哈汽1000MW百万机组简要说明.docx
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哈汽1000MW百万机组简要说明
九、哈汽需要说明的其它内容
目录
一、东芝公司业绩表150
二、东芝公司超超临界公司1000MW汽轮机介绍153
三、末级叶片设计说明164
四、相似性机组比较173
五、材料选择说明177
六、防固粒腐蚀的措施182
七、防激振力措施184
八、转子冷却系统设计185
九、末级叶片防水蚀措施187
十、阀门严密性试验(6~12个月)188
十一、动叶片强度设计数据189
十二、滑销系统图190
十三、轴系安装扬度曲线191
十四、机组老化曲线192
十五、油漆工作清单说明(仅供参考193
十六、转子接地措施194
十七、汽轮机旁路说明(仅供参考)195
一、东芝公司业绩表
1东芝公司超超临界业绩表
机组
蒸汽条件
出力
投运日期
川越#1
31MPa566/566/566℃
700MW
6/1989
川越#2
31MPa566/566/566℃
700MW
6/1990
敦贺#1
24.1MPa566/566℃
500MW
10/1991
能代#2
24.1MPa566/593℃
600MW
12/1994
苓北#1
24.1MPa566/566℃
700MW
7/1995
原町#1
24.5MPa566/593℃
1000MW
7/1997
七尾大田#2
24.1MPa593/593℃
700MW
7/1998
知内#2
24.1Mpa566/566℃
350MW
9/1999
橘湾#1
25.0Pa600/610℃
1050MW
6/2000
橘湾#1
24.1MPa566/593℃
700MW
7/2000
敦贺#2
24.1MPa593/593℃
700MW
10/2000
苅田新#1
24.1MPa566/593℃
285MW
7/2001
CALLIDE#1
25MPa566/566℃
420MW
8/2001
CALLIDE#2
25MPa566/566℃
420MW
3/2002
碧南#4
24.1MPa566/593℃
1000MW
11/2001
碧南#5
24.1MPa566/593℃
1000MW
11/2002
TARONG#1
25MPa566/566℃
450MW
1/2003
苓北#2
24.1MPa593/593℃
700MW
7/2003
2东芝公司1000MW超临界机组业绩
No.
机组
蒸汽条件
频率
机组形式
投运日期
1
袖浦#2
24.1MPa538/566℃
50HZ
CC-4F41
9/1975
2
東扇岛#1
24.1MPa538/566℃
50HZ
CC-4F41
9/1987
3
广野#4
24.1Mpa538/566℃
50HZ
CC-4F41
1/1993
4
新地#2
24.1MPa538/566℃
50HZ
CC-4F41
7/1995
5
原町#1
24.5MPa566/593℃
50HZ
CC-4F41
7/1997
6
碧南#4
24.1MPa566/593℃
60HZ
TC-4F40
11/2001
7
碧南#5
24.1MPa566/593℃
60HZ
TC-4F40
11/2002
8
橘湾#1
25.0MPa600/610℃
60HZ
CC-4F48
6/2000
9
泰州#1
25.0MPa600/600℃
50HZ
TC-4F48
在制
10
泰州#2
25.0MPa600/600℃
50HZ
TC-4F48
在制
3东芝公司600MW及600MW以上汽轮机业绩
机组容量
50HZ
60HZ
1000MW及以上
5
3
700MW-1000MW
-
16
600MW-700MW
29
7
合计
34
26
4东芝公司超临界机组业绩
机组容量
50HZ
700MW及以上
24
500MW-700MW
33
350MW-500MW
10
合计
67
二、东芝公司超超临界公司1000MW汽轮机介绍
1.概述
本次超超临界汽轮机由哈汽—东芝联合设计制造。
机组为一次中间再热、四缸、四排汽(双流低压缸)单轴、带有48英寸末级叶片的凝汽式汽轮机,机组型号TC4F-48”。
汽轮机应用的设计和结构特征,在很多相近蒸汽参数和相近功率的机组上得到验证。
汽轮机纵剖面如图1所示。
主蒸汽通过4个主汽阀和4个调节阀,由4根导汽管进入汽轮机高压缸的上下半,进入高压缸的蒸汽通过双流调节级,流向调端通过冲动式压力级,做功后由高压排汽口排入再热器。
再热后的蒸汽通过再热主汽调节联合阀流回到汽轮机双分流的中压缸。
通过冲动式中压压力级做功后由中低压连通管流入两个双流的低压缸。
蒸汽在通过冲动式低压级后,向下排到冷凝器。
为方便维修,高、中、低压缸采用水平中分面的设计。
通过对水平中分面的准确加工或手工研磨,保证上下半金属的完全紧密接触和汽密性。
对于受高温影响的部件,通过合理设计降低温差和温度梯度来减少热应力。
汽轮机技术数据和材料参见投标书和材料表。
2.东芝公司超超临界机组的业绩
电厂名称
机组
数量
功率
MW
压力
Mpa
温度
℃/℃
投运
日期
转速
rpm
型式
末叶长度
inch
橘湾#1
1
1050
25.1
600/610
6/00
3600/1800
CC4F-48”
48”
袖浦#2
1
1000
24.2
538/566
9/75
3000/1500
CC4F-41”
41”
東扇岛#1
1
1000
24.2
538/566
9/87
3000/1500
CC4F-41”
41”
广野#4
1
1000
24.2
538/566
1/93
3000/1500
CC4F-41”
41”
新地#2
1
1000
24.2
538/566
7/95
3000/1500
CC4F-41”
41”
原町#1
1
1000
24.2
566/593
7/97
3000/1500
CC4F-41”
41”
碧南#4
1
1000
24.2
566/593
11/01
3600
TC4F-40”
40”
碧南#5
1
1000
24.2
566/593
11/02
3600
TC4F-40”
40”
意大利Torviscosa
1
280
12.02
566/566
6/15
48”
泰州#1
1
1000
25
600/600
在制
3000
TC4F-48”
48”
泰州#2
1
1000
25
600/600
在制
3000
TC4F-48”
48”
3.1000MW超超临界汽轮机简介
3.1汽轮机的设计和结构特点
本机组采用以下,并在多台相近蒸汽参数和相同容量的机组得到验证的设计和结构特征,来保证机组具有高的可靠性和运行高效率。
·模块设计
·水平中分面结构
·高效率冲动式叶型
·经过验证的叶片固定方式
·汽缸和隔板精确的同心度
·实心整锻转子
·每个转子配有独立的双轴承支撑
·选用合适的材料来适应高蒸汽参数
东芝公司的汽轮机可靠性好,寿命长。
运行在澳大利亚的Eraring4号660MW机组,到进行压力表检修停机时(从1995年2月26日至1996年12月31日),连续不间断运行673天,打破了汽轮发电机组持续运行607天的前世界记录。
这使Eraring4号机组成为世界上最可靠的汽轮发电机,可用率达99.63%。
由于机组的蒸汽参数高,压力为25MPa,再热温度由600℃提高到6100C,且采用直流锅炉,锅炉管道内壁锈蚀剥离物进入蒸汽中成为固体颗粒,使得高中压阀门,高压调节级,中压第一级固粒腐蚀要比亚临界机组严重,设计中必须考虑如何减少固粒腐蚀。
本机组的高压喷嘴采用渗硼处理,中压喷嘴采用涂陶瓷材料处理,增加表面的硬度。
喷涂厚度0.25±0.05mm,硬度1000(Hv)。
大量运行经验表明效果良好、安全可靠。
由于蒸汽密度大,级间压差大,蒸汽激振力也大,当动静部分不对中,汽封间隙周期性变化时,所产生的蒸汽激振力可能会引起转子低频振动。
因此在考虑轴系稳定性时,必须要考虑蒸汽激振力的影响。
机组设计上主要通过以下几方面来解决:
·每根转子在工厂内部进行低速和高速动平衡,将不平衡量降到最小;
·设计使转子的临界转速和额定转速不产生相互的影响;
·转子设计精确对中,保证在运转时不会产生额外的力和力矩;
·合理设计动静之间的间隙,保证在启动和停机时转子和汽封不会产生摩擦;
·在隔板汽封和高压缸的端汽封上面安装防汽流涡动的汽封,防止在汽封圈环形位置的汽流压力分布不均会导致转子的不稳定振动,如图2所示:
3.2高压汽缸(HP汽缸)
高压缸为单流式,包括1个双向流冲动式调节级和9个冲动式压力级。
高压汽缸采用双层缸结构,内缸和外缸之间的夹层只接触高压排汽,可以使缸壁设计较薄,高压排汽占据内外缸空间,从而使汽缸结构简化,见图3。
汽缸设计采用合理的结构和支撑方式,保证热态时热变形对称和自由膨胀,降低扭曲变形。
高压内、外缸是由合金钢铸件制成。
精确加工或手工研磨水平中分面达到严密接触,防止漏汽。
内缸支撑在外缸内,允许零件根据温度变化自由膨胀和收缩。
内缸下部由支撑垫块支撑,通过调整支撑垫块上的调整垫片来确保内缸垂直对中的准确性。
该垫片表面进行硬化,以减少内缸膨胀和收缩时的相对运动产生的磨损。
高压汽缸的外缸由延伸到轴承箱上的汽缸猫爪支撑。
压力级采用具有比较高的效率和良好的空气动力效率的全三维设计冲动式叶片。
高压转子由双轴承支撑,采用具有良好的耐高温和抗疲劳强度的12Cr合金钢制成,并进行加工而形成轴、叶轮、支持轴颈、推力盘和联轴器法兰。
装配主油泵叶轮和机械超速跳闸装置的接长轴通过螺栓紧固到高压转子的前端。
高压调节级后的腔体内,电端的设计压力要比调端的压力略高。
可以强制汽流在腔室内流动,防止高温蒸汽在转子和喷嘴室之间的腔室内停滞,同时冷却高温进汽部分,见图4。
每根转子在加工前,都要进行超声探伤和其它各种试验以确保锻件满足物理和化学特性的要求。
动叶组装好后,进行动平衡试验仔细对转子进行平衡,并用高速动平衡机以额定速度对其进行最终平衡。
3.3中压汽缸(IP汽缸)
中压汽缸为双流式、双层缸结构,结构和原理同高压缸相同。
每个流向包括全三维设计的7个冲动式压力级。
中压缸转子也由具有良好的耐高温和抗疲劳强度的12Cr合金钢制成的双分流对称结构,并进行加工而形成轴、叶轮、支持轴径和联轴节法兰。
中压转子由高压缸调节级后漏汽进行冷却。
3.4低压缸(LP汽缸)
两个双流低压缸结构相似。
每个低压缸叶片正、反向对称布置。
每个流向包括6个冲动式压力级,低压末级为48英寸(1219.2mm)钢叶片。
采用新型低压缸,安装在轴流汽缸中,可以使蒸汽从汽缸出汽端旋转一恰当角度,来减少低压缸中的热损和压降。
低压缸具有水平中分面以进行检测和维修。
在外缸内有一个内缸,由4个支撑垫块支撑固定,防止内缸沿轴向和横向移动。
低压隔板安装在内缸中。
低压末级隔板由内环、外环、静叶片组成。
静叶片的吸力面及压力面均设有疏水缝隙,外环的内表面、内环的外表面、与冷凝器相连接,因此也处于真空状态。
末级产生的水滴由疏水缝隙收集,通过空心静叶片、空心内环、空心外环及在中分面处的连接管,由下半的疏水管流入冷凝器。
低压转子由具有良好的抗低温脆性转变性能的Ni-Cr-Mo-V钢实心锻件加工而成。
低压汽缸上备有安全大气阀和人孔。
靠近发电机的低压缸在发电机端备有盘车装置。
3.5滑销系统
汽轮机绝对死点,分别在1号低压缸和2号低压缸及3号轴承箱的中心处,以键固定以防止轴向移动,机组在运行工况下膨胀和收缩时,1号和2号轴承箱可沿轴向自由滑动。
轴承箱和低压缸也要加以固定防止横向移动。
为了使汽缸和滑销及台板之间能更好的接触与滑动,在两者之间装有油浸渍黄铜或铸铁,并保证足够的接触面积。
3.6喷嘴室
喷嘴室特殊的结构大大地减少了汽缸高压区的挠曲和热应力。
喷嘴室是薄壁压力容器,装有调节级喷嘴,喷嘴组与喷嘴室组焊为一体,刚性好,热膨胀性能好。
喷嘴室与汽轮机汽缸并非一体,但相对汽缸能自由膨胀。
负荷改变时,喷嘴室吸收调节级喷嘴区的热冲击,这样只有很少的冲击能够传到汽缸。
全周进汽启动和加负荷能很好地在分配汽缸高温高压区的热量。
特殊的喷嘴室结构与全周进汽相结合,减少了汽缸出现裂纹的可能性并减少维修工作量。
3.7汽轮机叶片
东芝公司在汽轮机叶片设计方面具有的丰富经验,通过现代化手段计算叶轮的挠性,弯曲度和拉筋的影响,以及许多其它用来确定叶片设计的复杂因素。
所有的叶片都是高效,无故障和高度可靠的,叶片由不锈钢锻件加工制成,具有良好的强度和疲劳特性,并有较高的抗汽蚀性式和抗腐蚀性。
这些叶片的叶型选自一组曾大量使用的标准叶片中的叶型。
带有菌形叶根并通过紧固加工配合件与轮缘外包配合。
外包配合用来保护轮缘不受蒸汽侵蚀。
4.
阀门
4.1主汽阀(MSV)
主汽阀与调节阀为一体式结构,由合金钢铸件同时制成。
主汽阀在限定的汽轮机转速时完全打开,在正常运行时保持完全开启状态。
由事故跳闸系统控制执行机构关闭。
主汽阀主要的功能是为汽轮机提供第二道保护系统(备用保护),防止在调节阀或正常控制装置失效的情况下大量主蒸汽进入汽轮机。
同时,在正常停机或手动事故跳闸时主汽阀也会关闭。
主汽阀内部装有精过滤网,实现多层过滤。
最外层是粗网,里层是精网,钻孔板及滤网体,可有效的避免固粒腐蚀。
为了消除汽流不稳定和冲击波引起的阀杆振动,选用了低振动型调节阀,提高了可靠性。
4.2调节阀(CV)
蒸汽通过主汽阀后,流过调节阀进入到高压缸。
调节阀用来调节进入到汽轮机的蒸汽量。
通过汽轮机的液压系统由电液转换器(D-EHC)操纵执行机构打开和关闭阀门。
4.3再热主汽调节联合阀(CRV)
机组配有两套再热主汽调节联合阀,每根再热蒸汽管上装有一套。
中压主汽阀、调节阀共壳体,由合金钢铸件制成。
主汽阀碟与调节阀碟共享一个阀座,主汽阀与调节阀可以各自独立地,互不干扰地全行程移动,不受对方位置
的影响。
中压阀门的第一个作用是紧急情况的保护,在紧急跳闸系统的作用下,它们同时关闭,防止积累在再热器的蒸汽进入汽轮机;第二个作用是汽轮机进汽量的控制。
阀门结构紧凑,减少了管道损失。
中压联合阀上装有与高压主汽阀相同结构的精过滤网,可防止再热器及管道中的固体粒子进入中压阀门及中压缸。
5.轴承
所有轴承都通过压力油润滑。
为了确保每个支持轴承在任何时候都可以精确的对中,轴承设计有自位特性。
根据轴承的载荷,选择采用可倾瓦轴承或椭圆轴承。
每个可倾瓦轴承带有6个独立垫块,所有垫块通过支点定位到轴承环上,可以根据转子的情况自动对中。
椭圆轴承在轴承体和轴承环之间采用球面接触,轴承的球形座由手工刮削而成,并安装在每个轴承上以获得适当的运动自由度。
供油装置可以保持润滑油处于适当的运行温度下,通过供油管路中的节流孔板,控制每个轴承的供油量,维持轴承的运行温度。
为了便于调整,轴承的底座采用能够很容易拆除或替换的垫片来保证在装配时精确找中,并用止动销固定轴承壳体防止轴向窜动。
轴承上镶有经过严格控制、高质量的巴氏合金块,通过燕尾槽固到轴承上。
有助于保证长期运行中的低维修率。
转子轴向位置由斜面式推力轴承决定。
推力轴承结构装配简单,占据空间小,具有较高的承载能力,推力盘包围在推力轴承内,推力轴承表面镶巴氏合金,由径向油槽分割成许多瓦块。
推力瓦块由内径向外径做成楔面。
油进入推力轴承后,由于转子驱动,在推力盘和推力轴承之间形成连续的油膜。
推力轴承刚度很好,具有较长的使用寿命。
6.盘车装置
盘车装置安装在后轴承箱内,由发电机带动齿轮驱动,盘车装置的齿轮与转子联轴器上的齿轮互相啮合。
当汽轮机通汽,转速超过设定值时,盘车装置自动退出,在盘车装置前部有低速限位开关。
并设有带信号的显示器来显示盘车装置是否运行。
设有一压力开关,防止盘车装置在轴承润滑油系统未投入时运行。
7.系统
数字、电液控制系统,润滑油系统,汽封系统,疏水系统及后汽缸喷水系统采用已在多台机组上运行过的成熟的系统,保证机组安全可靠的运行。
三、末级叶片设计说明
1前言
本机组末级叶片采用由GE公司动力系统与东芝公司共同开发设计的48英寸钢制叶片。
就环形面积来说,48英寸叶片是世界上最长的3000rpm钢制末级叶片。
汽轮机叶片的形状和长度决定着有多少蒸汽可以做功,末级叶片越长,做功能力越大,同样汽轮机出力,所需低压缸数目就少,例如1000MW机组采用48英寸叶片仅需四排汽低压缸。
从而能够降低电厂投资,降低电力生产成本。
在80年代,大多数汽轮机制造厂开发并投入使用了具有相似的环形面积的钛合金叶片,后来由于设计方法和材料性能的发展,GE公司动力系统和东芝公司决定开发由钢作为材料的新型叶片,使用钢作为叶片材料降低了用户费用,避免了优质钛合金锻件供应上和价格上的不确定性。
48英寸末级叶片为末三级共同开发设计,在2001年GE公司动力系统和东芝公司完成了全部开发设计工作和试验验证工作,并取得了订货,将在2005年6月在意大利的Torviscosa电站投运。
叶片的设计概况见表1。
表148英寸叶片设计概况
48英寸叶片设计参数
叶高
1219.2mm
根径
1879.6mm
环形面积
11.87m2
叶顶圆周速度
678m/s
叶根形式
圆弧枞树形
连接形式
阻尼凸台/套筒+自带围带整圈连接
材料
15Cr钢
48英寸叶片开发历程
气动设计和结构设计
1998
1999
2000
2001
模型制造和性能验证试验
2叶片设计基本概念
末级叶片的设计范围可设定级中质量流量、容积流量和焓降三个独立的变量。
这些变
量中最合适的变量就是端负荷、平均轴向流速(或Vax)和出口湿度。
汽轮机末级叶片通常应适用于不同出力和不同运行工况。
对于汽轮机末级叶片典型的运行范围端负荷范围是,端负荷:
5-21kg/s/m2;叶片顶部速度:
150-300m/s;出口湿度:
4%-10%。
在调查市场需求的基础上,GE公司和东芝公司为48英寸末级叶片选择的主要设计点是:
端负荷:
11kg/s/m2;叶片顶部速度:
225m/s和8%的出口湿度。
除此主设计点之外,还研究了其它的高负荷和低负荷设计点。
设计按主设计点优化并考虑其它次要设计点,以保证在这些设计点不出现性能问题。
叶片运行范围见图1。
4末级叶片结构设计
图2表示为已开发的48英寸钢制末级叶片的结构特点。
强度设计的突出特点是:
采用圆弧枞树型叶根、作为减振件的拉筋凸台及套筒、以及整体围带。
圆弧枞树型叶根的紧凑性减小了转子应力。
整体围带和凸台套筒提高了整圈叶片的频率(与自由叶片相比);从而提高了叶片刚性。
另外,此种结构通过相邻叶片相接触部位的材料机械阻尼作用进一步起到了减振效果。
见图3。
48英寸末级叶片的强度进行了详细的计算,并且在全比例的转子上进行了充分的末三级试验验证,计算和试验结果表明叶片在工作区域内安全可靠。
末级叶片允许的运行频率范围见图4。
图5表示末级叶片有限元的分析计算结果,计算结果表明,叶片的最大局部应力均小于屈服应力,低周疲劳没有风险。
图6表示装有48英寸钢制末级叶片,次末级叶片和次次末级叶片的全尺寸试验转子。
利用48英寸全尺寸试验转子进行的强度试验来确认强度设计阶段的计算。
从工作速度到0转速的叶型转向(扭转恢复)、静态结构和动态结构部分(叶片固有频率)都已通过在叶轮试验装置中的试验得以验证。
试验装置见图7,坎贝尔图见图8、图9。
5末级叶片气动设计
末三级作为一个级组在气动设计时综合应用了通流部分,流线曲率设计,2元叶栅分析和现代的3元计算流体力学分析技术。
这种设计体系体现了先进的空气动力学特征,包括子午面流谱(见图10),轴向和切向复合倾斜的末级静叶(见图11),与其相匹配的次末级出口型线,末级动叶的径比(L/D)可以达到了0.43。
环形面积增加到11.87m2。
采用了在子午面流道轮壳处设计成一个负斜率流道(见图10),并结合末级静叶倾斜减小了在静叶出口处的径向压力梯度。
提高了根部反动度,降低了轮毂比,而且减少了叶顶外壁的扩张角。
为了进一步减少末级静叶出口处的径向压力梯度,末级静叶上使用了切向复合倾斜的静叶,这种切向倾斜度对汽流产生了一个向心力的效应,强制更多的流量进入轮毂区,提高了这个区域的压力。
除了在切向复合倾斜以外,末级静叶在轴向也有复合倾斜,轴向倾斜的主要目的是增大静叶与动叶片顶部的距离,同时仍保持沿叶高其余部分较小的轴向间距。
在顶部,所以要求较大的轴向间距是为了使离开静叶的水珠有足够的时间在进入末级动叶之前加速。
水珠速度和蒸汽流速有较好的匹配,可减轻浸蚀,有助于提高叶片的长期可靠性。
利用了二维、高精度N-S方程求解程序和MUSCLTVD法评估和优化了叶型设计。
图12表示叶顶、节径处和叶根截面叶型的等马赫数线。
图13表示48英寸顶部叶型的计算结果。
因为新设计的顶部叶型为缩放叶型,损失降到接近设计马赫数(1.8左右)的最低值。
利用三维N-SCFD方程求解程序进一步评估和优化了级的三维气动设计。
图14表示现行48英寸末叶的三维等马赫数线。
次末级和次次末级与末级一起进行设计,以形成一个有效的三级流道。
对次末级的喉部径向分布进行了专门设计,以获得末级静叶进口处最佳的滞止压力和热焓。
对次次末级喉部径向分布进行的设计,通过把流量移至效率最高区,从而使效率增到最高值。
6试验验证
在1/3比例的试验透平低压缸中进行了装有新的钢制末级叶片的总体级效率试验验证。
所用的10MW试验汽轮机系统示意图见图15,试验汽轮机图见图16,试验转子图见图17,探针径向布置图见图18,探针图见图19。
模型汽轮机的蒸汽参数非常接近实际全尺寸汽轮机中的蒸汽参数。
模型汽轮机末级和前面两级分开,以便能精确测量末级的出力。
试验透平中的试验是在一些不同的端负荷状态下进行的。
图20表示48英寸钢制末级叶片的效率试验的结果,结果表明末级效率几乎与设计点的预期效率相等。
图21表明所测进汽角与利用级的三维分析计算分布情况比较,测量结果与计算结果非常相当一致。
图22表示所测末级出口总压分布也与级的分析结果相似。
试验结果显示新开发的钢制48/40英寸末级叶片在设计工况和部分负荷工况下都有很高的效率。
强度试验证实了强度设计计算。
叶型从工作速度到零转速的变化状况,静态设计和动态设计(叶片的固有频率)都在叶轮试验装置中经过了试验验证。
见第4部分。
8结论
48英寸末级叶片的应用,将明显提高汽轮机的性能和可靠性。
设计时利用了最新的分析工具和设计方法,可最大程度的提高汽轮机效率,并使其可靠性保持现有的
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