張曉東，方宇，唐清舟，王建偉

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

660 MW超超臨界二次再熱汽輪機結(jié)構(gòu)特點

張曉東，方宇，唐清舟，王建偉

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

為了進一步提高效率，節(jié)能減排，公司研制了超超臨界高參數(shù)二次再熱汽輪機組。文章主要介紹了公司660 MW高參數(shù)二次再熱汽輪機結(jié)構(gòu)特點，著重闡述了機組技術(shù)繼承性、安全可靠性、使用性，該機組也將成為國內(nèi)首個660 MW二次再熱汽輪機組。

超超臨界，二次再熱，結(jié)構(gòu)特點

0　引言

隨著全球經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，低碳經(jīng)濟越來越受到關(guān)注，根據(jù)我國能源的特點，發(fā)電能源的構(gòu)成以煤為主的格局仍將持續(xù)相當(dāng)長的時間，提高機組效率無疑具有極高的國家能源戰(zhàn)略意義。綜合利用現(xiàn)有技術(shù)，進一步提高參數(shù)和采用二次再熱技術(shù)是燃煤機組目前提高效率最有效的手段。

歐、美、日等發(fā)達國家早已積極開展了高效機組的研究和使用，20世紀(jì)歐、美、日就已有多臺二次再熱機組投運，如日立的姬路6#機、丹麥的SBK 3#、日本川越電廠等，其中，丹麥的Nordjylland&Svaerket電廠仍保持燃煤電廠凈效率47%的世界記錄。另外，歐、美、日紛紛開展了“AD700”、“A-USC”等高參數(shù)汽輪機技術(shù)的研發(fā)計劃，目標(biāo)是開發(fā)35 MPa/700℃/720℃ （/720℃）的一次或二次再熱機組，機組效率達到或超過50%。

與此同時，基于目前材料、制造技術(shù)水平，歐、美、日等國家已經(jīng)在現(xiàn)有超超臨界機組上進一步提高了機組參數(shù)，如日立于2009年投運的新磯子電廠參數(shù)就達到了25 MPa/600℃/620℃。當(dāng)然國內(nèi)發(fā)電行業(yè)也及時跟蹤并進行了高參數(shù)機組的開發(fā)，東方汽輪機有限公司 （以下簡稱東汽）也完成了重慶萬州項目 （28 MPa/600℃/620℃）的技術(shù)研發(fā)和高參數(shù)二次再熱機組的研發(fā)。

東汽高參數(shù)二次再熱機組的參數(shù)范圍為28～32 MPa/600℃/620℃/620℃，其基本開發(fā)思路是充分利用現(xiàn)有超超臨界機組的運行經(jīng)驗，繼承現(xiàn)有的成熟技術(shù)，采用先進的通流技術(shù)和高效熱力系統(tǒng)，保證機組具有高效、成熟、安全可靠、維護方便等特點，綜合性能達到世界一流水平。

本文主要介紹東汽研發(fā)的660 MW超超臨界二次再熱汽輪機組本體設(shè)計的特點。

1　主要機型數(shù)據(jù)和總體結(jié)構(gòu)

東汽660 MW高參數(shù)二次再熱主要機型數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　東汽660 MW高參數(shù)二次再熱主要機型數(shù)據(jù)表

機組采用四缸四排汽，從機頭到機尾依次為1個單流超高壓缸，1個合缸反向布置的高中壓缸，2個雙流低壓缸，主汽閥懸掛于機頭側(cè)運行平臺下，再熱主汽調(diào)節(jié)閥布置在運行平臺兩側(cè)，其立體圖如圖1所示。

圖1　660 MW二次再熱機組汽輪發(fā)電機組示意圖

2　總體結(jié)構(gòu)的成熟性

總體方案是在東汽超超臨界660 MW機組上增加一個超高壓模塊形成四缸四排汽，如圖2所示。

圖2　機組縱剖面圖

機組各模塊均由成熟模塊改型設(shè)計而成，低壓模塊可配909 mm末葉或1 016 mm末葉，各部分母型見表2。

機組四缸四轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計方案繼承了東汽超超臨界1 000 MW機組［1］和新超超臨界660 MW機組的整體特點，因此，機組整體滑銷系統(tǒng)、機組軸系、潤滑油系統(tǒng)、頂軸油系統(tǒng)、自密封系統(tǒng)均與傳統(tǒng)四缸機組保持一致，具有諸多運行業(yè)績，成熟可靠。

表2　母型說明表

3　機組本體設(shè)計特點

3.1熱力系統(tǒng)

660 MW高參數(shù)二次再熱汽輪機回?zé)嵯到y(tǒng)有10級非調(diào)整抽汽分別為5級高壓加熱、1級除氧、4級低壓加熱，各級回?zé)嵋来挝挥诔邏号牌?、高?級后、高壓排汽、中壓3級后、中壓6級后、中壓8級后、低壓布置4級回?zé)帷?/p>

3.2超高壓模塊

超高壓缸為單流式，全周進汽，供8個沖動式壓力級。汽缸采用雙層缸結(jié)構(gòu)，內(nèi)缸采用先進的紅套環(huán)緊箍圓筒形汽缸［2］，并采用耐高溫的新12Cr鑄鋼材料ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，內(nèi)缸外表面布置有隔熱罩；外缸采用傳統(tǒng)中分面法蘭汽缸結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)外缸材料。高壓缸縱剖面圖見圖3。

圖3　超高壓缸縱剖面圖

內(nèi)缸采用無法蘭結(jié)構(gòu)的筒形汽缸，筒形汽缸具有以下優(yōu)點：

（1）缸體圓筒結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，有利于外缸緊湊設(shè)計和減少自身應(yīng)力集中；

（2）缸體各向同性，受力均勻，能承受32 MPa甚至更高的主蒸汽壓力；

（3）套環(huán)緊箍，汽缸氣密性良好，可保證機組大修期內(nèi)長久的經(jīng)濟性；

（4）隔熱罩結(jié)構(gòu)可減少對流，提高內(nèi)缸外表面溫度，防止溫差過大引起變形；

（5）大修周期長，根據(jù)需要在設(shè)計時考慮滿足高達15年以上的大修期；

（6）模塊可整體發(fā)貨，整體安裝，縮短現(xiàn)場安裝周期和提高安裝質(zhì)量；

（7）內(nèi)缸采用套箍結(jié)構(gòu)，不存在螺栓咬死問題，拆裝方便；

（8）汽缸可現(xiàn)場檢修，無需返廠，檢修周期短，可提高電廠經(jīng)濟效益。

此外，針對二次再熱機組超高壓排汽壓力高、排汽進入夾層易造成外缸氣密性差的特點，本機組超高壓排汽通過管道直接進入再熱冷段，不進入內(nèi)外缸夾層。內(nèi)外缸夾層汽源為軸封漏氣，并與二段抽汽聯(lián)通，形成與二段抽汽相同的壓力，使外缸承受的壓力與常規(guī)超超臨界機組相當(dāng)，外缸氣密性和安全性更高。

3.3高中壓缸模塊

機組高中壓模塊采用常規(guī)超超臨界660 MW機組高中壓模塊成熟結(jié)構(gòu)，僅針對再熱壓力低（高壓進口10 MPa，中壓3 MPa）、體積流量大、再熱溫度620℃的特點進行改型設(shè)計。汽缸采用雙層缸結(jié)構(gòu)，外缸采用常規(guī)機組外缸材料，內(nèi)缸采用ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，外表面布置隔熱罩，低溫區(qū)采用隔板套結(jié)構(gòu)。汽缸均采用中分面法蘭結(jié)構(gòu)，方便大修檢修。

本機組采用內(nèi)缸加隔板套結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)合缸機組高中壓缸承受高壓進汽和高排汽體溫差相比，缸溫度場更為合理。

二次再熱機組高中壓模塊進汽壓力低，內(nèi)缸承受壓差小且采用高強度耐高溫材料，因此，壁厚較薄，缸體熱應(yīng)力較小且利于熱傳導(dǎo)。

3.4低壓末葉片和低壓缸的選擇

660 MW二次再熱機組可根據(jù)不同背壓和負(fù)荷選擇1 016 mm低壓末葉片模塊或909 mm末葉片模塊，如圖4所示，背壓在5.4 kPa以下時機組更適合采用1 016 mm低壓末葉片模塊，5.4 kPa以上時更適合選擇909 mm末葉片模塊。

圖4　機組背壓-末葉-經(jīng)濟性關(guān)系

低壓模塊均采用傳統(tǒng)雙分流、三層缸結(jié)構(gòu)。與常規(guī)機組相比，本機組增加中壓缸焓降，用高效的中壓長葉片取代了低效的低壓短葉片，在提高機組經(jīng)濟性的同時降低了低壓缸進口參數(shù)，從而降低了低壓缸進排汽口溫差，減小熱應(yīng)力和防止內(nèi)缸變形。

為了進一步提高機組經(jīng)濟性，本機組低壓A、B缸采用非對稱設(shè)計，低壓抽口非對稱布置，7、9段抽汽布置于A低壓缸，8、10段抽汽布置于B低壓缸。

3.5滑銷系統(tǒng)

機組滑銷系統(tǒng) （見圖5）與傳統(tǒng)四缸機組一致，設(shè)有3個死點，分別位于汽缸Ⅰ （中壓缸）和汽缸Ⅱ （A低壓缸）之間的軸承箱下以及汽缸Ⅲ、Ⅳ （A、B低壓缸）中心線附近，死點處橫鍵限制汽缸軸向位移。同時，在1#軸承箱、2#軸承箱及2個低壓缸的中心線前后設(shè)有縱向鍵，引導(dǎo)汽缸沿軸向自由膨脹并限制其跑偏。機組相對死點設(shè)置在2#軸承箱內(nèi)。類似滑銷系統(tǒng)在電廠具有良好的運行業(yè)績。

圖5　四缸機組滑銷系統(tǒng)圖

3.6機組軸系

機組軸系由超高壓轉(zhuǎn)子、高中壓轉(zhuǎn)子、A低壓轉(zhuǎn)子、B低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機轉(zhuǎn)子共5根轉(zhuǎn)子組成，繼承了東方1 000 MW四缸機組軸系的以下特點：

●采用成熟可靠的設(shè)計計算分析方法和設(shè)計準(zhǔn)則，并經(jīng)過運行驗證；

●選用成熟且穩(wěn)定性好的軸承——可傾瓦軸承和橢圓瓦軸承，參數(shù)見表3；

●采用雙支承結(jié)構(gòu)，跨距小，剛性高，運行臨界轉(zhuǎn)速與計算值吻合度高；

●臨界轉(zhuǎn)速分布集中 （見表4），且避開半速渦動轉(zhuǎn)速，有利于中速暖機和啟動。

除此以外，機組采用全周進汽，設(shè)置防旋汽封等措施減小汽隙激振力，增強軸系防汽流激振力的能力。

表3　軸承基本參數(shù)表

表4　軸系臨界轉(zhuǎn)速

3.7閥門及其布置

二次再熱機組增加一組再熱閥門，因此，機組共有超高壓主汽調(diào)節(jié)閥、高壓主汽調(diào)節(jié)閥、中壓主汽調(diào)節(jié)閥3組閥門，每組2個。超高壓主汽閥承受33 MPa以上高壓，高、中壓主汽調(diào)節(jié)閥門承受620℃高溫。

主汽調(diào)節(jié)閥共有2個主汽閥和2個獨立調(diào)節(jié)閥連為一體，主汽閥腔室互通。主汽閥、調(diào)節(jié)閥均設(shè)有自己的油動機和操縱機構(gòu)。

根據(jù)壓力容器設(shè)計規(guī)范，傳統(tǒng)大螺栓擰緊產(chǎn)生接觸應(yīng)力密封的結(jié)構(gòu)形式不適合用于高參數(shù)（壓力大于25 MPa）機組密封結(jié)構(gòu)，因此，東汽660 MW二次再熱機組主汽閥和調(diào)節(jié)閥都采用其特有的雙閥蓋結(jié)構(gòu)，通過伍德式自密封結(jié)構(gòu)實現(xiàn)密封，如圖6所示，蒸汽作用力作用于內(nèi)閥蓋上，并擠壓密封墊片形成自密封，蒸汽作用力最終傳遞并作用在止動環(huán)上，止動環(huán)根據(jù)作用力大小調(diào)整厚度。內(nèi)外閥蓋間形成的密封腔室具有分壓和防漏功能，并與軸封聯(lián)通。

圖6　單閥蓋和雙層閥蓋示意圖

3.8冷卻系統(tǒng)

高溫部件冷卻結(jié)構(gòu)及其設(shè)計是超超臨界機組的關(guān)鍵技術(shù)之一，其冷卻系統(tǒng)示意圖見圖7。冷卻蒸汽經(jīng)特殊設(shè)計的管道，使高溫部件得到有效冷卻，降低高溫部件的使用溫度，延長高溫部件的設(shè)計壽命。本機組采用的冷卻技術(shù)在超超臨界機組中普遍采用，安全可靠，且一次調(diào)試以后不需重新調(diào)試和控制，簡單方便。

圖7　冷卻系統(tǒng)示意圖

3.8.1進汽管冷卻技術(shù)

超高壓、高壓模塊通過超高壓排汽蒸汽進行進汽管冷卻，在主汽管靠近外缸處有一小孔，引入一小股冷卻蒸汽，流經(jīng)外缸與導(dǎo)汽管之間及外缸與內(nèi)缸之間形成的狹小間隙，對外缸內(nèi)壁進行隔離與冷卻。

中壓進汽管采用類似結(jié)構(gòu)，用高排蒸汽進行冷卻。

3.8.2轉(zhuǎn)子冷卻技術(shù)

本機組再熱溫度提高后，轉(zhuǎn)子采用了高溫性能良好的FB2鍛鋼?？紤]增加安全裕度和延長轉(zhuǎn)子使用壽命，機組利用高排蒸汽對中壓第一級轉(zhuǎn)子進行冷卻，控制第一級葉輪溫度不高于580℃。

3.9先進的通流技術(shù)

機組繼承并優(yōu)化了超超臨界機組先進的通流技術(shù)，通過一系列先進的通流技術(shù)提高機組經(jīng)濟性：

●采用美國SoftInWay公司開發(fā)的通流設(shè)計軟件AxSTREAM，結(jié)合全三元氣動分析軟件，優(yōu)化葉型；

●采用先進渦流型設(shè)計，葉片各截面及三維空間成型采用NUB曲線曲面造型技術(shù)生成，結(jié)合數(shù)值優(yōu)化算法及先進的數(shù)控加工技術(shù)使葉型損失和二次流損失得到有效減少；

●采用全三元彎曲導(dǎo)葉、可控渦高負(fù)荷動葉的三元級；

●采用泄露量更少的東汽DAS汽封。

3.10成熟材料的選擇

本機組蒸汽參數(shù)達到31 MPa/600℃/620℃/ 620℃，對關(guān)鍵高溫部套材料和結(jié)構(gòu)的要求要高于傳統(tǒng)超超臨界機組 （25 MPa/600℃/600℃），轉(zhuǎn)子、內(nèi)缸、閥門、葉片、隔板等高溫部位的材料需要更耐高溫，其蠕變和高溫持久應(yīng)滿足在高溫高壓下長時間工作。機組高溫部件材料將大量使用9-12CrWCo材料，機組低溫部套材料的使用同常規(guī)超超臨界機組基本一致。本機組與常規(guī)超超臨界機組高溫材料使用對照見表5。

表5　主要高溫部套材質(zhì)對照表

其中，13Cr9Mo2Co1NiVNbNB和ZG1Cr10Mo1 NiWVNbN分別是東方自主研發(fā)的用于620℃等級汽輪機的轉(zhuǎn)子和鑄件材料，含Co、B等微量成分，具有良好的高溫性能和持久蠕變性能。類似耐高溫產(chǎn)品如FB2及CB2，已在美國John、W、Turk、Jr等電站中大量使用［3］。

3.11堅持面向用戶的設(shè)計，提高使用性

本機組除繼承了外缸中分面結(jié)構(gòu)方便拆卸、東汽雙支持方便找中、低壓缸開孔便于檢查末葉、可不開缸動平衡、自潤滑等措施外，還堅持面向用戶設(shè)計，從電站角度設(shè)計到檢修維護各環(huán)節(jié)提供方便，具體措施包括：

●超高壓內(nèi)缸采用紅套環(huán)緊箍的筒形汽缸，可整體發(fā)貨，模塊安裝，延長大修期，現(xiàn)場解體維修，縮短檢修工期；

●閥門便于拆裝，無需專用工具和復(fù)雜工藝即可檢修安裝；

●單獨的推力軸承比推力支持聯(lián)合軸承更便于檢修維護。

4　結(jié)論

綜上所述，東汽自主研發(fā)的660 MW超超臨界二次再熱高參數(shù)汽輪機具有良好的技術(shù)繼承性；機組的設(shè)計方法、關(guān)鍵技術(shù)、主要部套均具有大量工程應(yīng)用業(yè)績，特別是機組軸系、滑銷系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)充分繼承了現(xiàn)有機組的特點，成熟可靠；先進的筒形汽缸結(jié)構(gòu)、巧妙的雙層閥蓋結(jié)構(gòu)、成熟的高溫材料等關(guān)鍵技術(shù)的使用保證了機組的安全可靠性；本體設(shè)計與二次再熱技術(shù)、優(yōu)化的熱力系統(tǒng)、更高熱力參數(shù)、先進通流技術(shù)相結(jié)合，提高了機組經(jīng)濟水平；同時，充分考慮了機組的安裝、檢修性能，方便業(yè)主，提高了使用性。

因此，東汽660 MW超超臨界高參數(shù)二次再熱汽輪機本體安全可靠，獲得了業(yè)主的認(rèn)可。該機組已在華能安源電廠實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，成為國內(nèi)首個660 MW二次再熱汽輪機組。

［1］王為民，潘家成，方宇，袁永強.東方1 000 MW超超臨界汽輪機設(shè)計特點及運行業(yè)績［J］.東方電氣評論，2009，23（1）：1-11

［2］中國動力工程學(xué)會，主編.火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊：第二卷：汽輪機［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998

［3］Torsten-UIF KERN，Marc STAUBLI，Brendon SCARLIN .The European Efforts in Material Development for 650℃USC Power Plants-Cost522［J］.ISIJ international，vol.42（2002），No.12，pp.1515-1519

Characteristic of Structure in 660 MW Ultra-supercritical Double-reheat Steam Turbine

Zhang Xiaodong，F(xiàn)ang Yu，Tang Qingzhou，Wang Jianwei

（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Dongfang Turbine Co.，Ltd.developed a highly efficient ultra-supercritical double-reheat steam turbine with improved thermal efficiency and reduced emissions.In this paper，the characteristic of main structure for 660 MW ultra-supercritical doublereheat steam turbine was introduced.Its technical inheritance，reliability and usability were specifically explained.The unit would also become the first 660 MW double-reheat steam turbine in China.

ultra-supercritical，double-reheat，characteristic of structure

TK262

A

1674-9987（2015）02-0001-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.02.001

張曉東 （1981-），男，副主任，畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，從事汽輪機總體設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)研究工作。