唐麗麗，王娟

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

1 前言

二次再熱燃煤火電機(jī)組近年來在國內(nèi)發(fā)展迅速。2015年，由東方汽輪機(jī)有限公司 （以下稱東汽）自主研發(fā)的二次再熱機(jī)組已成功投運(yùn)，國內(nèi)還有多臺二次再熱機(jī)組招標(biāo)在建。這些二次再熱機(jī)組均為濕冷汽輪機(jī)，投運(yùn)地區(qū)均在中東部。

由于空冷機(jī)組節(jié)水、環(huán)保的優(yōu)點，在我國西部 （尤其是西北），空冷機(jī)組被廣泛應(yīng)用。但是由于二次再熱的特殊性和空冷機(jī)組的高背壓特性，導(dǎo)致二次再熱技術(shù)和空冷技術(shù)的結(jié)合，不是簡單的融合，需要深層的分析和研究，以保證機(jī)組的安全性和高效性。

2 超超臨界1000 MW空冷二次再熱機(jī)組的設(shè)計特點

我國的空冷機(jī)組起步雖晚，但發(fā)展迅速。東汽從200 MW空冷機(jī)組發(fā)展至今，產(chǎn)品范圍涵蓋了300 MW、600 MW和1000 MW機(jī)組，產(chǎn)品種類包括了所有等級的汽輪機(jī)機(jī)組。從東汽近期的空冷機(jī)組業(yè)績表 （見表1）中可以看出，空冷機(jī)組在向大容量、高參數(shù)方向不斷發(fā)展，在立足節(jié)水的同時不斷要求高效。

表1 東汽近期空冷機(jī)組業(yè)績表

空冷機(jī)組對環(huán)境溫度的影響反應(yīng)比較敏感，背壓變化范圍比較大而且頻繁，對低壓末級葉片、低壓缸和軸系影響較大。東汽在這些方面積累了大量寶貴的經(jīng)驗，對空冷機(jī)組進(jìn)行針對性設(shè)計。

3 超超臨界1000 MW空冷二次再熱機(jī)組的總體方案

超超臨界1000 MW空冷二次再熱機(jī)組在外形上基本同超超臨界1000 MW二次再熱濕冷機(jī)組（見圖1）。與濕冷機(jī)組的相同點：

·機(jī)組型式：超超臨界、兩次中間再熱、單軸、五缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)

·額定功率：1000 MW

·最大出力：1100 MW

·汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速：3000 r/min

·旋轉(zhuǎn)方向 （從汽機(jī)向發(fā)電機(jī)看）：逆時針

· 汽封系統(tǒng)及運(yùn)行方式：采用自密封系統(tǒng)（SSR）

· 運(yùn)行方式：定－滑或定－滑－定

·配汽方式：節(jié)流配汽

· 汽輪機(jī)外型尺寸基本不變，約：43 m×10 m×8 m （長×寬×高）

主要不同點有：

·末級葉片長度：863 mm/770 mm

· 額定排汽壓力： 9～18 kPa

·回?zé)峒墧?shù)：4級高壓加熱器+1除氧器+5級（或4級）低壓加熱器除氧器采用滑壓運(yùn)行

·低壓模塊

圖1 東汽1000 MW二次再熱機(jī)組的示意圖

4 熱力系統(tǒng)設(shè)計特點

空冷機(jī)組高背壓的特點使機(jī)組的總焓降段減少，影響低壓模塊的設(shè)計。通常，空冷低壓級數(shù)比同等級濕冷機(jī)組的低壓級數(shù)少一級，回?zé)峒墧?shù)通常較濕冷機(jī)組少一級。因為次末級后不宜設(shè)置抽口，否則會引起加熱器疏水不暢。另外，如果進(jìn)汽參數(shù)采用同濕冷機(jī)組一樣 （如31 MPa/600℃/620℃/620℃），由于二次再熱壓力、溫度和排汽背壓的綜合影響，機(jī)組排汽濕度降低，約3% （背壓11 kPa）。為避免末級葉片長期處于威爾遜區(qū)，可以采用降低再熱溫度的方式來提高排汽濕度。如圖2所示的熱力過程線，某一次再熱空冷機(jī)組（再熱溫度620℃）的排汽濕度在8%；而二次再熱機(jī)組的再熱溫度降低到600℃后，排汽濕度接近5%。

圖2 空冷機(jī)組熱力過程線

所以，降低再熱溫度可以有效提高排汽濕度。但是這將犧牲一部分經(jīng)濟(jì)性。對于理論計算的結(jié)果而言，提高主蒸汽溫度亦可提高排汽濕度。經(jīng)評估，對于再熱溫度為620℃的二次再熱機(jī)組，主蒸汽壓力要提高到50 MPa以上，其排汽濕度才與一次再熱機(jī)組相當(dāng)，而這將提升鍋爐、汽機(jī)的設(shè)計難度和增加成本。

5 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

東汽1000 MW二次再熱空冷機(jī)組的總體方案是在東汽1000 MW一次再熱超超臨界機(jī)組的基礎(chǔ)上增加一個超高壓模塊。機(jī)組為單軸、五缸四排汽。百萬二次再熱空冷機(jī)組含一個單流超高壓缸、一個單流高壓缸、一個雙流中壓缸和兩個雙流低壓缸?？v剖面圖如圖3所示。

圖3 東汽1000 MW二次再熱空冷機(jī)組縱剖面圖

5.1 超高壓模塊

超高壓模塊設(shè)計同東汽1000 MW二次再熱濕冷機(jī)組超高壓模塊設(shè)計方案，主要特點如下：

·進(jìn)汽口為兩個，采用切向進(jìn)汽；

·單流程設(shè)計，提高相對葉高；

·雙層缸結(jié)構(gòu)，內(nèi)外缸均采用筒形缸設(shè)計。

5.2 高壓模塊

高壓模塊設(shè)計同東汽1000 MW二次再熱濕冷機(jī)組高壓模塊設(shè)計方案，主要特點如下：

·進(jìn)汽口為兩個，采用切向進(jìn)汽；

·單流程設(shè)計，提高相對葉高；

·采用雙層缸結(jié)構(gòu)，高壓內(nèi)缸采用筒形缸結(jié)構(gòu)，高壓外缸的設(shè)計為常規(guī)設(shè)計；

·高溫材料的鑄件和鍛件采用相應(yīng)等級高溫材料，這些材料已經(jīng)在國內(nèi)投運(yùn)的超超臨界機(jī)組上進(jìn)行了成功應(yīng)用。

5.3 中壓模塊

中壓模塊設(shè)計同東汽1000 MW二次再熱濕冷機(jī)組中壓模塊設(shè)計方案，主要特點如下：

·進(jìn)汽口為兩個，采用水平切向進(jìn)汽；

·雙流程設(shè)計；

·中壓模塊采用雙層缸結(jié)構(gòu)；

· 高溫材料的鑄件和鍛件采用相應(yīng)等級材料，這些材料已經(jīng)在國內(nèi)投運(yùn)的超超臨界機(jī)組上進(jìn)行了成功應(yīng)用。

5.4 低壓模塊

5.4.1 空冷機(jī)組末端設(shè)計的特殊性

如前文所述，空冷機(jī)組的設(shè)計難點在低壓模塊?？绽淦啓C(jī)機(jī)組的末端設(shè)計主要考慮：

·設(shè)計工況時，排汽的威爾遜區(qū)由濕冷機(jī)組的次末級推遲到末級；變工況或背壓變動時，威爾遜區(qū)重新轉(zhuǎn)移或消失。

·低負(fù)荷高背壓工況時，排汽出現(xiàn)過熱，排汽缸溫度高、末級動葉片動應(yīng)力增大，應(yīng)力腐蝕的可能性增加。

· 高負(fù)荷低背壓工況時，會出現(xiàn)阻塞工況（對于額定背壓在10 kPa的機(jī)組，tmcr流量下阻塞背壓在5.5 kPa左右），此時，末級動靜葉片彎應(yīng)力最大。

5.4.2 低壓缸設(shè)計的對應(yīng)措施

以上幾點的特性影響到低壓模塊的安全性，對空冷低壓缸，為保證安全性，其設(shè)計不同于一般的濕冷機(jī)組，主要包括有末級葉片、低壓軸承支撐、低壓缸結(jié)構(gòu)型式和排汽管的連接方式等。

·采用特制末級葉片

空冷末級葉片較濕冷末級葉片粗壯，具有更高的強(qiáng)度。不僅包括葉片型線，還從葉根型式、圍帶與拉筋、葉片材料等方面采用針對性設(shè)計，來保證末級葉片的剛度、強(qiáng)度、彎應(yīng)力等來適應(yīng)大范圍的高背壓特性。針對1000 MW空冷機(jī)組，東汽有770 mm和863 mm兩種末葉，用戶可根據(jù)地理環(huán)境、冷卻方式等進(jìn)行優(yōu)選，選擇最佳末葉。

·低壓軸承支撐方式

低壓采用落地軸承，不僅可以保證低壓轉(zhuǎn)子的剛性，而且保證轉(zhuǎn)子的軸承標(biāo)高不隨汽缸膨脹而變化。降低低壓缸振動的風(fēng)險。

·低壓缸

為防止低壓缸變形，東汽空冷機(jī)組低壓缸采用三層缸或兩層缸。為了避免排汽管的力傳遞到汽缸上，空冷機(jī)組的低壓缸與排汽管連接一般采用柔性連接。由于背壓變化頻繁而且幅度較大，低壓排汽缸和轉(zhuǎn)子的工作環(huán)境不斷變化，為防止低壓軸封與轉(zhuǎn)子發(fā)生碰摩，低壓端汽封體與汽缸采用彈性連接。

·排汽末端保護(hù)系統(tǒng)

（1）空冷機(jī)組排汽缸的噴水裝置，對機(jī)組的安全性特別重要。在機(jī)組低負(fù)荷、高背壓工況運(yùn)行時，低壓排汽溫度升高，會導(dǎo)致機(jī)組振動，影響機(jī)組的安全性。此工況比常規(guī)濕冷機(jī)組更容易出現(xiàn)。當(dāng)排汽溫度超過限定值時，控制系統(tǒng)會打開噴水控制閥，并自動調(diào)節(jié)噴水量。

（2）由于空冷機(jī)組的特點，考慮到末級葉片的安全性，必須設(shè)置保護(hù)系統(tǒng)。圖4是某空冷葉片的背壓保護(hù)曲線。報警背壓可保護(hù)末級葉片動應(yīng)力安全；不同進(jìn)汽流量下，機(jī)組的阻塞背壓是不同的，正常運(yùn)行時要保證在此曲線以上的區(qū)域和報警背壓以下的區(qū)域。另外，為保證空冷系統(tǒng)安全還應(yīng)設(shè)置防凍最低背壓，汽機(jī)運(yùn)行應(yīng)在該線之上。

圖4 某空冷末級葉片背壓保護(hù)曲線

東汽在大量的空冷機(jī)組設(shè)計中，積累了寶貴的經(jīng)驗。適用于1000 MW二次再熱空冷機(jī)組的兩種低壓模塊，東汽均有運(yùn)行業(yè)績。能保證低壓模塊的安全高效性。

6 其他

東汽1000 MW二次再熱空冷機(jī)組的通流設(shè)計理念和方法、滑銷系統(tǒng)、軸系、旁路設(shè)置、汽水系統(tǒng)和油系統(tǒng)等均與濕冷機(jī)組相同，在此不再贅述。

7 結(jié)論

1000 MW空冷二次再熱機(jī)組總體設(shè)計方案是可行的，但由于受到末級濕度的限制，二次再熱空冷機(jī)組的再熱溫度略低于濕冷機(jī)組，經(jīng)濟(jì)性收益略低于濕冷二次再熱機(jī)組。東汽1000 MW超超臨界二次再熱空冷機(jī)組在東汽1000 MW超超臨界二次再熱濕冷機(jī)組和東汽1000 MW超超臨界一次再熱空冷機(jī)組的基礎(chǔ)上進(jìn)行組合設(shè)計；本體結(jié)構(gòu)成熟可靠。1000 MW等級機(jī)組，東汽有成熟的低壓模塊可以滿足不同的空冷方式。

[1]王為民,潘家成,方宇,等.東方1000 MW超超臨界汽輪機(jī)設(shè)計特點及運(yùn)行業(yè)績[J].東方電氣評論,2009,23（1）:1-11.

[2]張曉東,方宇,唐清舟,等.660 MW超超臨界二次再熱汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)特點[J].東方汽輪機(jī),2015,（2）:1-6.

[3]陳顯輝,譚銳,張志勇,等.東方超超臨界二次再熱660 MW汽輪機(jī)熱力設(shè)計特點[J].東方汽輪機(jī),2014，（4）:1-5.