水泥炉窑余热发电汽轮机设计技术

2019-10-09 14:47 来源：钢铁世界网作者：dengys

目前国内最先进的水泥生产线，仍然有大量350℃以下的低温余热不能完全利用，回收水泥生产过程中的低温余热，用来发电，可有效减少水泥生产过程中的能源消耗，同时降低了废气排放的温度，有效的减轻水泥生产对环境的热污染，具有显著的节能和环保意义，符合循环经济和可持续发展的战略方针，有很大的推广价值和应用前景，南汽轮集团研制开发的这种技术先进的汽轮机，已和各水泥企业签定了30多台套合同，其中海螺集团占了绝大多数。引起水泥行业和汽轮机行业的普遍关注。

1．水泥窑低温余热汽轮机主要设计技术特点南汽轮集团与北京全四维动力科技有限公司共同研制开发的用于水泥生产线低温余热利用汽轮机，皆为双压（带一级补汽）、单缸、冲动凝汽式汽轮机。

1.1汽轮机主要技术规范 7MW系列 9MW系列 18MW系列 30MW系列额定功率MW 7.5 9 18 30 功率等级范围MW 6～12 8～12 17～24 25～32 额定主蒸汽压力MPa.a 1.05 0.689 0.689 0.689 主蒸汽温度℃ 320 317 315～330 312～330 主汽压力范围MPa.a 0.981～1.27       补汽压力 0.12～0.25 0.12～0.137 0.11～0.14 0.12～0.14 补汽流量t/h 1～5 1～6 1～6 3～11 给水温度℃ 35～45 35～45 35～45 35～45 汽耗kg/kW.h 5.68 5.61 5.6 5.58 热耗kJ/kW.h 16285 16845 16075 16458 汽轮机级数 11 9 9 10 末级叶片叶片长度mm 300 330 485 665 汽轮机本体重量t ～46.5 ～45 ～61 92 配汽方式节流调节节流调节节流调节节流调节回热系统无无无无
1.2通流部分设计技术特点        水泥窑低温余热汽轮机通流部分的设计，在技术方面最突出的特点是采用当代更为先进的、在成熟的全三维技术基础上开发的、具有当代国际领先水平的准四维/全四维技术，对通流部分及主汽阀、调节阀、汽缸等各部分主蒸汽流经的部位进行全面系统设计，达到节约能源、降低消耗、提高经济性和增加出力（在同等主蒸汽流量下）的目的。
（1）采用先进的非数值优化方法（遗传算法）与常规的数值优化方法相结合，针对不同工作条件下的叶片型线进行优化设计。使得叶片型线损失很小；叶片前缘设计使得叶片对来流攻角变化不敏感；较薄的叶片尾缘减小了叶片的尾迹损失；较大的叶片最大厚度增强了叶片的刚性。

（2）末几级采用弯扭联合成型静叶栅。改变静叶栅内部的流场，减小叶片损失，从而大幅度提高汽轮机的级效率。
（3）通流部分子午面光顾。光滑顺畅的子午面型线可以减小因子午面形状突变而带来的额外损失。

（4）动叶自带围带整圈联接。通过预扭装配使动叶片形成整圈联接，可以使动叶片振动应力减小，不存在铆接造成的应力集中，运行安全可靠。

（5）采用新一代梳齿式汽封。经过多年实验研究，及国内外机组实际运行经验表明，梳齿式汽封是密封效果最好的结构形式。梳齿式汽封以其特有的扰流作用，最大限度的减小漏汽，尤其是在冲动式汽轮机。

（6）全部采用焊接隔板。焊接隔板刚性好，强度大，能够保证静叶内汽道形状准确，光洁度高。

1.3汽轮机结构设计技术特点

南汽轮集团设计制造的水泥炉窑低温余热利用系列汽轮机，为低压、单缸、冲动、带一级补汽（双压）凝汽式汽轮机。其基本结构如上图所示。汽轮机采用节流调节，无调节级。汽轮机转子根据进汽参数和功率的不同分别由9、10、11个压力级组成。采用组合套装结构。

汽缸前端借助于“猫爪”与前轴承座相连，在垂直方向设有定位左右膨胀的垂直键，以保证轴承座在膨胀时中心不致变动。前轴承座坐于前座架上，前座架上装有热膨胀传感器，以反映汽轮机静子部分的热膨胀。后汽缸则支承在左右两侧的后座架上，在左右后座架与后缸连接面上设有横销，与汽轮机轴中心线的交点构成汽缸热膨胀的死点。

前轴承座内装有测速机构，主油泵，危急遮断装置，轴向位移传感器，径向及推力联合轴承。后轴承座与后汽缸一体，装有汽轮机后轴承和发电机前轴承。30MW系列仅装有汽轮机后轴承。后轴承盖上装有汽轮机盘车装置。盘车装置由电动机驱动，通过蜗轮蜗杆副及齿轮减速达到所需要的盘车速度。当转子的转速高于盘车速度时，盘车装置能自动退出工作位置。在无电源的情况下，在盘车电动机的后轴伸装有手轮，可以进行手动盘车。

水泥炉窑余热锅炉产生的低压蒸汽经电动隔离阀进入位于汽轮机前部的一个或者两个主汽调节联合汽阀，通过主蒸汽管路，由前汽缸下部进入前汽缸蒸汽室，经若干级作功后，与补汽混合，再经后几级压力级作功后排入凝汽器凝结成水，借助于凝结水泵打出，经汽封加热器及除氧器后，再重新进入余热锅炉。

1.3.1汽缸的设计该系列汽轮机的汽缸，根据功率的不同，分为两种组合形式：汽缸前部（前汽缸）和排汽缸（后汽缸）两段组成；汽缸前部（前汽缸）、汽缸中部（中汽缸）和排汽缸（后汽缸）三段组成。各部分之间采用垂直中分面和螺栓联接。汽缸分为上下两半，前后分别装有汽封，以保证蒸汽不外泄漏。前汽缸在下半前端有支承猫爪与前轴承座联接，前汽缸前猫爪采用下猫爪中分面支承方式，消除了机组运行中汽缸中心抬高问题。

前缸内铸有蒸汽室，蒸汽室为全周进汽，下部有两个进汽口与主蒸汽管道焊接联接到主汽调节联合汽阀。由于采用节流调节，改变了常规电站中、小机组群阀控制或凸轮配汽的方式；没有回热抽汽，减少了下半抽汽口，前汽缸的结构十分简单，接近薄壁圆筒型，使得在启动和运行过程中，受热均匀，膨胀稳定。

该系列汽轮机为双压汽轮机，中间有一部分更低压力的饱和蒸汽，进入汽轮机，与主流蒸汽混合后，继续做功。为了保证低压饱和蒸汽能与主流蒸汽很好的混合，不影响机组的正常运行。也就是说为使补汽顺利进入汽轮机，真正实现双压运行。在汽缸的设计中，除设有补汽进汽口外，在缸体上适当增加汽室空间，使补汽进入汽缸后，可迅速扩散，减少对主流蒸汽的扰动冲击，稳定的流向后几级，完成作功使命。低压缸基本借用常规电站汽轮机高一功率等级汽轮机的低压缸。如7MW系列、9MW系列的汽轮机，用常规电站15MW等级汽轮机的后汽缸；18MW系列的汽轮机用常规电波30MW等级汽轮机的后汽缸；30MW系列的汽轮机用常规电站50MW等级汽轮机的后汽缸。

1.3.2汽轮机配汽的设计水泥炉窑余热发电用汽轮机为了快速启动，而且能够在滑压方式下运行，要求汽轮机的配汽能够满足这样的要求。常规中小汽轮机采用喷嘴配汽，这种配汽方式在空载和低负荷时只有部分进汽度，这种情况对汽机暖机不利，特别在快速启动时尤为明显，为此在设计配汽时，进汽部分的控制不再采用普通的喷嘴调节方式，而是采用全部喷嘴同时进汽的节流调节控制方式，汽机启动时靠调节阀控制转速，使发电机并网；正常运行时，调节阀全开，汽轮机处于滑压运行状态。此种进汽方式使汽轮机进汽部分始终处于均匀受热状态，这样就能满足在整个启动过程，及低负荷时能够保证汽机进汽均匀，以利于汽机快速启动，特别在汽机利用调节汽阀自动升速启动时。同时这也为汽机自动启动奠定了基础。

1.3.3主汽调节联合汽阀的设计主汽调节联合汽阀布置在汽轮机头部运转层上。分为单主汽调节联合汽阀和双主汽调节联合汽阀。单主汽调节联合汽阀，位于汽轮机轴中心线上，双主汽调节联合汽阀，布置于轴中心线的两侧。汽阀用刚性座架安装在基础上。主汽阀分为立式与卧式两种，调节汽阀为立式布置。两阀阀壳铸为一体，使结构紧凑。联合汽阀在水平方向铸有四个支脚，整个汽阀靠此支撑在构架上，受热膨胀时，汽阀在构架中以其中一个脚为死点，其余三个脚可以在平面内滑动。汽阀构架是用钢板焊接而成的，座落在汽轮机运行平台的基础上，用螺栓加以固定。

主汽阀为单座球形阀，阀碟的端部为半球形。启动时，先打开预启阀，减小阀碟前后的压差，从而减小了阀门的提升力。阀座与阀壳采用热压装配保证过盈，阀座带有一段扩散段减少蒸汽流动损失。预启阀开足后阀杆继续移动带动阀碟开启。阀碟上方由定位块固定，主汽阀开到位后定位块与阀盖配合紧密完全吻合，达到了密封的效果。阀盖向下延伸一部分作为阀碟套筒，在阀碟开启过程中能起到导向作用。在套筒与阀碟间又装有平键以防止阀碟在汽流冲击下旋转。阀杆外装有阀杆套筒和隔离套，两个隔离套形成两个抽汽腔室，第一段隔离套形成的抽汽腔室引出的也就是阀杆的一次漏汽，与补汽管道相连。第二段隔离套形成的抽汽腔室引出的也就是阀杆的二次漏汽，与汽封抽汽器相连。因而不会使漏汽漏入汽机房，同时又充分利用了漏汽的热量。阀杆和阀杆套筒的表面均经过氮化以提高耐磨性。在阀碟外装有一个蒸汽滤网，网板是用不锈钢板卷成的圆筒，上边钻有若干个小孔，能防止汽流中的机械杂质进入汽轮机的通流部分。调节汽阀有阀碟、阀座、阀杆汽封、阀套等零

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