西门子HE型联合循环汽轮机的技术特点

西门子HE 型联合循环汽轮机的技术特点
何　劲,董　真,陈　倪
(上海汽轮机有限公司,上海　200240)
摘　要:上海汽轮机有限公司引进西门子与V94.3A 型燃气轮机配套的H E 型联合循环汽轮机的设计与制造技术。

该型汽轮机与国内常规汽轮机相比,具有诸多特点。

介绍了配套的燃机—联合循环汽轮机整体布置以及H E 型汽轮机的结构布置特点;详细阐述了该型汽轮机的汽缸结构、滑销系统、支承方式、配汽系统、液压盘车装置以及各相关系统的设计特点。

对H E 型汽缸和润滑油系统采用模块化设计的优点及本土化生产问题,提出了思考与建议。

关键词:西门子;H E 汽轮机;联合循环中图分类号:T K479 文献标识码:A
上海汽轮机有限公司引进西门子H E (H 指
高压缸,E 指中低压合缸)型联合循环汽轮机设计制造技术,功率为120MW ,配合西门子V94.3A 型燃机,燃料为天然气,以一拖一方式运行,机岛输出的总功率为350MW ,汽轮机参数特点为三压再热。

石洞口、中原、郑州、萧山4个工程项目共9台机组,将使用该技术。

从总体上看,H E 型联合循环汽轮机与国内常规汽轮机相比,具有五大特点:(1)整套联合循环(一拖一)为单轴布置;(2)由3S 联轴器连接汽轮机和发电机;(3)单层
布置、轴向排汽;(4)高压缸之外缸为圆筒形;(5)各级主汽门和调节门座缸,单侧进汽。

1　联合循环整体布置方式
1.1　采用单轴布置
国内建设的联合循环项目一般采用分轴布置的方式,以保证燃机和汽轮机各自的灵活运行。

事实上对于一拖一方式运行的机组来说,汽轮机的运行总是受燃机的运行状况支配的,即在燃机运行的情况下,才能运行汽轮机,所以汽轮机的运行是有条件的。

采用单轴布置,完全能够满足运行特点,且结构紧凑,在基础布置上有较大优势,而且可以少投资一台发电机。

西门子H E 型汽轮机采用单轴布置方式。

1.2　采用同步联轴器
燃机和汽轮机分别置于发电机的两端,燃机端采用传统的联轴器连接,汽轮机端采用具有自
动离合功能的同步联轴器(SSS 联轴器)。

燃机和发电机的连接是刚性的,其运转是完全同步的。

汽轮机端的同步联轴器,只有当汽轮机转速超过发电机转速时才逐渐啮合,并逐渐传递负荷。

当汽轮机转速低于发电机转速时,同步联轴器脱开。

采用同步联轴器,可以实现汽轮机在联合循环时滞后启动、强迫停机、提前停机等功能。

为了达到高速下动态啮合并传递巨大力矩,啮合分两步进行。

第一步,当汽轮机转速约达到3000r/min 时,棘爪在离心力的作用下张开,如
果汽轮机的转速略微超过了电机转速,则棘爪啮合。

第二步,棘爪啮合后推动螺纹的啮合,靠螺纹传递力矩。

同步联轴器的脱离过程则相反,首先螺纹段脱出,如果转速进一步降低,则靠弹簧收回棘爪,汽轮机完全脱离轴系。

两步啮合的过程,大大减少了啮合过程中的冲击,并配合精心设计的润滑油和冷却油系统,同步联轴器在汽轮机的使用寿命期内一般不需要修整。

另一个功能是吸收从电机端和汽轮机端传递来的转子热膨胀量,约20mm 。

整套装置中,燃气轮机侧有一个推力轴
承,为燃机相对死点;汽轮机中轴承座内有一个推力轴承,为汽轮机相对死点,两个相对死点间的热位移均由同步联轴器吸收补偿。

1.3　不设机械式危急遮断器
一般情况下,汽轮机投入运行之前发电机已经并网,不存在超速的可能。

而汽轮机停机解列时发电机仍处于并网状态,也不存在超速的可能。

在燃机紧急停机的情况下,可由DCS 直接发信号关闭主汽门和再热门,并同时打开旁路门。

超速跳机不是一个必然功能。

汽轮机不可能超速。

按西门子的设计,汽轮机的临界转速避开工作转速
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的10%即为合格,和我们传统设计的要求20%存在较大差距,其理由恐怕正在于联合循环单轴系结构汽轮机极不容易出现超速的可能。

当然,机组保留了电子式测速装置,主要用于开机过程控制,也可以作为超速跳机保护。

2　汽轮机布置方式
H E型汽轮机采用轴向排汽,以降低排汽压损,提高效率,这给机组整体布置带来了很大好处。

为了简化运行,往往不设回热加热器,而轴向排汽的结构设计,使单层布置得以实现。

单层布置可以大大简化基础设计,降低厂房布置高度,减少电站项目投资。

单轴系的联合循环机组一般采用轴向排汽和单层布置。

如果采用传统的向下排汽,则要考虑凝汽器需要巨大的空间,燃机的标高将随整个轴系的标高一起提升,其进气系统及燃料系统的设计、建造将十分困难。

分轴系的联合循环机组可以将燃机分置在地表面,汽轮机根据实际需要,可作单层或多层布置。

在轴向排汽的设计中,汽轮机中低压转子末端的轴承必然在排汽缸内部。

为了防止润滑油被吸入真空系统,需要设置油封和汽封。

为了防止汽封系统中的蒸汽进入润滑油或者润滑油进入汽封系统,需要在油封和汽封之间引入大气。

一般向下排汽的汽轮机设计中,汽封和油封之间总是存在着天然大气,而轴向排气的设计中,油封和汽封都在真空密闭系统中,大气需要另外接入。

轴向排汽的凝汽器灌水试验比较困难。

西门子以严格的焊缝质量检查来确保凝汽器的严密性。

一般不进行灌水试验。

3　汽轮机系统结构设计
3.1　汽缸结构设计
3.1.1　H型缸
H型缸如图1所示。

对于功率较大的机组,一般都采用圆筒形高压外缸,无中分面。

高压内缸也接近于筒状,有中分面。

圆筒形的缸结构均匀,启动过程中受热均匀,热应力小,膨胀均匀,有利于快速启动。

这是联合循环调峰汽轮机运行的一个基本要求。

圆筒形无中分面汽缸的装配工艺与传统的具中分面汽缸有很大差别。

动静间隙在内缸装配时做好,将内缸和转子固定。

外缸竖直,
将转子和内
图1　H型缸
缸吊入外缸,并装好端盖。

内缸保持圆筒形可以方便插入外缸内。

这种安装方式对于安装空间(包括行车高度)、安装设备和安装技术有较高要求。

H型缸一般整体发运,制造厂不提供将内缸吊入外缸的特殊工具(工装)。

其高压内缸进汽口与高压外缸直接相通,即内外缸的夹层蒸汽压力与主调门后的压力相当,由强度很好的外缸来承受压力,内缸基本不受压,中分面螺栓基本不受力,很大程度上延长了大修周期。

国内一般机组的大修周期为3～4年,而H E型汽轮机的大修周期可达8年,弥补了其安装不便的缺点。

这样设计的另一个好处是,在汽轮机启动过程中,总有足够的蒸汽预热内外缸体,促进了预热过程,缩短了启动时间。

H型缸为切向进汽,流道损失小。

所有进汽室包括高压、中压、低压,均采用全周进汽方式,没有调节级,减小了蒸汽对转子叶片的不均匀冲击,有利于缸体均匀受热,并有利于快速启动。

高压和中压叶片均为反动式叶片,轴向动静间隙较大,允许动静之间存在较大的差胀,也有利于快速启停。

该类型机组没有差胀测量报警跳机,西门子的解释是,经过计算,无论在何种工况下均不会出现轴向碰磨。

另外,H型缸蒸汽为逆向单流,用平衡活塞平衡轴系推力。

3.1.2　E型缸
E型缸为合缸形式,如图2所示。

中低压缸气流为反流形式,以平衡转子推力。

中压缸排汽直接经过中压内缸和外缸的夹层,进入低压缸,没有导汽管,结构相当简洁。

低压末2级隔板采用钢板焊接式,其工艺性能很好。

低压末级和次末级静叶采用空心叶片的形式,能增强除湿效果,减少水蚀,延长低压动叶的使用寿命。

该空心叶片在制造工艺上比较困难,需要激光打孔。

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图2　E型缸
3.2　滑销系统及支承方式
3.2.1　滑销系统
汽轮机总跨度(前轴承中心至后轴承中心)为10.445m,机组绝对死点位于中轴承座,相对死点位于中轴承座中的推力轴承。

凝汽器(与汽缸联接的)排汽接管具有波纹补偿器结构,可以补偿中低压汽缸的轴向膨胀量。

前轴承到中轴承间的轴向膨胀量由同步联轴器吸收。

H型外缸的4个猫爪,均为水平中分面支承,分别被支承在前轴承座和中轴承座上,引导汽缸水平膨胀,其中后端猫爪下有一横向键,可引导横向膨胀,为汽缸轴向死点。

汽缸两端正下部设有纵向键,引导汽缸垂直向膨胀。

E型外缸前端的两个猫爪,装在中轴承座上,引导汽缸水平膨胀,猫爪下有一横向键可引导横向膨胀,并形成汽缸轴向死点。

汽缸前端正下部设有纵向键,引导汽缸垂直向膨胀。

汽缸后部下方两侧有2个可滑动安装支承,可引导水平膨胀,滑动支承虽为非水平中分面支承,但因安装后轴承的后轴承座与汽缸为一体,不会对动静部件的对中产生影响。

正下方还有一横向键,引导机组轴向膨胀。

3.2.2　支承方式
前、中两个轴承座下都没有台板和垫铁,安装时,先利用轴承座底下的4个角上的螺栓将轴承座调整到位,然后在轴承座底下灌以高强度水泥。

两个轴承座都直接在基础上锁定。

所有需要受压滑动的地方,如高压缸前猫爪下面和低压外缸支撑处,都采用具有自润滑功能的低摩擦合金,不需要供润滑油。

3.3　配汽系统
配汽阀门由一组高压阀组(含一个高压主汽阀和一个高压调节汽阀)、一组再热阀组(含一个再热主汽阀和一个再热调节汽阀)和一组低压补汽阀组(含一个补汽主汽阀和一个补汽调节汽阀)组成,如图3所示。

图3　再热主汽阀和调阀结构示意图
西门子将高中低压进汽都设计成单侧布置,且都只有一个接口,风格非常简练。

高压主汽阀和调节阀、再热主汽阀和调节阀都做成联合阀门的形式,阀壳做成一体,没有导汽接管,可以大大缩短暖管时间。

高压阀门直接焊在外缸上,中低压阀门用法兰与汽缸连接,阀门主要靠汽缸支撑,与基础之间仅有少量的辅助支撑。

安装非常方便。

高压和再热主汽阀都设有预启阀,以减小阀门开启时的提升力。

阀门中表面有耐磨和有硬度要求的部件,其热处理采用表面喷涂和堆焊硬质合金,不采用渗氮等化学热处理工艺。

低压补汽阀均采用蝶阀形式,作调节阀其调节性能虽稍差,但成本较低,且低压补汽参数较低,流量也较小,在汽轮机带有一定负荷时才投入,故采用蝶阀能够满足汽轮机的运行要求。

3.4　回转系统
回转系统采用性能更可靠、操作更方便的液压盘车装置。

装在低压转子末端,主要由液压电动机、飞轮、油管路等组成。

液压电动机提供回转动力,并采用顶轴油作为动力。

飞轮的作用是单向传递转扭,当转子转速超过盘车转速时,飞轮则将回转设备与转子脱开,使转子的高速旋转不逆向传递至回转设备的电动机。

油管路负责向设备提供动力油和润滑油。

3.5　相关系统
3.5.1　热力系统
联合循环中,汽轮机在运行中处于较为被动的地位,为了保证其运行的安全和灵活,对蒸汽循环的系统进行了简化。

在H E型汽轮机循环中没有回热系统。

除氧器的蒸汽来自余热锅炉。

在汽轮机启动时,除氧和汽封用汽,由辅助锅炉提供。

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为了提升循环效率,系统采用中压再热、低压补汽的方式。

即高压排汽经过余热锅炉再热后进入中压缸,而低压进汽除了一部分来自中压排汽外,还有一部分补汽来自余热锅炉低压段。

汽封系统采用自密封系统,在汽轮机负荷70%以上时,汽封系统不需要辅助供汽。

3.5.2　油系统
燃机和联合循环汽机共用一套润滑油系统。

系统配有2台100%容量的电动主油泵(一用一备),向燃机和汽轮机供油。

由于燃机、汽机共用一套润滑油系统,且联合循环汽轮机有滞后于燃机启动的特点,所以主油泵不可能采用汽轮机转子驱动的形式,而只能采用电动主油泵。

保安油系统,燃机和汽轮机是各自独立的。

汽轮机还独立配备顶轴油系统。

3.5.3　高排通风系统
动叶片低负荷鼓风是一个非常重要的安全问题,不仅仅是低压长叶片才可能鼓风,高压叶片也能鼓风。

针对高压叶片鼓风,西门子在高压排汽管路上设计了通风阀,必要时直接打开通风阀,将高压缸与凝汽器接通。

3.5.4　喷水减温系统
低压叶片鼓风靠低压缸喷水减温解决。

西门子低压缸喷水的功能和国内机组相比做得更细致,其可根据不同的条件采用不同的喷水回路,提供不同的喷水量。

4　模块化设计和本土化生产
H E型汽缸和润滑油系统是典型的模块化设计。

模块化设计,使得生产制造相对固定,管理方便。

而拥有长期稳定的、技术质量合格的分包商,更使其在项目执行过程中事半功倍。

在执行相关国产化项目的过程中,深切感受到缺少本土分包商时的困难和不便。

西门子在长期的发展过程中,不断培养和发展分包商的战略值得学习与借鉴。

收稿日期:2005212230作者简介:何劲(19742),男,工程师,从事汽轮机结构设计与开发。

(责任编辑:杜建军)
T echnical features of Siemens HE type combined cycle steam turbine
H E J i n,DO N G Zhen,C H EN N i
(Shanghai Steam Turbine Company Ltd,Shanghai200240,China)
Abstract:Shanghai Steam Turbine Company Ltd(STC)has introduced f rom Siemens the design and manufacture technol2 ogy of the H E type combined cycle steam turbine that will be fitted to the V94.3A type gas turbine.In comparison with the home made conventional steam turbines,such kind of steam turbine is endowed with many special features.The over2 all arrangement of the steam turbine fitted to the gas turbine combined cycle and the structure arrangement features of the H E type steam turbine are recommded.The cylinder structure,sliding key system,support mode,steam piping system, and the hydraulic barring device of such type steam turbine and the design features of its related systems are described in detail.Several considerations and advices concerning the advantages of the adoption of the modular design for the H E type cylinder and the lubricating oil system and the problems that may arise during the process of home made parts production are suggested.
K ey w ords:Siemens;H E steam turbine;combined cycle
电力简讯江苏如东燃气电厂项目通过评审
2006年1月24日,由中国国际工程咨询公司组织的国内13名专家,一致通过江苏如东燃气电厂项目可行性研究报告。

该工程设在洋口港一期临港工业区,并受到江苏省政府的高度重视。

日前,国家发改委已经批准同意该工程开展前期工作。

作为江苏“十一五”电力先行、发展清洁能源的重点工程,该工程计划投资90亿元,规划装机容量为8台35万kW燃气—蒸汽联合循环发电机组。

该工程的建成投运,将为江苏地方经济及沿海开发,增添巨大的活力。

摘自《华东电力报》2006.02.09—
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