超超临界汽轮机部件冷却技术的研究.doc

赵之青

[摘 要]本文在对超超临界汽轮机部件冷却技术分析研究过程中，首先对超超临界汽轮机部件冷却技术重要性进行了解，对超超临界汽轮机部件设计特征进行了解，对超超临界汽轮机冷却结构内关键技术深入分析，希望能够延长超超临界汽轮机部件应用时间。

[关键词]超超临界机组；汽轮机；冷却技术；可靠性设计；结构设计

中图分类号：TM123 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）12-0045-01

前言：我国在可持续发展建设过程中，对能源体系进行完善，可以为人们提供完善的稳定的物质生活。对于发电站来说，能源生产效率需要不断提升，并且降低污染物排放数量，为人们提供性价比更高的供电服务，满足社会经济发展建设实际要求。所以，想要保证变电站具有稳定经济效益，就需要具有稳定能源作为保证，并且能源价格十分低廉。煤炭能源在世界范围内分布十分广泛，但是天然气储存数量却十分有限。

1、冷却技术重要性

科学技术水平在不断提升过程中，超超临界汽轮机已经成为汽轮机发展必然趋势，主蒸汽温度及再蒸汽温度都在不断提高。蒸汽温度在不断提升过程中，蒸汽设备材料力学性能也在逐渐降低，为了能够延长超超临界汽轮机应用时间，在应高温强度材料情况下，还需要应用冷却技术。蒸汽冷却在应用过程中，对于蒸汽温度相对较低，降低超超临界汽轮机部件运行温度，保证超超临界汽轮机可以稳定运行[1]。

超超临界汽轮机应用冷却技术，主要在三个部件上，分别为喷嘴室、转子、汽缸，冷却技术在应用过程中可以提升材料性能，充分发挥出材料所具有的机械性能，这三个部件应用寿命也能够得到延长。超超临界汽轮机在启动及停机等运行状态下，汽轮机部件都需要承受热应力，应力集中到部件上。冷却技术在超超临界汽轮机启动状态下应用，有效有效降低汽轮机在高温状态下所产生的热应力，冷却技术在实际应用过程中，超超临界汽轮机部件与内部温度差可以有效缩短，降低超超临界汽轮机部件所承受的热应力，延长超超临界汽轮机部件应用时间。现阶段，冷却技术已经成为超超临界汽轮机生产研究过程中的主要科学技术，对于冷却技术进行深入分析研究，可以有效降低超超临界汽轮机部件工作温度，保证超超临界汽轮机运行质量及效率[2]。

2、部件冷却结构特征

2.1 喷嘴室和高压转子

2.1.1 高压转子单流结构

高压转子单流结构在应用冷却方法内，常用冷却方法主要由三种：首先，根部在进行设计过程中，将叶型结构转变为负反动，蒸汽温度在降低之后，从根部间隙转变到高压侧内。冷却蒸汽在流动之后，转子可以在轮缘位置冷却；其次，汽轮机在调节阀在引出适当蒸汽之后，会转变为凝结水，进而有效降低汽轮机运行温度，转变凝结水量，可以有效对蒸汽温度进行冷却控制；最后，高压第一级别温度在降低之后，蒸汽会进入到喷嘴室及内缸之间，汽轮机前轮面可以得到有效冷却。

2.1.2 喷嘴室双流压力级单流结构

在汽轮机第一级高压内，采取双流式结构，在第二级高压内，财务单流式结构。双流最为显著优势就是动叶片所需要承受的负荷有效降低，动叶片及喷嘴室所需要承受的应力也会适当降低，进而保证超超临界汽轮机可以稳定搞下运营。双流喷嘴室也存在一定缺陷，就是动叶片数量在增加过程中，经济成本显著提升，轴承所需要承受的跨度也显著提升。双流喷嘴室结构内，蒸汽可以从喷嘴根部适当流出，转子与喷嘴室之间流入一定数量蒸汽。转子在不断转动过程中，主流具有抽吸作用，蒸汽逐渐从腔室内流出，进而对汽轮机喷嘴室及转子进行冷却[3]。

2.2 蒸汽室和中压转子

2.2.1 外部来汽冷却技术

为了能够有效提升超超临界汽轮机中压转子在运行过程中强度，就必须减低中压转子在高温状态下热应力数值，这就可以通过中压转子进行蒸汽冷却。在反动式汽轮机内，高压汽轮机蒸汽在350℃温度下，蒸汽引入到中压汽轮机内，通过导流环所具有的空间，对中压转子温度进行冷却。在这种冷却方式内，动叶片与静叶片之间蒸汽会转移到主流内，大部分蒸汽都可以进入到叶根底部。

2.2.2 中压第一级设计为负反动度

超超临界汽轮机双流式在实际运行过程中，中压缸所需要承受的温度数值相对较高，在中压转子内，第一级叶片之间形成一个较为封闭的空间环境，转子在运行过程中所产生的热量造成转子温度显著提升。中压转子采取双流式结构，叶型根部可以转变为负反动度。叶片根部为负反动度，叶片根部压力要远远超过汽侧压力，也就是转子在做出功率情况下，叶片温度也能够有效降低，蒸汽逐渐从叶片根部向静叶出口上进行转移。这种气流循环方式，可以保证轮子与轮缘表面温度可以有效降低，但是叶片根部采取负反动度方式，也存在一定问题。也就是叶片高度需要适当提升，叶根离心应力适当增加，影响了蒸汽冷却效果[4]。

3、冷却结构设计关键技术

3.1 冷却参数设计

首先，在对冷却蒸汽参数选择过程中，冷却进口温度要远远低于汽轮机部件实际工作温度，冷却出口内温度要高于冷却进口温度，进而保证冷却蒸汽可以在汽轮机部件内顺利流通。冷却蒸汽速度在设定上，参数不宜过大，并且流动热系数也需要科学合理，防止出现热应力问题；其次，冷却结构在进行设计中，叶片反动度及冷却通道等因素对冷却效果影响较为显著，所以在对冷却结构设计上，需要保证蒸汽流量科学合理；最后，通过蒸汽冷却技术，可以显著提升超超临界汽轮机所具有的经济效益，所以需要适当减少冷却蒸汽数量，进而对超超临界汽轮机高温部件进行降低处理[5]。

3.2 部件温度场及应力场有限元计算

在对超超临界汽轮机转子及喷嘴室等部件位置上，需要构建有限元计算模型，进而对力边界条件及热边界条件进行设定，了解超超临界汽轮机瞬态温度场，对超超临界汽轮机部件所能够承受的热应力场进行了解，这样可以对冷却结构进行定量分析研究，保证冷却结构设计方法科学合理，进而对超超临界汽轮机冷却结构进行完善。

3.3 冷却效果测量及驗证

超超临界汽轮机部件表面在进行设计过程中，同时对温度测点科学合理设计，可以保证超超临界汽轮机在正式投入应用之后，对超超临界汽轮机部件冷却效果进行验证。就以反动式汽轮机来说，静叶上面需要打孔处理，进而对温度测点进行设计，安装温度检测设备，对静叶部件表面运行温度进行检测。超超临界汽轮机在正式应用之后，可以对中压转子及高压转子冷却效果进行验证[6]。

结论

超超临界汽轮机作为蒸汽冷区技术研发设计内主要技术，借助蒸汽冷却技术，可以有效提升超超临界汽轮机材料强度及硬度，超超临界汽轮机部件在高温状态下，部件应用时间可以有效延长，充分发挥出超超临界汽轮机部件在工业建设内效果。

参考文献

[1] 李军，霍文浩，陈尧兴，钟刚云，范小平，方宇，王建录.超超临界汽轮机中压缸冷却技术研究进展[J].热力透平，2016，03：175-183.

[2] 李岩，梁继洋.超超临界汽轮机高温叶片强度分析[J].科技风，2015，03：93.

[3] 田仲良，包汉生，何西扣，刘正东.700℃汽轮机转子用耐热合金的研究进展[J].钢铁，2015，02：54-60+69.

[4] 霍文浩，李军，钟刚云，范小平，方宇.冷却结构对中压透平级蒸汽冷却性能的影响[J].西安交通大学学报，2015，05：36-42.

[5] 周永东，袁永强.东方1000MW超超临界汽轮机冷却系统的设计[J].东方汽轮机，2010，02：11-16.

[6] 霍文浩，晏鑫，李军，丰镇平.超超临界汽轮机高压缸旁路冷却系统冷却特性研究[J].西安交通大学学报，2013，05：24-30.