侧向排汽汽轮机发展及设计技术要点

侧向排汽汽轮机发展及设计技术要点
谢明江;宋建华;王磊;彭金龙;朱熹;苏鑫海
【摘要】文章介绍了侧向排汽汽轮机的发展情况,并分析了侧向排汽汽轮机设计的关键技术要点,为该型汽轮机的设计开发提供了参考.
【期刊名称】《东方汽轮机》
【年(卷),期】2019(000)001
【总页数】5页(P1-4,9)
【关键词】侧向排汽;汽轮机;发展;关键技术要点
【作者】谢明江;宋建华;王磊;彭金龙;朱熹;苏鑫海
【作者单位】东方汽轮机有限公司,四川德阳, 618000;东方汽轮机有限公司,四川德阳, 618000;东方汽轮机有限公司,四川德阳, 618000;东方汽轮机有限公司,四川德阳, 618000;东方汽轮机有限公司,四川德阳,618000;东方汽轮机有限公司,四川德阳, 618000
【正文语种】中文
【中图分类】TK262
0 前言
随着经济快速发展、环保需要等因素, 目前在我国东部沿海等发达地区建立燃气-蒸汽联合循环电站的趋势十分明显。

在目前的燃气-蒸汽联合循环机组及常规火电机组中, 汽轮机几乎都是向下排汽进入凝汽器的结构。

这种结构一方面要求凝汽器
及相关管道等系统的结构庞大, 另一方面对汽轮机机房的建筑高度也提出了要求, 土建成本较高。

尤其在燃气-蒸汽联合循环机组中, 大部分燃机部分可以做低位布置, 因此, 发展紧凑型电站已经越来越被市场接受并成为市场趋势。

新的市场潮流对汽轮机-凝汽器的布置方式产生巨大影响。

在紧凑型电站中, 凝汽器与汽轮机布置在同一运行层或临层（高差为6 m 左右）, 其位置在汽轮机的轴向（轴向排汽）或是横向（侧向排汽）。

联合循环机组发展更倾向于采用轴向或侧向类型布置。

据了解, 目前国内部分制造厂家已通过与西门子或阿尔斯通等公司合作的形式, 开展了轴向及侧向汽轮机机组设计工作。

但仅涉及凝汽器的设计计算工作, 相关汽轮机均直接采购国外产品, 较少开展轴系及侧向排汽汽轮机的相关设计制造工作。

为了开拓技术市场, 积累轴向及侧向排汽汽轮机机组的设计制造经验, 开展轴向及侧向排汽汽轮机的研究工作具有重要战略意义。

1 侧向排汽汽轮机的发展
经过百余年的发展, 常规向下排汽的汽轮机技术已经非常成熟并积累了大量的设计制造经验。

近年来, 随着燃气-蒸汽联合循环汽轮机组的大力发展, 充分考虑燃机装置的布置特点并满足业主需求, 侧向排汽汽轮机组的研究开发变得越来越迫切。

这种布置方式将传统向下排汽加入凝汽器方式改变为侧向排汽进入凝汽器, 这有利于显著降低机房的建筑高度, 降低投资成本, 并缩短建设周期。

从而总体上与传统的向下排汽汽轮机组相比能大大降低电厂成本, 技术前景非常可观。

尤其对于燃气-蒸汽联合循环汽轮发电机组具有重要意义。

目前的燃气-蒸汽联合循环机组根据特定机型下燃机和汽机的布置情况分为高位布置和低位布置两种。

对于分轴机组, 采用低位布置即可满足燃机和汽轮机各自运行特点, 从而将燃机、汽轮机布置在不同的标高上（一般燃机运行平台标高4.04 m,汽轮机12 m）。

对于单轴机组, 为了满足向下排汽汽轮机的布置条件, 必须采用高
位布置,即燃机和汽轮机处于较高的同一标高（一般为12 m,13 m）。

从两种布置可以看出, 采用低位布置节省了大量建筑成本及建设工期等原始投资。

侧向排汽汽轮机及配套凝汽器机组具有以下优点：在排汽管道上及空冷器区弯管段较少；到空冷器的管道短；由于汽轮机机房较小, 土建成本较低, 因而初次投资成本较低；建筑高度较低,故可满足一定的建筑条件要求；基于以上特点,与传统下排汽机组相比, 其技术优势明显。

国外侧向排汽汽轮机的设计研究工作已经开展多年。

从20 世纪80 年代开始, 结合燃气-蒸汽联合循环机组的发展, 基于降低电厂建设成本、缩短建设工期等需要, 国外公司相继开展侧向及轴向排汽等紧凑型汽轮机的研究工作, 并设计开发了相应机型, 其中ALSTOM、 SIEMENS 及日本三菱等公司已经设计制造了多台侧向排汽汽轮机并投入商业运行。

以下为部分侧向排汽汽轮机的典型布置方案。

图1 某型侧向排汽机组布置示意图
图2 侧向排汽机组工程
图1 、 2 所示的侧向排汽机组, 其运行层标高较低, 而传统设计下排汽凝汽器布置方式的机组运行层较高, 一般为12.6 m 左右。

低压缸出汽由上部排出经转向后, 水平向流入凝汽器中。

通过对比传统下排汽电厂可以看出, 侧排气空冷机组的结构更加紧凑, 管路布置更加简单。

汽轮机基座与传统下排汽机组相比降低明显, 从而大大降低了投资成本。

90 年代开始, 国内开始引进配置侧向排汽汽轮机的联合循环机组, 开始侧向排汽凝汽器的研究工作, 但与之配套的汽轮机由国外公司设计制造。

随着技术发展, 侧向排汽等紧凑型汽轮机的市场需求更加广阔, 目前侧向排汽汽轮机组的设计制造在国内还是一个新课题。

因此, 对侧向排汽汽轮机设计应用的研究对该型机组的国产设计制造具有重要意义。

2 侧向排汽汽轮机设计技术要点
在联合循环项目中, 燃气轮机一般采用低位布置, 即燃机转子中心线一般为4.8 m
左右。

将汽轮机设计为侧向排汽方式, 即可实现与采用低位布置的燃机机组相匹配, 从而大大降低电厂投资成本, 充分发挥侧向排汽汽轮机的技术优势。

与下排汽汽轮机相比, 侧向排汽汽轮机组最大的改变是低压排汽方向更改, 因此整个低压缸需要
全新设计, 高中压模块可以不变。

根据设计布置需要, 侧向排汽汽轮机分为单侧向排汽和双侧向排汽两种。

同时, 侧
向排汽汽轮机可以分别与湿冷和空冷两种凝汽器进行匹配连接, 实现湿冷和空冷两种汽轮机的设计需要。

与成熟的下排汽汽轮机相比, 侧向排汽汽轮机在机组布置、结构设计、强度计算
等方面存在差异和难点。

其设计关键主要有以下几点：低压缸与凝汽器的连接结构设计、低压缸支撑结构设计、低压缸和凝汽器的滑销系统设计。

2.1 侧向排汽整体布置
图3 为典型的侧向排汽汽轮机布置示意图。

机组转子中心标高4.8 m, 凝汽器可布置在机组的右侧或双侧。

低压外缸排汽口由传统的下排汽口更改为侧向排汽口, 低压内缸结构与下排汽相比,除猫爪支撑方式需要根据外缸落地结构进行调整外, 其余可保持不变, 以保证设计的通用化和模块化。

对于侧向排汽机组, 在低压外缸与凝
汽器处存在真空力、凝汽器横向推力及两者中心高差在排汽口造成的膨胀摩擦力。

图3 侧向排汽汽轮机与凝汽器连接示意图
对于侧向排汽机组来说, 低压外缸与凝汽器壳体通过连接口变成一个整体, 也可以
理解为低压外缸是凝汽器壳体的一部分, 对于这个整体来说, 滑销系统的设计与低
压缸、凝汽器的结构受力、热位移变形以及连接口处的连接方案设计、低压缸的支撑方式等相互影响。

2.2 低压外缸与凝汽器的连接设计
低压外缸排汽口与凝汽器的连接结构设计是侧向排汽汽轮机设计的重要部分。

连
接位置及具体连接形式、结构需要根据汽轮机低压缸及凝汽器的布置综合考虑。

与下排汽汽轮机一样, 一般采用矩形排汽口连接。

由于凝汽器的相关推力全部作用于低压外缸上, 低压外缸排汽口与凝汽器喉部的连接只能采用刚性连接才能传递凝汽器对低压缸的较大横向推力。

同时, 由于凝汽器仅在零米层相对汽轮机横向自由滑动, 根据图3 的连接布置图可以看出, 汽轮机低压外缸支撑基础与凝汽器支座存
在高度差, 低压外缸排汽口不仅承受凝汽器的横向推力, 在高度方向上还将承受凝
汽器喉部在连接处施加的垂直方向摩擦力。

因此,排汽口处连接结构需要同时吸收横向和垂直方向的载荷及位移。

由于低压外缸不能承受过大的侧向推力, 故侧向排汽凝汽器与汽机排汽口采用非严谨意义的刚性连接, 即, y 方向上维持刚性, 以传递真空力, z 方向和x 方向允许滑动, 以处理汽轮机基础与凝汽器支座间的热膨胀差。

针对侧向排汽汽轮机及凝汽器此
种特殊的运行要求, 目前侧向排汽汽轮机组一般采用两种连接方式：刚性接触双螺栓滑块结构及排汽口对焊两种方式, 如图4 所示。

图4 排汽口连接方式示意图
图4 中左侧的刚性连接装置由低压外缸和凝汽器上的支撑板、刚性连接杆、两套螺栓连接滑块和橡胶膨胀节等组成, 水平方向上真空力分配给各支撑柱, 双滑块结
构能保证连接装置在横向方向上的灵活滑动, 并维持连接柱的垂直状态,两连接座台板开成长圆形螺栓孔, 橡胶波形膨胀节可以吸收整个横向位移, 不产生任何反力、
并能起到真空密封和承受外部大气压作用。

由于橡胶膨胀节在使用一定年限后需
更换, 所以凝汽器与汽机排汽口连接部分设计成可拆卸结构。

右侧方式为低压外缸与凝汽器直接焊接, 与传统的下排汽汽轮机方式类似。

该种方式连接可靠, 但由于低压外缸与凝汽器壳体刚性焊接固定,两者相互间作用力、力
矩所产生的变形和位移将完全由低压缸及凝汽器壳体来承受, 故对低压缸结构强度、刚度要求较高, 且要求低压缸及凝汽器壳体滑销系统、支撑固定方式的设计能够保
证相关部件的自由膨胀, 防止产生过大的变形。

2.3 低压缸布置及支撑结构
低压缸为双层缸, 分为低压内缸和低压外缸。

由于低压外缸与凝汽器喉部刚性连接, 低压外缸本身已经成为凝汽器壳体的一部分, 再加上低压缸与凝汽器排汽口的近似刚性连接方式, 凝汽器与低压外缸共用死点结构, 低压外缸将承受较大的横向和垂
直方向载荷及位移。

因此, 低压缸的布置和支撑结构必须考虑热变形及真空力引起的相关推力、推力矩和热位移等因素, 保证汽缸、凝汽器承受较小的推力和热变形。

考虑到以上设计特点, 低压外缸可采用类似凝汽器的支撑形式, 即采用图5 所示的
弹性支座固定在基座上；与常规低压内缸猫爪支撑在低压外缸的结构不同, 侧向排汽低压内缸采用完全独立落地的布置形式, 保证内缸不受低压外缸较大变形的影响, 以减少低压缸变工况时对机组通流的影响, 从而保证机组的安全运行。

低压内缸落地支撑结构一般有两种：侧面落地支撑及轴向落地支撑, 如图6 所示, 具体设计方
式可根据设计布置综合考虑。

图5 常规弹簧支座形式
图6 内缸落地支撑参考结构
低压内缸采用落地结构时, 两侧支撑臂横向或轴向穿过低压外缸支撑于运行平台上。

外缸与轴封之间, 外缸与低压内缸支撑臂之间, 外缸与底部轴向导向杠间设置波纹
膨胀节, 保证汽缸密封并吸收低压外缸变形和内外缸膨胀。

根据机组布置选用合适的内部布置方式, 同时依据最终设计方案, 还需要对内缸支撑臂强度、相关压紧螺栓、定位键等部套的强度进行校核。

2.4 滑销系统设计
侧向排汽汽轮机滑销系统的设计须保证在巨大真空力和摩擦力作用下, 保证低压缸的对中及自由膨胀, 避免过大的力、力矩作用于汽缸与凝汽器的排汽口, 同时简化
低压缸的结构。

对于低压外缸和凝汽器壳体组成的整体, 如果死点位于低压缸侧,
凝汽器为自由端, 则低压缸将承受凝汽器的侧向推力及高度方向上的摩擦力（力矩）,对低压缸的结构设计及排汽口的连接方式设计要求较高；若低压缸为自由支撑, 凝汽器远离排汽口的位置设置死点, 则凝汽器也将承受较大的侧向推力和位移；故采用将死点设置在凝汽器底部靠近排汽口的中间方案, 将同时减小低压缸、凝汽器所受的推力和热位移。

对于侧向排汽汽轮机来说, 滑销系统的设计与排汽口连接方式、汽缸布置是相辅相成的。

按照设计优化思路, 低压缸与基座间一般采用弹性支撑, 低压缸相对于凝汽器的死
点只有膨胀的推力, 根据与凝汽器配合情况, 低压外缸通过底部的弹簧支座结构固
定于基础上, 凝汽器在汽轮机侧面采用独立的支撑及滑销系统, 汽轮机与凝汽器采
用焊接方式连接。

低压外缸不承受凝汽器的横向推力, 只承受大气压真空力及排汽口处的膨胀摩擦力作用。

考虑到机组膨胀影响, 低压内外缸完全脱离, 内缸采用落
地支撑结构, 内外缸各自独立支撑于汽轮机基础上。

滑销系统简图如图7 所示。

图7 滑销系统简图
3 结语
与传统的向下排汽汽轮机相比, 侧向排汽汽轮机技术优势明显, 尤其在联合循环机
组中, 机组布置更加紧凑合理, 大大减少了工程投资。

本文主要对侧向排汽汽轮机
的发展情况、技术特点及主要设计要点进行了介绍, 为侧向排汽汽轮机的设计开发提供了参考。

参考文献
【相关文献】
[1]徐岩. 接收侧向排汽凝汽器的技术特点及研制[J]. 热能动力工程, 2005, 20(2)：193-196.
[2]游克华, 颜强, 刘莉, 等. 接收侧向排汽凝汽器的设计[J].东方汽轮机, 2011, (4)：31-33.。