部位的熱交換分析尚有待進一

18、步研究，高溫部件溫度場和熱應(yīng)力場的科研工作是超超臨界汽輪機高溫部件設(shè)計評審和冷卻方案評定的重要技術(shù)手段。（3）冷卻效果的測量與驗證。在超超臨界汽輪機的高壓噴嘴室、中壓蒸汽室、內(nèi)缸等部件的表面設(shè)計并安裝溫度測點，在汽輪機投入運行后驗證這些部件蒸汽冷卻的效果。對于反動式汽輪機，在第2級和第3級靜葉上打孔，設(shè)計并安裝溫度測點，測量靜葉環(huán)內(nèi)表面工作溫度；在汽輪機投入運行后驗證汽輪機高壓轉(zhuǎn)子或中壓轉(zhuǎn)子蒸汽冷卻的效果。監(jiān)視汽輪機內(nèi)蒸汽和金屬溫度的熱電偶，安裝在保護套管內(nèi)，穿過缸壁，焊在汽缸上。根據(jù)汽輪機轉(zhuǎn)子和汽缸壽命在線管理的要求，確定溫度測點位置。有的測溫熱電偶需要穿過幾層缸，直達要求測量的溫度區(qū)域。4

19、 結(jié)論 （1）先進的蒸汽冷卻技術(shù)是超超臨界汽輪機研制和生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，采用蒸汽冷卻技術(shù)，可以提高材料的使用等級，有利于延長超超臨界汽輪機高溫部件的設(shè)計壽命。（2）超超臨界汽輪機不同的部件采用不同方案的冷卻技術(shù)和不同的冷卻結(jié)構(gòu)。常用的冷卻方案有：外來蒸汽冷卻、級后蒸汽冷卻、汽缸夾層冷卻、第1級設(shè)計成沖動級、第1級葉型根部設(shè)計成負反動度、特殊結(jié)構(gòu)的葉輪平衡孔、渦流冷卻擋熱板、遮熱罩等。（3）超超臨界汽輪機部件冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)為冷卻蒸汽參數(shù)的選取、級反動度的設(shè)計、冷卻通道面積和汽封間隙的設(shè)計、部件穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)溫度場和應(yīng)力場的有限元計算分析、不同方案冷卻效果的評定和驗證。深入的科研工作是超超臨

20、界汽輪機高溫部件冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計與開發(fā)的基礎(chǔ)，也是研制和生產(chǎn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超超臨界汽輪機高溫部件的前提，國內(nèi)有關(guān)單位應(yīng)予以足夠的重視。參考文獻1 史進淵，楊宇，孫慶，崔琦，張兆鶴. 超超臨界汽輪機技術(shù)研究的新進展J. 動力工程，2003，23(2):22522257.2 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究所. 1000MW火電機組文集C. 1996.3 水利電力部科學技術(shù)情報研究所. 國外超臨界機組文集C. 1986. 4 Masaharu Matsukuma, Ryotaro Magoshi, et al. Design and Operating Experience of 1000MW High-

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