李艷超，劉 娟

（1.神華（福州）羅源灣港電有限公司，福建 福州 350512；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

國內(nèi)1 000 MW汽輪機安全性能分析

李艷超1，劉 娟2

（1.神華（福州）羅源灣港電有限公司，福建 福州 350512；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

我國從2004年開始建設(shè)1 000 MW燃煤火電機組，經(jīng)過十多年的發(fā)展，逐漸成為電網(wǎng)的主力機組。對目前國內(nèi)應(yīng)用的一次再熱火電機組1 000 MW汽輪機進行了介紹，針對安全性能方面進行了研究和分析，以期對未來大型汽輪機的發(fā)展提供一定參考。

1 000 MW汽輪機；安全性能；分析

我國火力發(fā)電行業(yè)在近10年從超臨界到超超臨界、從600 MW等級到1 000 MW等級，取得了長足發(fā)展。隨著近幾年新能源行業(yè)的不斷發(fā)展和環(huán)保要求的日益提高，傳統(tǒng)火電行業(yè)面臨著全新的外部環(huán)境挑戰(zhàn)，為適應(yīng)新形勢，新建火電項目在技術(shù)路線選擇、方案設(shè)計優(yōu)化、主輔設(shè)備選型方面進行了大量研究工作。為充分發(fā)掘機組的安全性、可靠性和經(jīng)濟性，主汽輪機設(shè)計選型得到了熱切關(guān)注，并在業(yè)內(nèi)進行了空前專研和討論。

1 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

我國第1臺1 000 MW火電機組于2006年11月在玉環(huán)電廠投運，采用的是上海汽輪機廠有限公司（上汽）引進德國西門子技術(shù)生產(chǎn)的1 000 MW超超臨界汽輪機；隨后，由東方汽輪機有限公司（東汽）引進日本日立技術(shù)生產(chǎn)的1 000 MW汽輪機在鄒縣電廠投運；次年，由哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司（哈汽）引進日本東芝技術(shù)生產(chǎn)的1 000 MW汽輪機在泰州電廠投運。一次中間再熱機組采用的汽輪機型式均為超超臨界參數(shù)、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式。

目前國內(nèi)應(yīng)用的1 000 MW火電汽輪機基本全部由國內(nèi)三大動力設(shè)備制造廠供貨，走“引進設(shè)備，聯(lián)合設(shè)計，掌握核心技術(shù)，技術(shù)創(chuàng)新”的國產(chǎn)化道路。

隨著國產(chǎn)化開發(fā)的不斷推進，哈汽和東汽在原有機型的基礎(chǔ)上進行了技術(shù)升級優(yōu)化設(shè)計，哈汽進行了更為徹底的改型升級，采取了多項先進技術(shù)，在提高機組安全性和經(jīng)濟性方面進行了深刻思考和變革。東汽首臺改型機應(yīng)用于神華萬州電廠，已經(jīng)于2015年2月投產(chǎn)；哈汽首臺改型機應(yīng)用于神華羅源灣電廠，預(yù)計2017年投產(chǎn)。目前國內(nèi)應(yīng)用1 000 MW汽輪機對比情況見表1。

根據(jù)表1可以看出，哈汽和東汽原機型在本體及配套輔助系統(tǒng)設(shè)計上均存在相似之處，哈汽針對新一代1 000 MW汽輪機進行了大幅度的升級優(yōu)化設(shè)計，采取了一些巧妙的設(shè)計思想，應(yīng)用了多項先進的技術(shù)，為成功應(yīng)用于神華羅源灣電廠打下了堅實基礎(chǔ)。

表1 目前國內(nèi)應(yīng)用1 000 MW汽輪機對比情況

2 安全性能對比分析

2.1 調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)對比

上汽1 000 MW汽輪機調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)最為簡潔，所有閥門的開關(guān)、調(diào)節(jié)、試驗和保護功能完全依靠油動機上的冗余電磁閥和伺服閥完成，集控室設(shè)置手動打閘系統(tǒng)。

東汽1 000 MW汽輪機保安系統(tǒng)在油動機上設(shè)置電磁閥和伺服閥完成常規(guī)功能，同時設(shè)置了另外2個跳閘回路：一路由4個AST電磁閥串并聯(lián)控制，一路由機械滑閥控制。機械滑閥回路可接收就地打閘、停機電磁鐵和機械超速指令，完成停機功能，同時可完成遠(yuǎn)方掛閘功能。集控室設(shè)置手動打閘系統(tǒng)。東汽升級版1 000 MW汽輪機調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)基本維持了原設(shè)計。

哈汽1 000 MW汽輪機調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)設(shè)計理念與東汽基本一致，哈汽增加了OPC電磁閥設(shè)計，以實現(xiàn)OPC功能。

2.2 汽流激振對策

汽流激振一般發(fā)生在高參數(shù)、大容量汽輪機的高、中壓轉(zhuǎn)子上，當(dāng)汽流激振力的影響超過系統(tǒng)所提供的阻尼時，軸系就會出現(xiàn)較大的不穩(wěn)定振動，即汽流激振［1－3］。汽流激振已經(jīng)成為制約高參數(shù)、大容量汽輪機安全和經(jīng)濟運行的瓶頸之一［4－6］。

上汽1 000 MW汽輪機，在額定負(fù)荷開啟補汽閥之后，會出現(xiàn)軸系振動現(xiàn)象，因此上汽機組在實際使用中，一般將補汽閥進行閥位限制，開度一般在10%以下，避免機組振動增強。

1 000 MW汽輪機在有些電廠出現(xiàn)過典型的汽流激振現(xiàn)象，機組在高負(fù)荷區(qū)間存在振動發(fā)散現(xiàn)象，通過調(diào)整高壓缸4個進汽調(diào)門的開度能夠起到一定效果，最終通過在高壓缸通流部分安裝防汽流渦動汽封從根本上消除了汽流激振。東汽改型機組將原來的部分進汽改為全周進汽，根本上消除了由于噴嘴調(diào)節(jié)造成的汽流激振問題。

哈汽針對新一代1 000 MW汽輪機特點，在進行軸系穩(wěn)定性計算過程中充分考慮汽流激振因素，降低高壓轉(zhuǎn)子的強迫撓度系數(shù)，將原來的噴嘴配汽改為節(jié)流配汽，同時還為該型汽輪機高壓通流部分設(shè)計了防汽流渦動汽封，有效地抑制了激振力的形成。在設(shè)計、加工和安裝環(huán)節(jié)進行嚴(yán)格把控，通過以上技術(shù)措施對汽流激振進行了有效處理。

2.3 超速保護配置對比

汽輪機超速事故是最為嚴(yán)重的事故之一，在電廠中采取很多技術(shù)措施防止發(fā)生超速事故，汽輪機超速保護裝置一般有電子式和機械式2種。

上汽1 000 MW汽輪機設(shè)置2套電超速110%保護跳閘回路，未設(shè)置機械超速保護，該電超速保護系統(tǒng)具有自動在線檢測功能，其執(zhí)行回路是冗余的控制系統(tǒng)，屬安全型的設(shè)計方式。

東汽原機型配置電超速保護：DEH超速保護，定值3 300 r／min；TSI超速保護，定值3 300 r／min；BUG后備超速，定值3 350 r／min。同時配置機械超速保護，定值3 300～3 330 r／min，依靠偏心飛環(huán)離心力打脫危急遮斷裝置撐鉤，拉桿帶動機械遮斷滑閥泄去控制油系統(tǒng)壓力，完成停機動作。東汽升級設(shè)計的1 000 MW汽輪機超速保護裝置維持原設(shè)計。

哈汽原機型配置超速保護裝置與東汽基本一致，機械超速保護略有差異，偏心飛環(huán)打脫撐鉤后，拉桿帶動電氣開關(guān)動作，通過電信號執(zhí)行停機動作，不屬于純機械超速保護。在哈汽新機型上取消了機械超速裝置，設(shè)計了3套電超速保護：DEH 110%超速保護；TSI 110%超速保護；獨立超速系統(tǒng)。

2.4 潤滑油系統(tǒng)設(shè)計

上汽1 000 MW機組潤滑油系統(tǒng)設(shè)置2臺電動潤滑油泵（1運1備），2臺頂軸油泵（1運1備），1臺直流潤滑油泵，通過該套系統(tǒng)向機組軸系供油，系統(tǒng)簡潔。

東汽和哈汽原1 000 MW汽輪機潤滑油系統(tǒng)設(shè)計基本一致，均采用與主機同軸驅(qū)動的主油泵供油，并設(shè)置1臺交流油泵、1臺直流油泵、3臺頂軸油泵（2運1備）、啟動油泵和油渦輪等設(shè)備，系統(tǒng)較為復(fù)雜，運行操作繁瑣，系統(tǒng)油壓整定工作量較大。東汽改型機潤滑油系統(tǒng)基本維持了原設(shè)計思想。

哈汽針對新一代1 000 MW汽輪機潤滑油系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，潤滑油系統(tǒng)改為由2臺交流電動潤滑油泵和1臺直流電動潤滑油泵供油，系統(tǒng)簡潔，備用容量滿足要求，還在系統(tǒng)中增設(shè)蓄能器裝置，一旦系統(tǒng)壓力異常降低，該裝置能夠穩(wěn)定系統(tǒng)壓力20 s，為恢復(fù)潤滑油系統(tǒng)爭取時間，提高機組安全性。

2.5 新型金屬材質(zhì)應(yīng)用

東汽和哈汽改型1 000 MW汽輪機中壓缸進汽溫度均提升了20℃，因此針對新機型關(guān)鍵部位采用了耐高溫等級更高的金屬材質(zhì)。機組材質(zhì)變化包括中聯(lián)門材質(zhì)由ZG1Cr10MoWVNbN改為選用CB2，中壓內(nèi)缸材質(zhì)由ZG1Cr10MoVNbN改為選用CB2，中壓轉(zhuǎn)子材質(zhì)由12CrMoVNbNW升級為新型FB2（12%Cr），中壓第1、2級隔板材質(zhì)選用CB2＋FB2，中壓第1、2級動葉材質(zhì)選用R26，完全滿足625℃的材料需求，保證機組運行安全性。

2.6 軸系支撐方式對比

汽輪機通過支撐軸瓦對軸系進行圓周方向束縛與支撐，通過推力軸瓦對軸向推力進行平衡，進而確保整個軸系在預(yù)計的安全范圍內(nèi)工作。

上汽1 000 MW汽輪機采用單軸承支撐方式，即每2段轉(zhuǎn)子之間只設(shè)置1個支撐軸承，4段汽輪機轉(zhuǎn)子總計設(shè)置5個支撐軸承，發(fā)電機每側(cè)各設(shè)計1個支撐軸承，推力軸承設(shè)計在高、中壓缸之間，這種支承方式結(jié)構(gòu)比較緊湊，還可減少基礎(chǔ)變形對于軸承荷載和軸系對中的影響，保證轉(zhuǎn)子平穩(wěn)運行。

東汽和哈汽的機組均采用雙軸承支撐，即每段轉(zhuǎn)子各設(shè)置2個支撐軸承，4段轉(zhuǎn)子總計設(shè)置8個支撐軸承，發(fā)電機每側(cè)各設(shè)計1個支撐軸承，推力軸承設(shè)計在高、中壓缸之間。

2.7 滑銷系統(tǒng)設(shè)計對比

上汽滑銷系統(tǒng)設(shè)計比較有特色，高、中、低壓軸承座固定在基礎(chǔ)上，其支撐汽缸的結(jié)合面采用小摩擦系數(shù)金屬使汽缸能自由膨脹，高、中壓缸的死點均在高、中壓缸之間的軸承座上。為保證低壓缸的動靜間隙，內(nèi)缸通過推力拉桿與中壓外缸連接。凝汽器與低壓外缸通過焊接實現(xiàn)剛性連接，凝汽器支撐在基礎(chǔ)上，可軸向膨脹。轉(zhuǎn)子相對死點位于推力軸承處，推力軸承安裝在高、中壓缸之間的軸承箱內(nèi)。

東汽和哈汽機組的滑銷系統(tǒng)基本一致，包括改型后的機組，均采用同樣的設(shè)計，與上汽機組滑銷系統(tǒng)差別較大。以東汽機組為例：汽缸共設(shè)有3個絕對死點，分別位于中壓缸后軸承箱底部及A低壓缸和B低壓缸的中心線附近；死點處的橫鍵限制汽缸的軸向位移；高、中壓轉(zhuǎn)子之間的2個軸承共用1個軸承箱，在高壓缸前、后軸承箱及2個低壓缸前后軸承箱設(shè)有縱向鍵，引導(dǎo)汽缸沿軸向自由膨脹；機組在運行工況下膨脹和收縮時，高壓缸前、后軸承箱可沿軸向自由滑動；轉(zhuǎn)子相對死點位于推力軸承處，推力軸承安裝在高壓缸后軸承箱內(nèi)。

針對汽輪機由冷態(tài)轉(zhuǎn)為熱態(tài)過程進行分析，以推力軸承為基準(zhǔn)觀察，這2套滑銷系統(tǒng)對于減小高、中壓缸脹差效果是一致的，對于A低壓缸同樣補償了中壓缸膨脹量，但是對于B低壓缸，上汽的滑銷系統(tǒng)補償了中壓缸和A低壓缸的膨脹量，東汽的滑銷系統(tǒng)僅補償了中壓缸膨脹量，因此可以判斷上汽的滑銷系統(tǒng)設(shè)計更優(yōu)，同樣軸向動靜間隙條件下運行更為安全。

2.8 盤車系統(tǒng)設(shè)計對比

上汽1 000 MW汽輪機采用液壓型式盤車，設(shè)計在1號軸承座附近，通過頂軸油驅(qū)動液壓電機帶動軸系旋轉(zhuǎn)，當(dāng)頂軸油壓力建立，盤車電磁閥打開時，即投入運行，轉(zhuǎn)速在48～54 r／min。另外留有手動盤車接口，位于3號軸承座位置。

東汽和哈汽的機組均采用電動盤車，設(shè)計在低壓缸與發(fā)電機之間，依靠電動機通過齒輪箱驅(qū)動軸系旋轉(zhuǎn)，盤車轉(zhuǎn)速在1.5～1.8 r／min，通過操作手柄可以在電動機上部伸出的短軸上實現(xiàn)手動盤車。

電動盤車投入過程中驅(qū)動齒輪與汽輪機大軸上的從動齒輪進行嚙合，該過程齒輪端面存在發(fā)生機械撞擊的可能，相比之下，液壓盤車不存在機械撞擊的問題，更加安全可靠。

3 大型汽輪機發(fā)展趨勢

3.1 調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)

對于汽輪機調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)，保護跳閘回路設(shè)計越完備保護拒動概率越低，但也發(fā)生過保護誤動的案例。目前電磁技術(shù)日趨成熟可靠，因此從提高系統(tǒng)可靠性和方便運行維護的角度出發(fā)，建議該套系統(tǒng)力求簡潔設(shè)計，做好調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)各項基礎(chǔ)工作，提高機組運行可靠性［7］。

3.2 汽流激振防治

在汽輪機軸系穩(wěn)定性設(shè)計上，充分考慮影響汽流激振的因素，采用合適的軸瓦型式和比壓，設(shè)計防汽流渦動汽封，削弱激振力，從設(shè)備設(shè)計和制造環(huán)節(jié)著手，徹底避免汽流激振現(xiàn)象，保證機組安全穩(wěn)定運行［8－9］。

3.3 超速保護裝置

隨著電子超速保護系統(tǒng)日趨成熟，現(xiàn)在越來越多的汽輪機取消了機械超速保護設(shè)計?！痘鹆Πl(fā)電廠汽輪機電液控制系統(tǒng)技術(shù)條件》（DL／T 996—2006）8.11.1條款要求“超速保護宜由2套不同物理原理構(gòu)成、獨立于汽輪機DEH的系統(tǒng)組成”，仍然設(shè)計2種以不同物理原理工作的超速保護裝置。以往常規(guī)的飛錘或飛環(huán)式機械超速裝置對于彈簧部件的質(zhì)量提出較為嚴(yán)格的要求，且不完全可靠，因此有必要開發(fā)出一種可靠性更高的機械超速裝置，為防止發(fā)生超速事故提供雙重保險。

3.4 潤滑油系統(tǒng)設(shè)計

潤滑油系統(tǒng)設(shè)計建議采用系統(tǒng)更為簡潔的純電泵供油系統(tǒng)，從電源可靠性上進行嚴(yán)謹(jǐn)論證與設(shè)計。在不影響現(xiàn)場安全的前提下，針對潤滑油系統(tǒng)設(shè)置容量足夠的蓄能器，滿足《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求》關(guān)于潤滑油系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)要求。

3.5 盤車裝置

傳統(tǒng)電動盤車在投入過程中，驅(qū)動齒輪與從動齒輪嚙合過程中存在機械撞擊的可能性，有些電廠只好取消自動投入功能，改為手動投入，對于可靠投入盤車存在一定影響。未來無沖擊、可靠性更高的盤車設(shè)計將會得到更多的青睞和推廣，有效提升軸系安全穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

本文對目前國內(nèi)使用的一次再熱火電機組1 000 MW汽輪機安全性能進行了對比和分析，對未來高參數(shù)、大容量汽輪機的發(fā)展提出建議。隨著我國能源行業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)燃煤火力發(fā)電企業(yè)面臨著全新的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)行業(yè)新形勢，火力發(fā)電項目在主機選型方面對安全性和經(jīng)濟性提出了前所未有的嚴(yán)格要求。在不斷追求機組卓越經(jīng)濟性能的同時，同樣應(yīng)該高度重視機組安全性能設(shè)計，減少甚至杜絕事故，提高機組可靠性和經(jīng)濟性。

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Analysis on Safety Performance of Domestic 1 000 MW Coal?fired Unit Steam Turbine

LI Yanchao1，LIU Juan2
（1.Shenhua（Fuzhou）Luoyuan Bay Port＆Power Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350512，China；2.Electric Power Research Instritute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

China started to construct 1 000 MW coal?fired thermal power plant from 2004，after more than ten years development，1 000 MW unit with its excellent safety，economic and environmental has gradually become the main power unit.This paper introduces the application situation of single reheat 1 000 MW unit steam turbine used in China at present.The safety performance is studies and analyzed to offer a reference for the future development direction of large steam turbine.

1 000 MW turbine；safety performance；analysis

TK269

A

1004－7913（2016）10－0045－04

李艷超（1981），男，學(xué)士，高級工程師，主要從事1 000 MW煤電機組運行技術(shù)管理工作。

2016－07－27）