EPR汽轮机低压内外缸相对初始安装位置的改进分析

王华龙，杨宏飞，李旭

（中广核工程有限公司，台山工程项目部，广东　台山，529228）

EPR汽轮机低压内外缸相对初始安装位置的改进分析

王华龙，杨宏飞，李旭

（中广核工程有限公司，台山工程项目部，广东台山，529228）

对于台山项目EPR汽轮机低压内、外缸相对初始安装位置，供应商给出了2种不同方案。1种方案是LP1/LP2/ LP3低压外缸中心线相对于各自对应的低压内缸中心线分别往发电机侧偏移+6.00 mm、+3.00 mm、+0.00 mm；另1种方案是3个低压内、外缸中心线分别重合。文章根据当地实际环境温度，采用分段法计算了低压内缸在正常运行状态下的热膨胀量。通过分析低压内、外缸采用各种相对初始安装位置后O型柔性密封环在正常运行时的轴向热膨胀补偿量，提出了比现有方案更佳的改进建议方案，可为后续项目提供一些参考。

EPR汽轮机，安装位置，分段法，O型柔性密封环

0　引言

随着人类对核电安全性和经济性要求的提高，核电机组不断升级换代。在此背景下，三代大容量EPR机组应运而生。作为国内首台EPR汽轮机，台山核电汽轮机是目前世界上单机容量及尺寸最大的汽轮机，其在凝汽器、低压外缸、低压内缸连接设置上有以下特点：

（1）为了消除低压外缸自重以及作用在外缸上的大气压力传递至汽轮发电机组基础平台上，进而放宽平台的承载要求，3个外缸通过联接板分别刚性焊接在凝汽器3个喉部上，并在热工况下随凝汽器一起膨胀；

（2）为了保证低压内、外缸前后端结合处的密封性，防止外部空气漏入而影响凝汽器真空，在内、外缸前后端设置了O型柔性密封环 （见图1）。

图1　O型柔性密封环设置示意图

由于内缸和凝汽器-外缸的膨胀死点、热膨胀量及膨胀方向不尽相同，故O型柔性密封环除了起密封作用外，还要能吸收内、外缸间的自由热膨胀差。为了减少密封环在安装和运行状态下的补偿量，延长其使用寿命，减少大修时间及费用，需要通过分析密封环在正常运行状态下的热补偿量，来确定低压内、外缸间最佳的相对初始安装位置。

本文通过采用分段法近似计算了低压内缸在正常运行状态下的热膨胀量，进而分析了低压内、外缸采用不同相对初始安装位置后O型柔性密封环在正常运行状态下的轴向热膨胀补偿量，得出了一个更佳的内、外缸相对初始安装位置。

1　EPR汽轮机低压内缸和凝汽器-低压外缸间的布置

EPR汽轮机有3个低压模块，每个模块有1个内缸和1个外缸。3个低压内缸通过前后端台板支撑在基础平台上，并各有1个膨胀死点设置在前端。3个低压外缸通过联接板刚性焊接在3个凝汽器喉部上，以凝汽器中心线上的死点为膨胀起始点。为了将内缸和凝汽器-外缸结合处密封起来，在各个模块前后端设置了O型柔性密封环，用其来补偿前后端内、外缸间的热膨胀位移差 （本文主要讨论轴向热膨胀位移差）。具体布置见图2。

图2　低压内缸和凝汽器-低压外缸布置图

2　EPR汽轮机低压内、外缸在正常运行状态下的热膨胀量

EPR汽轮机低压内缸分为低压进汽腔室、第2级排汽腔室、第4级排汽腔室和低压缸排汽室共7个独立腔室，在各室中的蒸汽分别为低压进汽、第2级排汽、第4级排汽和低压缸排汽，其物理尺寸和蒸汽温度分别如图3所示。

在此采用分段法计算低压内缸在正常运行状态下的热膨胀量，即按腔室将内缸分为7段，并对各段选取不同的热膨胀温度进行计算。

图3　低压内缸腔室分布图

为了提高低压内缸效率，设计方在内缸外表面设计了隔热板，设计隔热板后低压内缸传热情况如图4所示。

图4　低压内缸壁面传热图

根据传热学原理，可列出：

其中：q为热流密度；tf1为低压内缸中间部分5个腔室内蒸汽温度 （具体见图3中t1、t2、t3），tw1为内缸内侧壁温；tw1'为内缸外侧壁温；tw2为隔热板内侧壁温；tw2'为隔热板外侧壁温；tf2为低压缸排汽温度 （具体见图3中t4）；δ1为低压内缸壁厚（25～320 mm）；δ2为隔热蒸汽厚度 （40 mm）；δ3为隔热板厚度 （2 mm）；λ1为内缸材料导热系数 （对于低合金钢Q345，20℃时，导热系数λ=44.55 W/（m·K），100℃时，λ=42.95 W/（m·K），200℃时，λ=41.02 W/（m·K）［1］）；λ2为隔热蒸汽导热系数（取λ=0.023 W/（m·K）［2］）；λ3为隔热板材料导热系数 （对于碳素钢Q195，20℃时，导热系数λ=72.0 W/（m·K），100℃时，λ=68.0 W/（m·K），200℃时，λ=60.0 W/（m·K）［3］）；h1为内侧换热系数 （取h=500～3 500 W/（m2·K）［2］），h2为外侧换热系数。

由于隔热蒸汽热阻远远大于其他热阻，通过简要计算可得tw1≈tw1'≈tf1，即可认为内缸缸壁温度在厚度方向上均匀，并等于内缸内蒸汽温度。

根据热膨胀量计算公式ΔL=L×a×Δt可求得低压内缸在正常运行状态下的热膨胀量：

其中：a1，a2，a3，a4为低压内缸各段材料的热膨胀系数 （对于低合金钢Q345，20～100°C时，热膨胀系数a=8.31×10-6/°C，20～200°C时a=10.99× 10-6/°C［1］）；ta为环境温度 （取25℃）。

3个低压外缸通过联接板刚性焊接在凝汽器喉部，同样根据公式ΔL=L×a×ΔT可求得各低压外缸前后端热膨胀量 （见图5）：

其中，a为低压外缸材料热膨胀系数 （对于碳素钢Q235，20～100°C时，取a=12.00×10-6/°C［3］。

图5　低压外缸膨胀图

3　低压内、外缸两端O型柔性密封环轴向热膨胀补偿量

O型柔性密封环安装在低压内、外缸密封法兰面间，其轴向热膨胀补偿量等于内、外缸法兰密封面的错位量。为便于计算，做如下定义：

a、b、c分别表示低压外缸中心线在安装初始状态时相对于低压内缸中心线的偏移值，以外缸靠右为正。ΔX1q、ΔX1h、ΔX2q、ΔX2h、ΔX3q、ΔX3h分别表示低压内、外缸前后端法兰密封面的相对位移，具体见图6。

通过分析，可得：

LP1前侧相对位移：ΔX1q=ΔL1q-a=2.25-a；

LP1后侧相对位移：ΔX1h=ΔL+ΔL1h-a=3.54+ 100-a=4.54-a；

LP2前侧相对位移：ΔX2q=ΔL2q-b=0.63-b；

LP2后侧相对位移：ΔX2h=ΔL-ΔL2h-b=3.54-0.63-b=2.91-b；

LP3前侧相对位移：ΔX3q=-ΔL3q-c=-1.00-c；

LP3后侧相对位移：ΔX3h=ΔL-ΔL3h-c=3.54-2.25-c=1.29-c。

通过代入不同的安装初始状态值，可求得3个低压内、外缸前后端法兰密封面在正常运行状态下的轴向错位量，即O型柔性密封环轴向热膨胀补偿量。3个低压内、外缸前后端法兰密封面在安装状态下及正常运行状态下错位位移分别见表1、表2和表3。

表1　LP1内、外缸前后端法兰密封面错位位移

续表

表2　LP2内、外缸前后端法兰密封面错位位移

续表

表3　LP3内、外缸前后端法兰密封面错位位移

4　分析和总结

如果按照供应商第1种方案，即LP1、LP2和LP3 3个低压外缸中心线相对各对应低压内缸中心线分别往电机侧偏移+6 mm，+3 mm和+0 mm，则对于LP1模块，在安装状态时O型柔性密封环需轴向补偿6 mm，在正常运行状态时要轴向补偿3.75 mm；对于LP2模块，在安装状态时密封环需轴向补偿3 mm，在正常运行状态时要轴向补偿2.37 mm；对于LP3模块，在安装状态时密封环需轴向补偿0 mm，在正常运行状态时要轴向补偿1.29 mm。

而如果按照供应商第2种方案，即LP1、LP2、LP3 3个低压内、外缸中心线分别重合，则在安装状态时O型柔性密封环无拉扭，而在正常运行状态下LP1、LP2和LP3密封环分别需轴向补偿4.54 mm、2.91 mm和1.29 mm。

从表1～表3中，可轻易发现此2种方案不是最佳方案。对于LP1模块，如选择a=+2.5 mm，则O型密封环在安装状态及正常运行状态下轴向补偿量可控制在2.5 mm以内；对于LP2模块，如选择b=+1.5 mm，则密封环在安装状态及正常运行状态下轴向补偿量可控制在1.5 mm以内；对于LP3模块，如同样按照现有方案选择c=0，则密封环在安装状态及正常运行状态下轴向补偿量可控制在1.29 mm以内。

如果O型柔性密封环拉扭太大，其寿命将会大大减少，运行中可能出现漏气使背压上升进而造成非计划性停机。另外，安装期间是将整圈密封环放入后再吊入内缸的，如大修中要更换，则需割断低压进汽管、抽汽管及油管后将内缸吊出，再将整圈密封环放入，其工作量巨大，或者将密封环剪断后放入，再硫化粘结两端。虽可减少维修工作量，但接头处可能存在漏气风险，其弊端多多。故建议3个低压外缸中心线相对于3个低压内缸中心线在安装时分别往发电机侧偏移+2.5 mm、+1.5 mm和+0 mm，尽量提高密封环使用寿命。

［1］谭真，郭广文.工程合金热物性［M］.北京：冶金工业出版社，1994

［2］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京：高等教育出版社，2006

［3］陆明炯.实用机械工程材料手册［M］.沈阳：辽宁科学技术出版社，2004

Improvement Advice for Relative Assembly Position between LP Inner and Outer Casings of EPR Turbine

Wang Hualong，Yang Hongfei，Li Xu

（Taishan Project Department，China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Taishan Guangdong，529228）

The supplier has given two schemes for the relative assembly position between LP inner and outer casings of Taishan EPR turbine.One is the center line of LP1/LP2/LP3 outer casings moving by+6.00 mm，+3.00 mm，+0.00 mm respectively towards generator from the center line of corresponding LP inner casings，the other one is the center lines of three LP outer casings coinciding with the center line of corresponding LP inner casings.The thermal expansion value of LP inner casing has been calculated by fractionation method based on the Taishan local environment temperature.Through assuming different relative assembly position，the axial thermal expansion compensation by O type flexible sealing ring between LP inner and outer casings in normal operation is analyzed.A better scheme is concluded which will be useful for following projects.

EPR turbine，assembly position，fractionation method，O type flexible sealing ring

TK266

A

1674-9987（2015）02-0013-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.02.003

王华龙 （1985-），男，硕士研究生，工程师，毕业于华中科技大学，现主要从事核电站汽轮机设计工作。