大容量抽汽机组设计介绍

张东梅，陆斌杰，申庆超

（上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海 200240）

在水资源相对紧缺，而人口却又最多的中国，为了应对水资源危机和污染，搞好海水淡化、加快海水淡化配套设施的建设对我国建设创新型国家有着重大的战略意义。去年河北国华沧东电厂黄骅三期2.5万t／d海水淡化主设备蒸发器在临港开工制造，这是目前国内自主设计开发的单机产水量最大的海水淡化项目，它对提升自主海水淡化关键技术、推动电站集团海水淡化新产业发展具有重要的意义。而黄骅电厂用于海水淡化项目的可调整抽汽凝汽式汽轮机是上海汽轮机厂亚临界600MW 系列汽轮机中的一个新机型，按设计用于海水淡化的抽汽量为50～400t／h，抽汽压力为0.75±0.2MPa，日制水能力可达10 000t。机型为单轴、四缸四排汽中间再热抽汽凝汽式汽轮机。它是根据市场需求，在亚临界600MW 凝汽式汽轮机的基础上发展而来的。本文结合黄骅600MW 抽汽机组介绍了我厂的大功率600MW亚临界可调整抽汽汽轮机的特点。

1 与母型汽轮机结构上的主要区别

该汽轮机的母型机是具有良好运行业绩的亚临界600MW 凝汽式汽轮机，并且该汽轮机采用了与母型机完全相同的积木块：单流高压缸BB034、双流中压缸BB051 及两个双流低压缸2×BB074。本文着重介绍为满足调整抽汽而具有的一些设计和结构特点。

该汽轮机除了继承传统四缸四排汽中间再热凝汽式600MW 机组的优点外，与母型机结构上的最大不同是为了保证供汽压力，在中低压连通管上设置调节蝶阀，便于对进入低压缸的蒸汽量进行节流，以此来满足抽汽压力为0.75±0.2 MPa的要求：关小阀门，减少进入低压缸的汽量，提高阀前抽汽压力；开大阀门，增大进入低压缸的汽量，降低阀前抽汽压力。不抽汽时该阀门全开或者用接管取代，以减少压损，提高效率。考虑到现场更换方便，调节蝶阀和接管都采用法兰连接。另外还在相应的抽汽管路上设置了快关调节阀来调整抽汽量。通过这样的双阀调节，对进入抽汽管道的抽汽量和抽汽压力进行控制。控制由DEH 完成。关于这种双阀调节的方式，我们已积累了不少的成功经验。

该机组除增加了调整抽汽功能，蒸汽流量、中压排汽压力略有变化外，其他设计与母型机完全相同，因此设计重点放在如何满足调整抽汽的要求上。

2 满足调整抽汽要求的新设计

2.1 抽汽方式的确定

汽轮机对外提供蒸汽常用两种方式：一种为非调整抽汽，这种方式抽汽压力将随工况而变化。当抽汽口压力过高时，过高的压力由抽汽管道上的节流调节阀节流掉，而当抽汽口压力偏低时，就必须引入压力较高的蒸汽来满足用汽设备的需要。因此，该种抽汽方式适用于用汽设备压力变化范围不大、用汽量变化不大、工况较稳定的电厂，这种方式的抽汽系统和设备布置都较为简单方便。另一种为可调整抽汽，其抽汽量和压力都可以调整，因而提供蒸汽的压力不随工况变化，但可随用汽设备的需要而变化，所以对机组运行工况的要求比非调整抽汽模式宽松。但是抽汽量较小时，将对抽汽带来较大的节流损失。常规抽汽方式的选择将主要考虑用户对蒸汽量以及蒸汽品质的要求，并与汽轮机组特点相结合考虑。

黄骅电厂已有4台600MW 汽轮发电机组在运行，同时正在建设日产量达10万t的海水淡化装置，需要利用汽轮机四段抽汽生产淡水，并且抽汽需求变化很大（每台机组的抽汽量变化范围为50～400t／h，压力变化范围为0.75±0.2MPa）。因此从机组运行的经济性、工程的便利性等角度出发，经过论证后决定采用调整抽汽。

2.2 调整抽汽的实现与有关阀门的配置

为确保本抽汽机组的安全稳定性，并保证在所有的工况下均能提供符合制水抽汽压力要求的蒸汽，本机组采用与我厂已投运的天津杨柳青机组一致的双阀调节模式，即中压缸排汽一部分经过设置在连通管上的调节阀进入低压缸；另一部分经过抽汽管上的快关调节阀和串联的抽汽逆止阀后进入抽汽系统，该机组的可调整抽汽口布置在中压排汽口下方（即中压4号抽汽口）。母型机在该处采用“先并管后布阀门”的管路布置：先将2根DN500管子并成1根DN700管子，再串联布置2只DN700的抽汽逆止阀。因制水抽汽的要求，B157的4号抽汽口扩大为配2根DN700管子。若采用母型机“先并管后布阀门”的管路布置，先将2根DN700管子并成1根DN1000管子，再布置2只DN1000的抽汽逆止阀，这将带来两个问题：第一，DN1000 管子将引起很大的推力；第二，2只DN1000的抽汽逆止阀将增加采购成本。因此B157机组采用“先分管后布阀门”的管路布置：将一路DN700 的管路分成一路DN700和另一路DN450，再分别布置DN700 和DN450的抽汽逆止阀（见图1）。这不但降低了管道推力，而且减少了采购成本。

2.3 调整抽汽口的设置

由于调整抽汽压力与吴泾600MW 机组的4号抽汽压力接近，因此本机组在有成功投运经验的吴泾600MW 纯凝汽轮机基础上进行修改设计。经过计算论证，决定在本体上仅把原来的4号抽汽口按最大抽汽量的需要扩大为调整抽汽口，其余一切不变，这样就能可靠地保证原来汽轮机结构的良好特性，而且设计工作量也大大减少。

2.4 抽汽蝶阀支架设计

该机中压缸为双分流两排汽，共有4个中压排汽口，通过2根中低压连通管将中压排汽引入低压缸。而且在中低压连通管上的抽汽调节蝶阀很重，因此阀门布置必须与支撑方式一起考虑。曾经考虑过采用坐中缸式，但这种方式阀门太多（需4只阀门），布置也困难；又考虑过采用坐低缸式布置，但这种方式既会增加低压缸的负荷，也会遇到空间布置的困难。最后根据黄骅电厂所配汽轮机的特点，决定采用“直接走管的连通管布置、门框形落地刚性架配弹簧支座的阀门支撑方式”［2］，见图2。这个方案仅有2根连通管和2只压力调节阀，因此结构简单、布置方便。该方案获得国家实用新型专利，专利号为ZL2004200816596。

图1 调整抽汽系统阀门布置图

3 有关强度的考虑和计算

虽然此型汽轮机与母型机相比，在结构上仅有的2个4号抽汽口从Φ509／Φ490（外径／内径）扩大为Φ713／Φ683（以使抽汽流速符合设计规范，保证抽汽量满足用户要求），而通流部分完全一样，但毕竟有纯凝与抽汽的区别，其工况条件不一样，所以我们对有关部件的强度等进行了考虑和计算，以保证机组的安全可靠性。

3.1 中压末级、次末级叶片的动强度核算

因机组的改型设计需要根据调整抽汽方案进行，所以机组在大抽汽量、低调整抽汽压力工况下，中压的最后2级运行条件最恶劣，需对其进行考核。母型机的中压动叶为我厂成熟的自带整体围带－碰撞阻尼的结构形式，其叶根采用高强度的叶根型线。这种结构形式的叶片广泛运用于国内外100MW 等级以上机组的中长叶片中，至今已有近1000例成功运行的业绩，从未发生一起事故，充分说明了这种形式叶片的安全可靠性和设计准则的成熟性、先进性。经过计算，我们所采用的同类中压动叶完全满足有关设计准则的要求，其载荷远低于我厂设计的、已经成功运行多年的杨柳青抽汽300MW 机组。

3.2 中压缸的强度、刚度和运行稳定性

对中压缸来说，强度和刚度都是很重要的，而新设计的中压缸因4号抽汽口很大，导致中压缸下半在排汽端出现1个很大的孔，对汽缸的强度和刚度带来一定影响。因此，我们用有限元法按国际准则对新设计的中压缸进行计算，确保中压外缸的刚度及强度都在安全范围内。另外，根据母型机的运行情况，对用户管道在4号抽汽口处的推力和力矩的允许值做了规定，保证机组运行时汽缸的稳定性。

4 结论

本文对新型大容量抽汽汽轮机本体结构设计的有关内容作了介绍。综上所述，该型汽轮机是我厂设计的一款新型的亚临界600MW 大功率可调整抽汽凝汽式汽轮机（在设计时也是国内容量最大的抽凝机组）。由于设计人员以成熟的、具有世界先进水平的亚临界600MW 纯凝汽轮机作为该型汽轮机的母型，结合了我厂长期以来的抽凝机组的成功经验，因此该汽轮机具有技术先进、结构合理、运行灵活等特点。2013年，用户对海水淡化进行了试生产，我厂生产的汽轮机运行情况良好；预计不久之后，海水淡化的生产规模就会扩大。随着海水淡化应用的不断增多和节能减排要求的不断提高，技术先进的抽汽汽轮机的市场将会非常广阔。

［1］蔡颐年.蒸汽轮机［M］.西安：西安交通大学，2007.

［2］张东梅.600MW 抽汽机组连通管上调节调节蝶阀的支架设计［J］.热力透平，2005（2）：101－103，112.