15MW跨临界二氧化碳透平方案设计.pdf

收稿日期:作者简介:刘 阳()男助理工程师 现主要从事储能技术方面的研究包括空气透平、压缩二氧化碳透平、压缩机等 跨临界二氧化碳透平方案设计刘 阳魏红阳邢冠一徐 鹏徐殿吉(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司哈尔滨)摘要:基于蒸汽透平的设计理论和经验对一台 跨临界二氧化碳轴流背压式透平进行设计及分析 通过热力、气动、结构等多方面的设计和合理性验证在透平功率、效率等指标满足预期要求的情况下结构设计合理设计方案可行关键词:压缩二氧化碳轴流透平结构设计三维模拟数值分析分类号:文献标识码:文章编号:()():.:前 言进入“十四五”以来我国能源结构正经历前所未有的深刻调整储能与新能源发电、电力系统协调优化运行已成为实现双碳目标的必由之路 在众多储能技术中压缩气体储能具有储能容量大、储能周期长、比投资小等优点被认为是最具发展潜力的大规模储能技术压缩 电热储能技术是压缩气体储能的重要发展方向由于 临界点(.、.)相对空气(.、.)容易达到无毒、不易燃、安全等级为 且超临界二氧化碳具有优良的热力学性质:黏度小、密度大、导热性能好系统寄生能耗也相对较低易实现超临界状态使热源的放热温度曲线和 吸热温度曲线达到很好的匹配可实现较高的能量转化效率本文针对 压缩 电热储能系统开展跨临界二氧化碳透平方案设计为压缩 电热储能系统开发提供技术支撑 透平设计参数见表 热力气动方案设计.转速选取透平设计中速比为确定轮周效率的重要参数也是影响级的做功能力的因素一般轮周效率最高的速比称为最佳速比计算公式如下:/表 透平设计参数进气温度进气压力排气温度排气压力流 量/./式中 为速比 为透平每一级的动叶轮周速度 为每一级等熵滞止速度 为叶高中径 为转速对于本文所述透平透平带动发电机发电优先选取常规转速/经过计算转速/时机组级数、通流效率、叶片高度等各项参数搭配是合理的此时透平可直接驱动发电机发电无需增设变速箱等设备.通流形式选取在相同的转速下不同的通流型式也会带来不同的设计效果 常规的通流型式可以分为冲动式和反动式 冲动式机组由于独特的轮毂和轮盘结构具有转子重量较轻的优点但同时也有叶型效率低、漏气损失大、排布级数少等缺点虽然反动式机组转子重量较重但是拥有叶型效率高、漏气损失小、排布级数多等优点为了获得较高的整体效率通流型式选用哈尔滨汽轮机厂有限责任公司(以下简称哈汽公司)高效反动式通流设计技术.一维方案设计透平方案采用成熟的单缸单流设计进气侧设置推力平衡毂具有良好的推力自平衡能力此种结构型式在大量蒸汽透平中得到应用成熟可靠第 卷 第 期汽 轮 机 技 术.年 月.透平通流应用高效的“多级小焓降反动式”通流设计技术依托先进的热力叶片计算软件优化通流内各级的几何参数和热力参数选型合理降低叶片宽度和级间距增加通流设计级数充分发挥多级反动式技术优势降低通流内隔板气封和叶顶气封漏气损失及叶片二次流损失增加通流重热系数提高通流设计效率.气动方案设计根据一维方案设计透平采用反动式设计方案运用具有成熟运行业绩的小焓降通流设计技术叶片共 级如图 所示图 叶片通流与气封通道模型示意图叶型采用哈汽公司自主开发的高效叶型在原有后加载叶型的基础上做了进一步优化提高了机组的变工况运行性能对加工装配以及运行中的偏差容忍性更好更能保证机组的效率 三维设计采用弯扭成型保证三维流动的合理性结构上采用先进的预扭结构设计动静叶全部实现装配式保证了装配质量 结构方案设计本机组通流采用反向布置工质经由主气调节联合阀进入气缸经过通流做功后由气缸电端下半排气口排出 气缸外的压力平衡管和气缸内设置的平衡毂气封可以分别平衡气缸内调电端压力和轴向推力 气缸两端设计有干气密封可以更好地减少漏气损失 总体方案如图 所示图 透平纵剖图.进气结构根据进气参数及热力方案进气结构采用单进气口、切向蜗壳进气形式如图 所示 采用切向蜗壳进气方式时蜗壳内流场均匀明显克服了非定常效应产生的气流激振问题其中气流速度增大还可大大减小进气管的尺寸降低制造成本.气缸结构参考超超临界火电机组设计透平气缸采用常规中分面法兰结构形式分为上下两半通过螺栓连接 此种结构在满足需求的前提下结构形式简单易于加工制造便于安装检修图 切向蜗壳进气示意图 图 阀门气缸结构示意图.阀门结构主气调节联合阀与气缸采用直接连接的方式如图 所示工质通过进气插管进入气缸内这种布置方式相对于传统的导气管连接结构既节省了空间也减少了管道损失.滑销结构滑销系统结构布置如图 所示透平的绝对死点设置在后轴承箱静子部分向前轴承箱侧膨胀膨胀量由前轴承箱下部的挠性支撑板吸收透平转子的相对死点设置在前轴承箱转子以相对死点为中心向后轴承箱侧膨胀 此设计是哈汽公司的典型设计形式其优点是进气区域距离相对死点短、胀差小气封齿数可以布置得较多转子联轴器处绝对膨胀量也能控制在较小范围内图 滑销系统示意图.密封结构隔板气封、叶顶气封采用静叶镶片形式平衡毂气封采用常规镶片式气封圈结构如图、图 所示图 典型压力级气封示意图 图 平衡毂气封示意图跨临界 透平由于受工作环境等限制对于轴端密封要求更为严格所以采用具有出色密封性能的干气密封作为轴端密封如图 所示 干气密封是一种非接触式机械密封该密封具有功耗小、无磨损、泄漏率小等优点 同时该密封结构简单、系统可靠、维护方便从而可保证透平的长周期稳定运行.轴承结构机组共设置有推力支持轴承、号支持轴承、号支持轴承推力支持轴承主要用于平衡机组的轴向推力 号、号汽 轮 机 技 术 第 卷图 干气密封示意图支持轴承主要负责承担转子及动叶的重量 支持轴承参数见表 表 支持轴承数据支持轴承轴承形式轴承有效宽度轴承直径轴承载荷比压 号可倾瓦.号可倾瓦.结构设计验证.转子强度核算计算转子叶轮强度和槽壁强度计算结果见表、表 表 转子叶轮强度计算结果级温度/局部最大/计算应力许用应力平均切向/计算应力许用应力.由表、表 可见转子叶轮计算应力均小于许用应力叶轮强度合格转子槽壁计算应力均小于许用应力槽壁强度合格 转子强度合格.气缸强度核算根据设计参数加载计算气缸应力考核结果如图 所示 由图 可见气缸各位置等效应力均满足稳定运行要求对气缸进行路径应力考核取考核路径对气缸膜应力和膜加弯应力进行评估各路径选取如图 所示 评估结果见表 表 转子槽壁强度计算结果级前槽/温度/计算应力 许用应力后槽/温度/计算应力 许用应力.图 气缸应力场图 气缸考核路径选取 表 气缸路径应力考核结果路 径一次应力膜应力.基本许用膜加弯应力.基本许用二次应力膜加弯应力.基本许用 .(下转第 页)第 期刘 阳等:跨临界二氧化碳透平方案设计 贝纹线叶片的失效模式为应力腐蚀开裂研究表明材料发生应力腐蚀开裂的基本条件除弱的腐蚀介质外还需要有拉应力 转子在高速转动时叶片的离心力产生沿叶身方向的拉应力这是拉应力的主要来源 而叶片出汽侧边缘硬度和组织不均匀使该位置存在着较大残余应力 残余应力在应力腐蚀中也起着重要作用 因此在叶片离心力带来的拉应力和残余应力的共同作用下在应力集中的腐蚀点坑处萌生裂纹后发生应力腐蚀开裂 结 论叶片的失效模式为应力腐蚀开裂()由于叶片热处理工艺控制不当导致在出汽侧边缘形成宽约 的硬化层和不均匀马氏体组织材料耐蚀性下降()机组运行时汽水品质不佳存在、等腐蚀元素叶片叶身和出汽侧边缘形成腐蚀点坑()在叶片离心力产生的拉应力和叶片组织不均匀带来的残余应力的共同作用下在应力集中的出汽侧边缘点坑处萌生微裂纹并发生应力腐蚀开裂参 考 文 献 宋文希谷伟伟张永海等.某 汽轮机低压第 级动叶片断裂原因分析.汽轮机技术():.黎 华卢忠铭刘课秀等.火电厂汽轮机叶片开裂原因分析.理化检验 物理分册():.周正强郑宏晔胡洁梓等.机组低压末级叶片裂纹原因分析.汽轮机技术():.杨 毅.汽轮机叶片失效分析及预防.腐蚀与防护():.秦承鹏李 梁.超临界机组低压转子叶片开裂分析.腐蚀与防护():.金俊先.火电机组深度调峰经济性及末级叶片安全性研究.沈阳:沈阳工程学院.金 喆.大型汽轮机末级叶片枞树型叶根变工况有限元分析.北京:华北电力大学.葛 挺.深度调峰对汽轮机设备影响的分析及建议.河南电力():.李益民杨百勋史志刚等.汽轮机转子事故案例及原因分析.汽轮机技术():.():.李继红孟 强支金花等.回火温度对马氏体不锈钢 焊接接头耐腐蚀性能的影响.焊管():.陈光军侯 帅韩松鑫.加工表面质量对耐腐蚀性能影响的研究进展.表面技术():.汤精明姜忠宇.表面完整性对 钢耐腐蚀性的影响.热加工工艺():.刘传森李壮壮陈长风.不锈钢应力腐蚀开裂综述.表面技术():.孙 智任耀剑隋艳伟.失效分析:基础与应用.北京:机械工业出版社.陈恒卢琳.残余应力对金属材料局部腐蚀行为的影响.工程科学学报():.李嘉栋陈超张世贵等.不同应力条件下不锈钢局部腐蚀行为的研究进展.表面技术():.(上接第 页)根据上述结果显示气缸路径应力考核合格对气缸中分面进行气密性(中分面接触压力)考核结果如图 所示图 气缸中分面接触压力由以上考核结果分析气缸中分面接触良好气缸气密性合格综上气缸等效应力考核合格气缸路径应力考核合格气缸气密性考核合格气缸强度合格 结 论()基于热力气动方案设计本文设计的跨临界透平采用成熟的单缸单流设计应用高效的“多级小焓降反动式”通流设计技术、预扭结构形式的叶片机组的整体等熵效率为 轴功率为.满足预期要求()本透平结构设计方面采用单蜗壳进气、阀门直连、端部干气密封等结构通过计算分析密封性能、强度性能等均考核合格()转子为刚性转子且透平额定转速为/一阶临界转速为/二阶临界转速为 /临界转速均避开了工作转速 轴系合格参 考 文 献 郝佳豪越云凯张家俊等.二氧化碳储能技术研究现状与发展前景.储能科学与技术():.何 青郝银萍刘文毅.一种新型跨临界压缩二氧化碳储能系统热力分析与改进.华北电力大学学报(自然科学版)():.钟主海江生科.汽轮机高压缸进汽蜗壳的数值研究.东方汽轮机():.严如奇.超临界二氧化碳干气密封流体动力润滑与密封性能研究.兰州:兰州理工大学.第 期邓 辉:超临界机组低压末三级叶片开裂原因分析