徐瓊鷹，高展羽

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

六橫1 000 MW超超臨界汽輪機優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

徐瓊鷹，高展羽

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

文章詳細(xì)分析、介紹了六橫1 000 MW超超臨界汽輪機本體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)及關(guān)鍵部套的設(shè)計與研究，對促進(jìn)我國火力發(fā)電技術(shù)進(jìn)步具有現(xiàn)實意義，對更高參數(shù)的超超臨界汽輪機的設(shè)計研發(fā)具有可借鑒的技術(shù)知識。

1 000 MW超超臨界，汽輪機，結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計

1 前言

隨著國內(nèi)外火電機組日趨飽和，火電機組建設(shè)爆發(fā)式增長的結(jié)束，不斷變化的國際國內(nèi)市場形勢對各汽輪機生產(chǎn)制造廠家提出了更高的要求。為了邁進(jìn)更廣闊的汽輪機市場，進(jìn)一步提升產(chǎn)品的競爭力，打開1 000 MW超超臨界汽輪機高端市場的大門，公司利用六橫2×1 000 MW項目的機會，特投入大量人力、物力、財力，自主研發(fā)并制造了公司首臺1 000 MW超超臨界汽輪機優(yōu)化型機組。該機組在公司編制的型號為N1000-25/ 600/600型超超臨界、一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、凝汽式汽輪機組。

本項目從2012年2月開始立項自主研發(fā)，2013年2月完成優(yōu)化設(shè)計，2013年10月公司內(nèi)生產(chǎn)完工，1號機組于2014年7月10日成功投入商業(yè)運行，2號機組于2014年9月17日成功投入商業(yè)運行，至今運行效果優(yōu)良。

2 主要技術(shù)內(nèi)容

本項目除了采用先進(jìn)通流技術(shù)，保證汽輪機具有較高的經(jīng)濟性外，還需要合理確定總體設(shè)計方案，以保證機組安全運行。

機組縱剖面圖如圖1所示。

圖1 N1000-25/600/600型汽輪機縱剖面圖

2.1 技術(shù)規(guī)范

技術(shù)規(guī)范主要是從滿足市場和用戶需求，結(jié)合制造廠設(shè)計、制造和運行經(jīng)驗以及市場前景來制定的，以達(dá)到既滿足市場需求，又促進(jìn)技術(shù)水平提高、增加產(chǎn)品競爭力的目的，本項目1 000 MW等級主要技術(shù)規(guī)范如下：

（1）型號：N1000-25/600/600型

（2）型式：超超臨界、一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、凝汽式汽輪

（3）額定功率：1 030 MW

（4）最大功率：1 108 MW

（5）主蒸汽壓力：25 MPa

（6）主蒸汽溫度：600℃

（7）再熱蒸汽壓力：4.184 MPa

（8）再熱蒸汽溫度：600℃

（9）額定主蒸汽流量：2 813.5 t/h

最大主蒸汽流量：3 048 t/h

（10）回?zé)岫螖?shù)：8段

3高加+1除氧+4低加

（11）背壓：4.7 kPa

（12）末級動葉片：1 200 mm

（13）通流級數(shù)：共44級

高壓缸 10級

中壓缸 2×7級

低壓缸 2×2×5級

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)內(nèi)容

該項目在結(jié)構(gòu)上做了重大改進(jìn)，通過采取以下措施提高機組效率，保證機組的經(jīng)濟性與可靠性。機組整體外形如圖2所示。

圖2 六橫項目機組整體外形圖

（1）由噴嘴配汽改為節(jié)流配汽，采用上、下切向進(jìn)汽，取消調(diào)節(jié)級，減少部分進(jìn)汽損失、降低進(jìn)汽壓損，提高機組經(jīng)濟性；

（2）采用先進(jìn)的通流設(shè)計理念，全新優(yōu)化設(shè)計高、中、低壓通流，全新設(shè)計高、中、低壓內(nèi)外缸結(jié)構(gòu)；

（3）對高、中壓缸進(jìn)汽口，中、低壓缸排汽口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；

（4）調(diào)整中低壓間的分缸壓力，由1.0 MPa降低到0.65 MPa；

（5）低壓模塊采用1 200 mm末級葉片低壓模塊；

（6）高壓內(nèi)缸增設(shè)隔熱層結(jié)構(gòu)；

（7）全新優(yōu)化設(shè)計高壓主汽調(diào)節(jié)閥；

（8）采用先進(jìn)的汽封結(jié)構(gòu)；

（9）采用先進(jìn)的密封結(jié)構(gòu)；

（10）研究分析高壓內(nèi)外缸和高壓主汽調(diào)節(jié)閥應(yīng)力水平及密封性、低壓外缸的應(yīng)力及變形等情況。

3 關(guān)鍵部套設(shè)計及研究

3.1 高壓模塊設(shè)計

高壓通流逆流布置，由10個壓力級組成。高壓部分共有兩級回?zé)岢槠?，?段抽汽口布置在高壓第7級后的汽缸上，第2段抽汽布置在再熱冷段管道上。

為提高機組經(jīng)濟性，取消了原噴嘴室結(jié)構(gòu)，采用節(jié)流配汽，高壓進(jìn)汽型線采用東方自主研發(fā)的高效變截面型線，如圖3所示。該型線采取全三維開發(fā)，采用切向進(jìn)汽和變截面設(shè)計，具有良好的氣動性能，對提高機組效率、降低熱耗有顯著的作用。

高壓模塊為雙層缸結(jié)構(gòu)，由高壓內(nèi)缸與外缸組成。高壓外缸設(shè)2個進(jìn)汽口，汽缸上、下半各設(shè)1個，采用切向進(jìn)汽，高壓內(nèi)外缸裝配結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖3 高壓進(jìn)汽室型線結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 高壓內(nèi)外缸裝配結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.1 高壓內(nèi)外缸結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）進(jìn)汽腔室優(yōu)化設(shè)計：高壓內(nèi)缸取消傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)級結(jié)構(gòu)，取消噴嘴室，采用節(jié)流配汽；進(jìn)汽方式為上下切向進(jìn)汽，進(jìn)汽腔室為切向變截面進(jìn)汽，如圖3所示。

（2）2#汽封體結(jié)構(gòu)設(shè)計：為了保證進(jìn)汽腔室中分面的密封性，同時便于汽道加工，進(jìn)汽部分由高壓內(nèi)缸和2#汽封體共同組成，如圖4所示。

（3）高壓內(nèi)缸增設(shè)隔熱層結(jié)構(gòu)：在高壓內(nèi)缸外壁及中分面法蘭增設(shè)隔熱層，以減小汽缸內(nèi)外壁溫差，減少汽缸外壁的熱損失，防止熱應(yīng)力過大引起的汽缸變形。該隔熱層結(jié)構(gòu)如圖5所示，隔熱層由多塊不同規(guī)格的隔熱板拼焊組裝而成，隔熱板上開有若干通孔，在高壓內(nèi)缸外壁焊有帶螺紋的支座，通過螺栓將隔熱層固定在高壓內(nèi)缸的支座上。該隔熱層的設(shè)計，實現(xiàn)了既不影響高壓內(nèi)缸各測點以及中分面螺栓等的安裝與拆卸，又能起到減少內(nèi)缸及法蘭外壁熱損失的效果，從而實現(xiàn)控制內(nèi)缸內(nèi)外壁溫差，減小中分面變形的目的。通過有限元分析計算表明，較之無隔熱層的汽缸結(jié)構(gòu)，在法蘭內(nèi)壁，無論是切向應(yīng)力還是彎曲應(yīng)力都明顯減小。

（4）高壓外缸結(jié)構(gòu)設(shè)計：由于采用上下切向進(jìn)汽，高壓外缸進(jìn)汽口優(yōu)化為2個進(jìn)汽口，上下切向布置，汽缸整體結(jié)構(gòu)更為緊湊。高壓外缸結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 高壓內(nèi)缸隔熱層示意圖

圖6 高壓外缸結(jié)構(gòu)

3.1.2 高壓內(nèi)外缸強度分析

根據(jù)高壓內(nèi)外缸的具體幾何結(jié)構(gòu)，建立三維有限元模型，采用有限元對其強度進(jìn)行分析。通過分析計算，汽缸的剛性、強度、中分面汽密性均滿足設(shè)計要求。

3.2 中壓模塊設(shè)計

中壓通流采用雙分流布置，每個流向布置有7個沖動式壓力級。中壓共有三級回?zé)岢槠?段抽汽口布置在中壓第2級后，第4段抽汽口布置在第5級后，第5段抽汽布置在第7級后。

中壓模塊采用雙層缸結(jié)構(gòu)，這樣中壓高溫進(jìn)汽僅局限于內(nèi)缸的進(jìn)汽部分，而中壓外缸只承受較低的壓力和溫度，可以使缸壁與法蘭設(shè)計得較薄。中壓內(nèi)外缸結(jié)構(gòu)設(shè)計得盡可能對稱，如圖7、圖8所示，同時具有足夠的剛度，確保隨著溫度變化時汽缸脹縮的均勻性。這種結(jié)構(gòu)大大降低了因溫度變化而導(dǎo)致的對中變化和汽缸出現(xiàn)變形的可能性，意味著機組更易于操作并且性能更可靠。汽缸下半設(shè)2個進(jìn)汽口，布置在中壓外缸兩側(cè)。中壓模塊在正反通流處各增加了1級壓力級，將中低壓間的分缸壓力由1.0 MPa降低到0.65 MPa。

圖7 中壓外缸結(jié)構(gòu)圖

圖8 中壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)圖

3.3 低壓模塊設(shè)計

低壓部分有2個低壓缸A-LP缸和B-LP缸，中壓排汽通過連通管引入低壓缸，如圖9所示。每個低壓缸為雙分流式，每個流向包括5個沖動式壓力級，低壓末級葉片為東方新型1 200 mm葉片，低壓共有3級對稱抽汽，分別布置在低壓1級、低壓2級、低壓3級后，進(jìn)入第6#、7#、8#加熱器。

圖9 低壓模塊

3.3.1 低壓內(nèi)外缸結(jié)構(gòu)設(shè)計

低壓內(nèi)、外缸均為鋼板拼焊結(jié)構(gòu)，如圖10所示。低壓外缸整缸分成上、下半各兩塊組成，可整體組裝，分塊運輸，每個低壓外缸上半均備有4個安全大氣閥。低壓內(nèi)缸支承在外缸內(nèi)4個凸臺上，內(nèi)、外缸間用鍵連接便于軸向和橫向定位。在內(nèi)、外缸之間蒸汽進(jìn)口處設(shè)有波紋管膨脹節(jié)，此處允許內(nèi)、外缸之間有相對位移，并防止空氣滲入低壓缸。B-LP排汽缸靠發(fā)電機端是盤車裝置。排汽缸采用了逐漸擴大的導(dǎo)流環(huán)，使排汽缸具有良好的空氣動力性能

圖10 低壓模塊俯視圖 （去上半）

本項目低壓末級首次采用1 200 mm導(dǎo)葉片，低壓內(nèi)外缸尺寸增大，低壓外缸整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。為加強低壓外缸的剛性，通過有限元分析，在汽缸較薄弱區(qū)域增設(shè)撐筋或加強筋；同時調(diào)整低壓支持軸承間跨距，由6 550 mm調(diào)整為6 750 mm，使低壓軸承座更加接近低壓基架，這樣增加了轉(zhuǎn)子的支撐剛度，減少了轉(zhuǎn)子的下沉量，提高了軸系穩(wěn)定性。

3.3.2 低壓外缸強度及振動分析

本項目低壓外缸結(jié)構(gòu)的尺寸雖然較公司其他1 000 MW機組的低壓外缸的尺寸更大，但通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，經(jīng)有限元分析計算，低壓外缸外殼抵抗真空載荷的能力較強，剛性較好。低壓外缸軸承座的靜剛度比公司其他1 000 MW機組的低壓外缸的軸承座靜剛度要大。軸承座抵抗轉(zhuǎn)子靜載荷和真空載荷的能力較強，剛性好，不會由于靜剛度過小而導(dǎo)致在機組運行時發(fā)生動靜碰摩而引起振動。

低壓缸的振動特性主要包括其固有頻率、振型和動響應(yīng)。通過優(yōu)化低壓外缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，完全可以使得軸承座的固有頻率避開激振力頻率防止發(fā)生共振。通過計算表明，該低壓外缸避開了50 Hz的共振頻率，軸承座的動剛度也比公司其他1 000 MW機組的低壓外缸的動剛度大，所以，低壓外缸的振動特性滿足設(shè)計要求，能確保機組的安全穩(wěn)定運行。

3.4 高壓主汽調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于采用節(jié)流配汽，高壓主汽閥和調(diào)節(jié)閥都優(yōu)化為2個。主汽閥位于汽輪機調(diào)節(jié)閥前的主蒸汽管道上，每個主汽閥有一個進(jìn)汽口和一個連接到調(diào)節(jié)閥腔室的出汽口。兩只主汽閥成一字型左右排列，并與兩只調(diào)節(jié)閥組焊成一體后用吊架懸掛在機頭前面的運行平臺下，并通過2根高壓主汽管與高壓缸相連。從主汽閥出來的蒸汽進(jìn)入調(diào)節(jié)閥，然后經(jīng)調(diào)節(jié)閥后的主汽管進(jìn)入高壓缸。主汽閥、調(diào)節(jié)閥分別由各自的油動機操縱。高壓主汽調(diào)節(jié)閥外形如圖11所示，高壓主汽調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖11 高壓主汽調(diào)節(jié)閥外形圖

圖12 高壓主汽調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖

3.4.1 閥組氣動性能

采用全三元CFD分析軟件，對超超臨界1 000 MW機組的原高壓主汽調(diào)節(jié)閥和本項目新優(yōu)化設(shè)計的高壓主汽調(diào)節(jié)閥氣動性能進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：原設(shè)計閥門的2個工況 （三閥點、四閥點）閥門總壓損失相當(dāng)，約為1.7%，優(yōu)化后的高壓進(jìn)汽閥門損失為1.2%，下降約為0.5個百分點，主汽閥與調(diào)節(jié)閥損失皆有所降低，提高了機組高壓缸效率，降低了機組的熱耗。通過氣動分析，閥門流場的氣動損失比原來降低29.4%，大大提高了機組的安全性和經(jīng)濟性。

3.4.2 閥殼材料選擇

為減小閥殼壁厚，提高閥門應(yīng)力，高壓主汽閥和調(diào)節(jié)閥的閥殼材料由KT5917均改為采用CB2新型材料。 該材料是一個歐洲聯(lián)合項目（COST536）開發(fā)的材料，這種材料的高溫屈服強度和持久強度都較高，在600℃的持久強度為110 MPa，完全滿足設(shè)計要求，能保證高壓主汽調(diào)節(jié)閥在高溫高壓的工作條件下長期安全穩(wěn)定運行。

3.4.3 采用雙閥蓋結(jié)構(gòu)

為改善閥蓋的密封性，減小密封螺栓應(yīng)力，主汽閥與調(diào)節(jié)閥的上端密封均采用雙閥蓋結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖12所示。最主要的受力元件為止動圈，最主要的密封元件為密封環(huán)，在冷態(tài)時，為了保證密封性能，需要拉緊螺栓對密封環(huán)進(jìn)行預(yù)緊。通過有限元分析，其閥蓋的密封性滿足設(shè)計要求。

3.4.4 高壓主汽調(diào)節(jié)閥強度分析

根據(jù)高壓主汽調(diào)節(jié)閥的具體幾何結(jié)構(gòu)，建立三維有限元模型，采用有限元對其強度進(jìn)行分析。通過分析計算，該閥門在正常穩(wěn)定運行、啟動及水壓試驗工況下，其強度均滿足設(shè)計要求。

3.5 汽封結(jié)構(gòu)設(shè)計

為增加密封性，減少漏汽量，本項目采用先進(jìn)的汽封結(jié)構(gòu)：高壓隔板汽封和高壓端汽封 （進(jìn)汽側(cè)第1列汽封圈）采用防旋汽封，如圖13所示，該汽封結(jié)構(gòu)能有效降低汽流激振帶來的損失。

圖13 防旋汽封結(jié)構(gòu)

本項目機組汽封、軸封上采用的汽封型式主要有：DAS汽封、刷式汽封、防旋汽封。在保證機組安全運行的條件下，減小汽封間隙，可提高機組的經(jīng)濟性。各類汽封使用情況見表1。

表1 汽封使用情況

3.6 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

為增加密封性，減少漏汽量，本項目采用先進(jìn)的密封結(jié)構(gòu)：

（1）高壓內(nèi)缸與2#汽封體中分面處增加PARK密封鍵。

（2）高壓內(nèi)缸、高壓第1級隔板與2#汽封體密封端面處增加PARK密封圈。

（3）中壓內(nèi)外缸中分面增設(shè)密封鍵。

（4）低壓進(jìn)汽室與低壓外缸肩胛處增設(shè)密封裝置。

采用上述密封結(jié)構(gòu)后，能有效減少漏氣損失，提高機組的經(jīng)濟性。

3.7 軸系

汽輪發(fā)電機組軸系由汽輪機高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、A低壓轉(zhuǎn)子、B低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機轉(zhuǎn)子組成，如圖14所示。汽輪機高中低壓轉(zhuǎn)子均采用無中心孔的整鍛轉(zhuǎn)子；各轉(zhuǎn)子之間采用剛性聯(lián)軸器聯(lián)接。根據(jù)各軸承的工作條件，為保證軸系安全、穩(wěn)定地運行，1#～4#支持軸承采用可傾瓦軸承，5#～8#支持軸承采用橢圓軸承。

汽輪機的軸系不但要有足夠的強度，還要有良好的振動特性，轉(zhuǎn)子的振動特性不僅與轉(zhuǎn)子固有頻率有關(guān)，還取決于轉(zhuǎn)子支承條件 （軸承和軸承座）、工作條件 （汽流的激振）、安裝質(zhì)量、動平衡以及轉(zhuǎn)子間的相互影響等。振動特性分析內(nèi)容主要包括：軸系靜態(tài)參數(shù)的計算、軸系臨界轉(zhuǎn)速的計算、軸系不平衡響應(yīng)的計算、軸系穩(wěn)定性的計算、軸系扭振頻率和剪應(yīng)力的計算等。

轉(zhuǎn)子基本參數(shù)見表2，軸系臨界轉(zhuǎn)速見表3。

表2 轉(zhuǎn)子基本參數(shù)mm

軸系振動特性應(yīng)限制在一定范圍內(nèi)，軸系臨界轉(zhuǎn)速相對于工作轉(zhuǎn)速的避開率應(yīng)大于±10%；軸系不平衡響應(yīng)峰峰值應(yīng)小于50 μm；軸系各階扭振固有頻率應(yīng)避開45 Hz＜f＜55 Hz或93 Hz＜f＜108 Hz；軸系失穩(wěn)轉(zhuǎn)速應(yīng)大于工作轉(zhuǎn)速的125%；軸徑處在發(fā)電機出線端兩相短路的情況下最大剪應(yīng)力應(yīng)小于材料的剪切屈服極限。經(jīng)計算，六橫1 000 MW超超臨界汽輪機軸系的振動特性均在規(guī)定范圍內(nèi)。

圖14 軸系簡圖

表3 軸系臨界轉(zhuǎn)速r/min

4 機組結(jié)構(gòu)優(yōu)化后收益

本項目研究成果基本覆蓋高、中、低壓通流所有部件，包括宏觀與微觀領(lǐng)域，本項目的順利完成，使公司1 000 MW超超臨界機組的經(jīng)濟性有大幅提高，供電煤耗大大降低，綜合各部分改進(jìn)措施，能獲得熱耗收益見表4，采用改進(jìn)措施后，機組總的收益達(dá)到144 kJ/kg，煤耗降低5.5 g/ kW·h。

表4 優(yōu)化收益

5 結(jié)束語公司從20世紀(jì)90年代開始研制百萬等級汽輪機以來，相繼開發(fā)了多種型式的百萬機組，并在各電廠成功投運。通過多臺機組的設(shè)計、制造、投運以及不斷總結(jié)經(jīng)驗，完善化改進(jìn)提高，公司已積累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗，在設(shè)計原理、各種方案比較及關(guān)鍵部套的設(shè)計上有較深刻的認(rèn)識，對研發(fā)大功率機組打下了堅實的基礎(chǔ)。

六橫1 000 MW超超臨界汽輪機通流設(shè)計采用現(xiàn)代最先進(jìn)技術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計采用成熟技術(shù)，整機按照百萬機組設(shè)計特點和設(shè)計原則優(yōu)化設(shè)計，使機組具有較高的經(jīng)濟性和可靠性。該項目采用的先進(jìn)技術(shù)獲得行內(nèi)專家的一致好評，并已被國家發(fā)改委確定為2013年低碳技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)示范化工程。

經(jīng)過六橫1 000 MW超超臨界汽輪機組運行的實際檢驗，機組各項性能指標(biāo)均達(dá)到甚至超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，不僅保證了機組高效率、高可靠性、運行靈活及維護方便等要求，而且也驗證了各項結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)開發(fā)完全合理可行。該技術(shù)對于各型大功率汽輪機的設(shè)計研發(fā)具有借鑒參考價值，值得推廣應(yīng)用。

[1]王乃寧,張志剛.汽輪機熱力設(shè)計[M].北京:水利電力出版社,1987.

[2]西安交通大學(xué).蒸汽輪機裝置[M].北京:機械工業(yè)出版社, 1982.

[3]中國動力工程學(xué)會.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,2002.

Optimization Design Technology of Liuheng 1 000 MW Ultra-supercritical Steam Turbine

Xu Qiongying,Gao Zhanyu

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

This article introduces the structure optimization design technology of Liuheng 1 000 MW ultra-supercritical steam turbine,and analyses the design and research of the key part.It has the realistic significance to promote the progress of China's thermal power generation technology.And it has reference to the technical knowledge of the higher parameter ultra-supercritical steam turbine design research and development.

1 000 MW ultra-supercritical,steam turbine,structure,optimization design

TK263

A

1674-9987（2017）01-017-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.01.004

徐瓊鷹 （1977-），女，本科，高級工程師，2000年畢業(yè)于四川工業(yè)學(xué)院機械電子工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事汽輪機本體設(shè)計與研發(fā)工作。