井芳波，袁永強(qiáng)，衛(wèi)棟梁，陳顯輝，史宣平，賴強(qiáng)

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

東方高效1 050 MW汽輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

井芳波，袁永強(qiáng)，衛(wèi)棟梁，陳顯輝，史宣平，賴強(qiáng)

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

東汽采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段并結(jié)合試驗(yàn)研究，對(duì)熱力系統(tǒng)、配汽方式、通流、中低分缸壓力、進(jìn)排汽結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了優(yōu)化，自主研發(fā)了新型高效1 050 MW超超臨界汽輪機(jī)。機(jī)組投運(yùn)后的熱力性能考核試驗(yàn)表明：機(jī)組經(jīng)濟(jì)性提升效果顯著，與引進(jìn)型D1000A機(jī)型相比，機(jī)組熱耗降低約300 kJ/kW·h。機(jī)組總體水平達(dá)到超超臨界1 000 MW機(jī)組的國(guó)際先進(jìn)水平。

高效，1 050 MW汽輪機(jī)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)濟(jì)性

0 引言

為了適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展需求，把握國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向，進(jìn)一步降低汽輪機(jī)熱耗以提高東汽產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，東汽不斷追求技術(shù)進(jìn)步，先后自主開發(fā)了超超臨界1 000 MW供熱機(jī)組、超超臨界1 000 MW空冷機(jī)組、超超臨界1 030 MW濕冷機(jī)組。采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段并結(jié)合試驗(yàn)研究，對(duì)熱力系統(tǒng)、配汽方式、通流、中低分缸壓力、進(jìn)排汽結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了優(yōu)化、創(chuàng)新，東汽自主研發(fā)了新型高效1 050 MW超超臨界機(jī)組 （D1000K機(jī)型），并在神華萬(wàn)州電廠成功投運(yùn)。

1 高效1 050 MW超超臨界汽輪機(jī)概況

東方高效1 050 MW超超臨界機(jī)組為單軸、四缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)，產(chǎn)品型號(hào)為N1050-28/600/620，廠內(nèi)編號(hào)為D1000K。從機(jī)頭至機(jī)尾依次串聯(lián)1個(gè)單流高壓缸、1個(gè)雙流中壓缸以及2個(gè)雙流低壓缸。高壓缸無(wú)調(diào)節(jié)級(jí)，由12個(gè)單流壓力級(jí)組成，中壓缸為2×8個(gè)壓力級(jí)，2個(gè)低壓缸壓力級(jí)總數(shù)為2×2×5級(jí)，末級(jí)葉片高度1 200 mm。汽輪機(jī)縱剖面圖見圖1。主蒸汽經(jīng)2根導(dǎo)汽管進(jìn)入2個(gè)高壓主汽閥、2個(gè)調(diào)節(jié)閥，經(jīng)2根高壓主汽管從高壓外缸2個(gè)進(jìn)汽口進(jìn)入高壓缸，通過高壓缸做功后，去鍋爐再熱器。再熱汽經(jīng)2根再熱管進(jìn)入中壓聯(lián)合汽閥，經(jīng)2根導(dǎo)汽管進(jìn)入中壓缸中部下半，做功后的蒸汽經(jīng)1根異徑連通管分別進(jìn)入2個(gè)雙流低壓缸（A、B），做功后排入凝汽器。總體結(jié)構(gòu)三維立體圖見圖2。

圖1 東方N1050-28/600/620型汽輪機(jī)組縱剖面圖

圖2 東方N1050-28/600/620型汽輪機(jī)組三維立體圖

2 高效1 050 MW超超臨界汽輪機(jī)技術(shù)規(guī)范

機(jī)組型號(hào)： N1050-28/600/620

額定功率：1 050 MW

最大功率：1 110 MW

VWO流量：3 035 t/h

機(jī)組參數(shù)： 28 MPa/600℃/620℃

排汽壓力： THA 4.92 kPa、TRL 8.6 kPa

結(jié) 構(gòu)：筒形高壓內(nèi)缸、四缸四排汽、高中壓分缸、高壓缸單流

通流級(jí)次：HP 12、IP 2×8、LP 2×2×5

配汽方式：節(jié)流配汽

回?zé)峒?jí)數(shù)：9級(jí) （3高加+1除氧+5低加）

外形尺寸：37.7 m×11.42 m×8.9 m

末級(jí)葉片：1 200 mm

3 高效1 050 MW超超臨界汽輪機(jī)優(yōu)化措施

3.1系統(tǒng)優(yōu)化

（1）進(jìn)汽參數(shù)優(yōu)化

主再熱參數(shù)優(yōu)化至28 MPa/600℃/620℃。圖3為初參數(shù)、再熱參數(shù)對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響，主再熱參數(shù)由25 MPa/600℃/600℃提升至28 MPa/600℃/620℃，機(jī)組熱耗約降低60 kJ/kW·h。

（2）回?zé)嵯到y(tǒng)優(yōu)化

目前國(guó)內(nèi)投運(yùn)的超超臨界1 000 MW機(jī)組典型回?zé)嵯到y(tǒng)采用八級(jí)回?zé)岢槠瑬|方高效1 050 MW超超臨界汽輪機(jī)采用九級(jí)回?zé)岢槠?，分別供給3臺(tái)高壓加熱器、1臺(tái)除氧器、5臺(tái)低壓加熱器。其中7號(hào)低壓加熱器設(shè)置疏水泵，可以減小末級(jí)低加向凝汽器疏水量，減小冷端散熱損失；同時(shí)，可以避免低負(fù)荷時(shí)八、九號(hào)低加疏水不暢情況。

圖3 初參數(shù)、再熱參數(shù)對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響

（3）設(shè)置外置式蒸汽冷卻器

設(shè)置外置式蒸汽冷卻器，利用再熱后抽汽（三段抽汽）的過熱度，減小換熱溫差產(chǎn)生的換熱損失，提高給水溫度～4℃。

（4）優(yōu)化給水溫度

圖4為循環(huán)參數(shù)為28 MPa/600℃/620℃-4.92 kPa條件下，最終給水溫度與汽輪機(jī)熱耗關(guān)系曲線。給水溫度過高會(huì)導(dǎo)致鍋爐排煙溫度升高，鍋爐熱效率降低；同時(shí)，汽機(jī)一抽壓力過高導(dǎo)致汽缸、抽口以及管道設(shè)計(jì)困難。綜合考慮萬(wàn)州工程機(jī)組最終給水溫度設(shè)計(jì)為306.4℃。

圖4 最終給水溫度與汽輪機(jī)熱耗關(guān)系曲線

（5）優(yōu)化主、再熱蒸汽管道壓降

采用彎管代替彎頭，優(yōu)化管道規(guī)格及布置走向等，主蒸汽管道壓降由常規(guī)5%降低至3.35%；整個(gè)再熱系統(tǒng)總壓降由常規(guī)10%降低至7%，減小了系統(tǒng)壓降損失。

3.2 通流優(yōu)化

（1）配汽方式優(yōu)化

配汽方式由噴嘴配汽改為節(jié)流配汽，取消高壓調(diào)節(jié)級(jí)，高壓進(jìn)汽方式為上下切向進(jìn)汽，大大提高了高壓首級(jí)效率。高壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)改變?nèi)鐖D5、圖6所示。

圖5 噴嘴配汽高壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)

圖6 節(jié)流配汽高壓切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)

（2）控制二次流損失

對(duì)于超超臨界機(jī)組，隨著進(jìn)汽壓力提升至28 MPa，高壓進(jìn)汽容積流量GV顯著減小，使葉片的相對(duì)葉高L/D減小，導(dǎo)致葉片端部二次流損失增大，級(jí)效率降低 （相對(duì)葉高對(duì)級(jí)效率影響見圖7）。

較東方引進(jìn)日立原型機(jī)高壓通流Ⅰ+8級(jí)，萬(wàn)州項(xiàng)目高壓缸通流級(jí)數(shù)增加3級(jí)為12級(jí)，減小級(jí)焓降，降低機(jī)組葉片根徑，增大葉片的相對(duì)葉高，有效控制葉片端部二次流損失。

圖7 相對(duì)葉高對(duì)級(jí)效率影響

（3）1 200 mm末級(jí)葉片

萬(wàn)州項(xiàng)目低壓缸末級(jí)葉片采用新開發(fā)的1 200mm末葉，且已在六橫1 000 MW機(jī)組應(yīng)用驗(yàn)證。六橫1 000 MW機(jī)組變背壓試驗(yàn)表明：新開發(fā)的1 200 mm長(zhǎng)葉片、大排汽面積的低壓缸具有較好的變工況性能，每1 kPa背壓僅影響熱耗約0.5%。低壓缸效率在50%～100%額定負(fù)荷范圍內(nèi)效率都很高，滿足高效寬負(fù)荷的設(shè)計(jì)理念。

（4）低壓排汽缸優(yōu)化

低壓排汽缸進(jìn)行了加寬加高處理，并采用了氣動(dòng)性能更好的導(dǎo)流環(huán)（排汽缸優(yōu)化后結(jié)構(gòu)及流線圖見圖8）。與引進(jìn)日立原型機(jī)低壓排汽缸相比，靜壓恢復(fù)系數(shù)有了較大的提升。

圖8 排汽缸優(yōu)化結(jié)構(gòu)及流線圖

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（1）高壓閥門優(yōu)化

主汽閥和調(diào)節(jié)閥由4個(gè)改為2個(gè)，高壓主汽閥和調(diào)節(jié)閥懸吊在機(jī)頭前的運(yùn)行層下，調(diào)節(jié)閥喉部流速降低為80 m/s，減小閥門壓損。

（2）高壓內(nèi)缸優(yōu)化

高壓內(nèi)缸優(yōu)化為筒形內(nèi)缸，采用紅套環(huán)結(jié)構(gòu)，取消了汽缸上下半中分面法蘭。高壓進(jìn)汽管和進(jìn)汽室的連接、1#抽汽管和內(nèi)缸的連接均采用纏繞墊片+密封環(huán)的結(jié)構(gòu)，減少了漏汽。相對(duì)于傳統(tǒng)中分面內(nèi)缸結(jié)構(gòu) （見圖9），紅套環(huán)筒形內(nèi)缸 （見圖10）尺寸減?。恍螤詈?jiǎn)單，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，熱變形小；對(duì)汽輪機(jī)啟停和變負(fù)荷工況適應(yīng)性好；適用更高溫度、壓力的超超臨界參數(shù)。

圖9 傳統(tǒng)中分面內(nèi)缸結(jié)構(gòu)

圖10 紅套環(huán)筒形內(nèi)缸結(jié)構(gòu)

（3）中低分缸壓力優(yōu)化

降低中低分缸壓力至0.6 MPa，低壓缸部分焓降由效率更高的中壓缸承擔(dān)，使機(jī)組經(jīng)濟(jì)性得到提升。同時(shí)降低低壓缸進(jìn)汽溫度，減少低壓內(nèi)缸的變形和熱應(yīng)力，降低內(nèi)缸漏汽的可能性，提高機(jī)組的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。中低分缸壓力優(yōu)化如圖11所示。

圖11 中低分缸壓力優(yōu)化

（4）取消轉(zhuǎn)子冷卻蒸汽

中壓轉(zhuǎn)子材料為FB2，不需要對(duì)中壓葉輪進(jìn)行冷卻。因此取消了原機(jī)組中壓轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)。

（5）采用防旋汽封

為防止汽流激振，高壓隔板汽封及端汽封（進(jìn)汽側(cè)第1列汽封圈）采用防旋汽封，防旋汽封結(jié)構(gòu)見圖12。

圖12 防旋汽封結(jié)構(gòu)

（6）高壓主汽調(diào)節(jié)閥雙閥蓋設(shè)計(jì)

由于高壓主汽調(diào)節(jié)閥由4個(gè)改為2個(gè)，閥門直徑增大；且設(shè)計(jì)壓力由25 MPa提升至28 MPa，閥蓋的密封力增加，采用雙閥蓋結(jié)構(gòu)，可減小螺栓應(yīng)力，如圖13所示。

圖13 高壓主汽閥閥蓋結(jié)構(gòu)

4 高效1 050 MW超超臨界汽輪機(jī)優(yōu)化效果

神華萬(wàn)州電廠1號(hào)和2號(hào)汽輪機(jī)，分別于2015年2月9日和9月18日通過168 h試運(yùn)行。為檢驗(yàn)汽輪機(jī)優(yōu)化后的經(jīng)濟(jì)性，電廠委托國(guó)內(nèi)最為嚴(yán)格的考核試驗(yàn)單位西安熱工研究院負(fù)責(zé)性能考核試驗(yàn)。

兩臺(tái)機(jī)組試驗(yàn)過程中系統(tǒng)比較完善，基本消除了內(nèi)漏。各主要工況的不明泄漏率控制在0.2%以內(nèi)，且整個(gè)試驗(yàn)過程也嚴(yán)格按規(guī)程進(jìn)行，試驗(yàn)數(shù)據(jù)中各參數(shù)間的關(guān)系合理，試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性相當(dāng)好，性能試驗(yàn)充分反映了優(yōu)化后汽輪機(jī)的真實(shí)效果。

4.1 性能試驗(yàn)結(jié)果

神華萬(wàn)州電廠1號(hào)和2號(hào)汽輪機(jī)性能考核試驗(yàn)的主要結(jié)果見表1。

表1 萬(wàn)州電廠1號(hào)和2號(hào)汽輪機(jī)性能試驗(yàn)主要結(jié)果

性能試驗(yàn)表明兩臺(tái)機(jī)組的性能試驗(yàn)熱耗均優(yōu)于7 200 kJ/kW·h，機(jī)組供電煤耗為272.4 g/（kW· h），達(dá)到超超臨界1 000 MW機(jī)組世界先進(jìn)水平。

4.2 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

（1）與引進(jìn)日立型1 000 MW機(jī)組（D1000A機(jī)型）經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

東方引進(jìn)日立型超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)（D1000A機(jī)型），目前已投運(yùn)機(jī)組有20臺(tái)。高效1 050 MW超超臨界汽輪機(jī) （D1000K機(jī)型）與D1000A機(jī)型相比，經(jīng)濟(jì)性取得顯著改善，經(jīng)濟(jì)性對(duì)比詳見表2。

由表2可以看出，與引進(jìn)機(jī)型（D1000A機(jī)型）相比，東方高效 1 050 MW 超超臨界汽輪機(jī)（D1000K機(jī)型）試驗(yàn)高、中、低壓缸效率均有顯著提高，結(jié)合熱力系統(tǒng)上的優(yōu)化，機(jī)組熱耗降低約300 kJ/kW·h，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性提升效果顯著。

表2 D1000K與D1000A機(jī)組經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

（2）與國(guó)內(nèi)其他公司最新超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

國(guó)內(nèi)其他公司最新超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)采用國(guó)外成熟的 “HMN”積木塊組合，對(duì)熱力系統(tǒng)進(jìn)行全面優(yōu)化后，在安徽A電廠成功投運(yùn)，其3號(hào)和4號(hào)汽輪機(jī)性能考核試驗(yàn)由西安熱工研究院分別于2015年10月18日和9月19日完成，試驗(yàn)的主要結(jié)果見表3。

表3 安徽A電廠3號(hào)和4號(hào)汽輪機(jī)性能試驗(yàn)主要結(jié)果

為找出東方高效1 050 MW超超臨界汽輪機(jī)與安徽A電廠汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性的差異，為東方后續(xù)汽輪機(jī)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，東方進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比差異見表4。

表4 東方高效1 050 MW汽輪機(jī)與安徽A電廠新超超1 000 MW汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

由表4可以看出：

（1）東方萬(wàn)州2號(hào)機(jī)組和安徽A電廠4號(hào)機(jī)組各缸試驗(yàn)效率基本相當(dāng)。

（2）按不帶低溫省煤器試驗(yàn)熱耗考慮，東方萬(wàn)州2號(hào)機(jī)組和安徽A電廠4號(hào)機(jī)組熱耗基本相當(dāng)。

5 結(jié)語(yǔ)

東方創(chuàng)新設(shè)計(jì)擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效1 050 MW超超臨界濕冷汽輪機(jī)，投運(yùn)后性能試驗(yàn)熱耗小于7 200 kJ/kW·h，機(jī)組供電煤耗為272.4 g/（kW·h）。與引進(jìn)D1000A機(jī)型相比，機(jī)組熱耗降低約300 kJ/kW·h，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性提升效果顯著。與國(guó)內(nèi)其他公司新超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)相比，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)。機(jī)組總體水平達(dá)到超超臨界1 000 MW機(jī)組的國(guó)際先進(jìn)水平。

[1]神華神東電力重慶萬(wàn)州港電有限責(zé)任公司1號(hào)機(jī)組性能考核試驗(yàn)報(bào)告[Z].2016.

[2]神華神東電力重慶萬(wàn)州港電有限責(zé)任公司2號(hào)機(jī)組性能考核試驗(yàn)報(bào)告[Z].2016.

Optimization Design and Economic Evaluation of Dongfang Ultra-supercritical 1 050 MW Steam Turbine

Jing Fangbo，Yuan Yongqiang，Wei Dongliang，Chen Xianhui，Shi Xuanping，Lai Qiang

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

By adopting the advanced design method combined with experimental study,the company optimizes the thermal system, steam distribution method,through-current capability,the pressure between IP and LP cylinders,and the inlet and exhaust structure,develops the new efficient ultra-supercritical 1 050 MW steam turbine independently.The thermal performance test after unit putting into operation shows that promotion effect of the optimized unit is remarkable.Compared with D1000A,heat rate of the new 1 050 MW steam turbine reduces about 300 kJ/kW·h.The new 1 050 MW steam turbine overall level has reached the international advanced level of 1 000 MW ultra-supercritical steam turbine.

efficient,1 050 MW steam turbine,optimization design,economy

TK14

B

1674-9987（2017）01-0001-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.01.001

井芳波 （1982-），男，本科，工程師，2006年畢業(yè)于西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程專業(yè)，長(zhǎng)期從事汽輪機(jī)熱力設(shè)計(jì)和性能試驗(yàn)工作。