张建兵 （江苏大唐国际金坛热电有限责任公司 江苏 常州 213200）
【摘 要】 为了进一步响应国家节能减排号召，实现燃气发电企业可持续健康发展，更大的提高经济和社会效益，本文主要结合我公司实施燃气发电技术的应用创新实际情况，从燃气发电机组选型原则、设计制造特点和关键技术、成果应用的创新性和先进性以及在我公司首台次应用所取得的成果等几个方面，简要分析一种160MW等级抽凝式联合循环汽轮机的轴向排汽技术应用成效。
【关键词】 抽凝式 轴向排汽 联合循环汽轮机
中图分类号： TM6 文献标识码： Ａ 文章编号：ISSN1004-1621（2020）10-072-04
一、前言
众所周知，天然气是优质清洁的一次能源，以天然气为燃料的燃气-蒸汽联合循环热电联产机组，可以实现节约能源、改善环境、增加电力供应等综合效益，是治理大气污染和提高能源综合利用率的必要手段之一，符合国家可持续、科学发展战略。作为经济发达地区，江苏省迫切需要发展天然气发电等清洁能源建设。同时，在环境保护问题日益成为制约我国经济发展条件的当今,新型清洁能源替代传统能源成为必然趋势,以大型燃气-蒸汽联合循环为代表的燃气轮机发电技术日益受到广泛重视。近期，燃气发电技术快速飞跃发展，燃气-蒸汽联合循环发电机组以其高效、洁净、启动迅速、调峰能力强的优点在江苏得以快速发展。
燃气轮机是燃气-蒸汽联合循环发电机组关键设备，其选型对机组性能和电厂经济性的影响最大。目前国内配套的联合循环汽轮机大多为向下排汽，基础运行平台需建造十米以上，抽汽采用旋转隔板或座缸阀形式，此抽汽形式占用空间大，导致轴系过长且影响级数布置。已投运的一拖一轴向排汽联合循环汽轮机为单缸形式，机组功率不高。
根据国家对各类燃气－蒸汽联合循环热电联产机组应符合总热效率年平均大于55%和热电比大于30%的指标要求，为提高燃机联合循环效率，同时解决现在技术存在的问题，公司选用哈电引进GE技术的A650型轴向排汽汽轮机，进行国内首台设计消化及制造，单台机组纯凝工况下联合循环效率达60%以上，热力经济指标达到同类型机组先进水平。
该汽轮机为一种160MW 等级轴向排汽抽凝式联合循环汽轮机，采用高压缸排汽管道上抽汽方式，替代旋转隔板或座缸阀的抽汽形式；机组采用一个高压缸和一个中低压合缸的轴向排汽结构，以降低排汽流动损失。轴向排汽结构能降低机组运行层和厂房的高度，提高机组效率，基础和汽机设计均为低位布置，降低基建成本。因此，这种方式有中心线标高低、设备布置方便、管路简单、投资少等优点。
二、设计制造特点及关键技术
2.1、该汽轮机采用反动式设计技术，设有独立的单流高压缸，内外双层缸结构，整体围带式喷嘴嵌入外环。中、低压合缸结构形式时转子可采用不同材质，优化设计中、低压转子连接结构，中、低压转子粗加工后，先精加工中、低压连接对轮面的尺寸，通过中、低压转子间过盈配合，螺栓和锁紧螺母进行把紧，将中、低压转子连接成一整体，再对其余尺寸进行精加工，从而解决转子选材困难问题，同时可降低转子锻造成本。
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2.2、汽封形式采用新型的转子镶片加可磨涂层设计技术。转子镶片汽封可有效控制汽封体长度，满足密封需求，提高汽轮机效率；涂层结构可使发生碰磨时，不损伤汽封片，涂层磨出凹槽形成新的密封，汽封片可提高硬度增加抗倒伏能力。
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轴封和叶顶汽封均采用刷式汽封，有效改善漏汽控制，汽封环上增加可磨涂层，形成更小的径向间隙从而带来更少的漏汽。
2.3、滑销系统
前轴承座位于高压缸排汽侧，锚固在地基上。高压缸排汽端猫爪可在轴承座上滑动，以适应轴向膨胀和收缩。该轴承座包含一个径向轴承。
中轴承座位于高压缸和中压缸中间，可在地基上滑动。高压缸和中压缸猫爪分别固定在中轴承座上。中轴承座包含一个联合的可倾瓦式径向轴承和可摆动式推力轴承。背面为铜质的推力盘提高了热传导率、降低轴承的运行温度。径向轴承同时支撑高压和中压转子。该设计能允许转动和静止部件各个方向上的自由膨胀，保证了围绕机组中心线的膨胀时均匀分布的，从而保证了动、静间隙。
低压缸固定在基座上，分别由预埋在基础中的两块横向定位键两块轴向定位键限制其中心移动，为绝对死点。
2.4、汽轮机抽汽系统
汽轮机采用高压缸排汽抽汽方式。纯凝工况下，汽轮机高排压力3.2MPa左右，抽汽管道位于高排管道上逆止门后，由于要求的抽汽压力比高排压力低得多，因此在大负荷下机组处于非调整状态，只有当机组负荷低于90%，接近抽汽压力时，中联门才开始关小、参与适当调节抽汽压力。若抽汽量小于额定值时，中联门再完全打开，保证最小的节流损失。蒸汽从高排抽出之后，经抽汽管道由减温减压器调节压力和温度后去往热网供热。若大量抽汽时，高排温度因抽汽压力降低而降低，若达不到所要求的蒸汽温度，再由再热热段抽一股蒸汽混合，以便满足合适的温度要求。
2.5轴向排汽凝汽器设计
机组运行时，凝汽器会受到一个与排汽方向相反的推力。这个推力对凝汽器的本身结构强度有一定要求，并且凝汽器基础也需重点考虑其带来的水平力和上拔力。凝汽器喉部(排汽过渡段)用于连接低压缸与凝汽器壳体，考虑了合理的扩散角，以防止蒸汽脱流。为适应真空运行，喉部内设置了足够的加强管、加强肋板，以提高强度。凝汽器壳体上设置有四只滑动支撑座和一只固定支撑座，均用地脚螺栓固定于基础上。其中滑动支撑座上的螺栓孔根据壳体热膨胀方向的不同设置有较大的圆孔，且利用不锈钢板与聚四氟乙烯板的较低摩擦系数实现自由滑动。
汽轮机与凝汽器在运行时的水平和垂直热位移也需要通过合理的连接方式、定位方式来补偿。为同时适应较大的轴向热膨胀，并补偿垂直方向位移，凝汽器与低压缸之间设置多波不锈钢膨胀节。
三、成果主要创新性和先进性
在该机组型式设计上，存在小轴带大轴的问题。同时，汽轮发电机采用空冷发电机，通过对兄弟单位的调研了解，均存在着空冷发电机因支座刚度不足、转子二倍频影响导致机组振动大的问题，空冷发电机噪音大问题也明显突出。
因此，在前期设计过程中，需解决轴系稳定性和噪音大等问题。
3.1、轴系由2个支持轴承和1个推力支持轴承支撑。经过评审论证，汽轮发电机组整个轴系由中低压转子（ILP）、高压转子（HP）、发电机转子（GEN）组成，高压转子跨距5011.72mm，中低压转子跨距6537.3mm ，转子之间都是采用法兰式刚性联轴器联接，形成了轴系。为确保轴系稳定，避免二倍频引起的轴振问题，汽轮机为二转子三支点支承结构，从低压侧开始算起，依轴系静态计算次定位5号、4号、3号、2号、1号轴承。汽轮机为5号、4号、3号支撑轴承，空冷发电机为1号、2号轴承，采用四瓦块可倾瓦形式，汽轮机3号轴承采用6瓦块可倾瓦，4号、5号轴承采用四瓦块可倾瓦形式，推力支持轴承布置在中轴承箱的高压转子上，为整个轴系的死点。
各转子临界转速均避开工作转速±10%，且避开二倍频6000RPM，临界转速合格。.png)
3.2、汽轮发电机机组中心线抬高设计，主厂房按照汽轮发电机组统一设置运转大平台层布置，主机厂推荐的燃机机组和轴向排气的汽轮发电机组设计中心线标高为5.5米，其主汽门、调速汽门、中主门、中压调速汽门为联合悬挂式汽门，其检修预留空间需至地面以下约700mm处，即阀门下方要有至少700mm的地坑。与此同时，凝汽器、凝泵所在深坑标高为-2米。这样就需要在机组两侧修筑深坑，同时由于机组标高和汽门的布置原因，控制油站也需要布置深坑内，存在水淹基坑设备的危险，同时给检修维护带来不便。
因此设计时统一抬高燃机机组和汽轮发电机组中心线设计高度2米，即中心线设计抬高到7.6米，抬高后汽轮发电机组中心线标高至运转大平台距离为0.9144米，与此对应的机组运行层高度为6.7米，这样主厂房内无任何深坑，便于主汽门、再热汽门、凝汽器、凝泵等设备的检修。
3.3、空冷发电机噪音治理
为降低空冷发电机运行噪声，空冷发电机在结构设计上采取以下措施：
（1）大端盖采用夹层式焊接钢板结构
发电机汽励端大端盖处也是防噪音的薄弱环节，摒弃了以往空冷发电机采用的玻璃钢大端盖，而选用了钢板焊接结构，内外两层端盖间设计为夹层形式，内部填充隔音材料，同时在内端盖内部设计有孔板，这样在吸引、隔音两方面来降低噪音。如下图.png)
（2）发电机底部与冷却器室采用胶条密封结构
以往空冷发电机的底部与冷却器小间之间的连接一般采用角钢现场焊接密封的设计，角钢与钢板的本身材质较薄，隔音效果较差，同时现场焊接未能彻底遗留的缝隙也促使噪音的传出。为解决此问题，在发电机底部与冷却器小间之间的连接采用“轴向墙体胶条密封+两侧整体密封罩”的密封方式，以增加隔音效果，遏制发电机内部噪声的传递，起到降噪的效果，如下图。.png)
（3）冷却器风室补风口选择具有消音功能的进风过滤器，同时冷却器风室检修门采用隔音功能的检修门，并注意保证施工质量。除了在发电机自身结构上采取以上措施外，在发电机外部增加整体消音外罩，如下图。
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四、成果应用效果分析
1、噪音水平符合标准
根据技术规范要求，距下列设备外壳1m处的噪声值不大于85dB(A)。最终通过现场噪音测量，两台空冷发电机罩壳外噪声在运行时分别降低到80db（A）和82db（A）。
2、快速启停特性
由于汽轮机的独特的设计，该汽轮机在冷态、温态、热态状态下启动时，均不需要进行低速、中速暖机过程，可分别在15min、10min、5min内直接升速至3000rpm，并可分别在125min、75min、10min内升负荷至额定负荷，相较于同样配套PG9371FB型燃机的同类型电厂，其向下排汽式汽机启动耗时要少的多，由表1可见，LC110/N160型汽轮机在冷态、温态、热态状态下启动至满负荷耗时可较LNCB157/75分别减少65min、45min、30min，由于联合循环机组的升负荷率受限于汽轮机暖机程度，因此汽轮机快速启停特性对机组降低启停能耗效果显著。
表1：汽机启动时间对比分析
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3、良好的振动特性
由于汽轮机与发电机为高发对轮连接，因此存在大轴带小轴问题，汽机侧振动极易引起发电机联轴端乃至整个发电机轴系振动，因此在设计制造过程中通过严格控制各转子临界转速范围，使各转子临界转速均避开工作转速10%，且避开二倍频的临界转速。
以该厂2号汽机运行数值分析为例，取用汽机TSI（Bently3500）系统1个键相测点、10个轴振测点及5个瓦振测点共16个测点，10个轴振测点分别为1X、1Y、2X、2Y、3X、3Y、4X、4Y、5X、5Y，5个瓦振测点分别为1B、2B、3B、4B、5B对启动过程的振动值进行分析。2号轴承800r/min、2330r/min左右出现共振峰68.35μm、58.06μm，结合1、3号轴承各测点轴振情况，分析认为分别对应为发电机转子一阶、二阶临界转速；3号轴承X向振动在2590r/min左右达到峰点115.32μm，对应高压转子一阶临界转速；4、5号轴承相对轴振在1220r/min及2630r/min左右出现共振峰点54.51μm、39.54μm，对应中低压转子一阶、二阶临界转速。由此可见，该汽机在经过临界转速及定速3000r/min时，各相对轴振和轴承振动均符合国家技术标准中对新投产机组的要求，稳定工况下各轴轴振、瓦振可见表2。
表2：稳定工况下的各轴承振动值（μm）
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4、纯凝状态下联合循环机组总效率达到60%以上
根据机组热力性能试验要求，公司委托电力试验研究院分别于2019年11月22日和2019年10月11日，主持完成了公司第1套机组和第2套机组联合循环热力性能验收试验，通过试验从而确定机组的联合循环发电功率和热耗率。
此次试验进行的是燃机BASELOAD、汽轮机纯凝工况联合循环试验，检测机组发电机功率和热耗率，以验证机组性能是否能达到合同设计的保证值。燃-汽轮机联合循环发电热力性能试验方法为，采用燃气轮机热力性能试验和汽轮机性能试验数据进行计算。
试验分预备性试验和BASELOAD工况正式性能试验两个过程，预备性试验主要是检查厂方和设备是否满足进行正式试验的各种条件，正式性能试验持续时间不超过30分钟，试验采集了两组数据，将两组数据计算结果的平均值作为最后结果，汽机参数记录时间与燃机记录时间保持同步。
下图为汽轮机试验部分汽机运行画面截图.png)
通过对实验数据进行计算和修正后，得到最终实验结果如下表：
表3 第1套机组联合循环试验计算结果汇总
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从表3中可以看出，第1套联合循环发电机平均功率为437.48MW，修正后联合循环平均功率为461.01MW，较设计值458.8MW高2.21MW；试验平均热耗率为6196.03kJ/kWh，修正后平均热耗率为5982.51kJ/kWh，较设计值5999.8kJ/kWh低17.29kJ/kWh；联合循环热效率为60.18%。
表4 第2套机组联合循环试验计算结果汇总
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从表4中可以看出，第2套联合循环发电机平均功率为421.58MW，修正后联合循环平均功率为460.84MW，较设计值458.8MW高2.04MW；试验平均热耗率为6195.36kJ/kWh，修正后平均热耗率为5976.48kJ/kWh，较设计值5999.8kJ/kWh低23.32kJ/kWh；联合循环热效率为60.24%。
综上计算分析，我公司2套机组联合循环热效率结果均达到了机组设计值要求。
五、效益分析
本成果应用具有启动快、性能优、效率高等特点，其经济效益和社会效益显著。具体如下：
1、社会效益
以天然气为燃料的燃气-蒸汽轮机联合循环发电机组是一种高效率、低污染的发电方式，具有启动快、环保清洁等优点，同时对电网和天然气管网的调峰发挥一定的作用，具有一定的社会效益。
2、经济效益
2.1该种形式的汽轮机采用轴向排汽、低位布置，节省厂房布置空间，降低工程造价，单位工程造价降低约198元/kW。
2.2机组效率提高产生的经济效益。采用轴向排汽比传统下排汽方式性能约提高0.25~0.5%，提高了机组的经济性，纯凝状态下效率高达60.24%，比正常57.5%高2.74，根据全年发电用气量约5.65亿立方米和气价2.264元/立方米计算，约产生经济效益[（5.65*60.24%）/57.5%-5.65]*2.262*109=6095万元。
2.3根据粗略测算，同类型机组在启动过程每小时平均消耗天然气约20000 Nm³，每小时平均消耗厂用电耗量约4400 kWh，因此LC110/N160轴向排汽式汽轮机较LNCB157/75向下排汽式汽轮机在冷态、温态、热态下启动可节约大量的厂用电及天然气量。以该厂每年计划运行小时5500h，调峰启停100次估算（其中冷态启动10次，温态启动80次计算，热态启动10次），天然气单价2.2元/Nm³，电价0.54元/kWh计算，每年可节约启动成本351.68万元。
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六、成果应用情况及前景
综上所述，在同样配套PG9371FB型燃机的情况下，配套轴向排汽式汽轮机的联合循环机组整体性能提升，联合循环机组效率提高明显，纯凝状态下效率可超过60%。轴流排汽缸内部流动简单，流动损失相比向上或向下排汽方式的小，提高了机组的经济性，是目前比较先进的的凝汽式汽轮机的排汽方式。汽轮机采用轴向排汽、低位布置，可以节省厂房布置空间，大幅降低工程造价。该汽轮机的快速启停特性和良好的轴系振动控制，在联合循环电站启停过程中有着重要意义，同时在节约联合循环电站厂用电、天然气消耗方面具有良好的示范作用。
目前，该抽凝式联合循环汽轮机轴向排汽技术已在我公司第一、二套机组上得到了首次应用，并成功运行近一年多。一年来，机组运行可靠稳定，主要经济技术指标效果显著，取得了良好的经济效益和社会效益。
该类型机组是目前国内乃至国际上同类型机组成功投入商业运行的效率最高、技术最为先进的机组，在国内的应用范围还未普及，本成果适用于联合循环机组，具有循环效率高，轴系稳定性好，启动快性能优、基建成本低、经济效益好等特点，因此具有极好的推广应用和发展前景。
参考文献:
1．刘顺华 ,《金坛项目汽轮机设计介绍材料说明》，2016年12月
2．中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东电力试验研究院, 《江苏大唐国际金坛热电有限责任公司1、2号机组联合循环热力性能试验报告》， 2019年12月
作者简介：
张建兵（1978- ），男，江苏泰兴人，江苏大唐国际金坛热电有限责任公司安监部主任，从事燃气发电厂设备检修技术及安全管理工作，工程师。