基于西門子—日立技術(shù)的超超臨界1300～2000 MW機組設(shè)計

李祥苓，韓奎政，陳自雨，林西奎，陳兆慶

(1.華電漯河發(fā)電有限公司，河南省 漯河市，462000；2.華電國際十里泉發(fā)電廠，山東省 棗莊市，271000；3.華電國際鄒縣發(fā)電廠，山東省 鄒城市，273500；4.華電蕪湖發(fā)電有限公司，安徽省 蕪湖市，241000；5.華電宿州發(fā)電有限公司，安徽省 宿州市，234000)

1 上電—西門子公司N1000 MW汽輪機軸系分析

上電—西門子N1000—26.25/600/600汽輪機的總體型式為單軸4缸4排汽(圖1)。采用西門子公司近期開發(fā)的3個最大功率可達1100 MW等級的HMN型積木塊組合：1個單流圓筒型H30高壓缸，1個雙流M30中壓缸，2個N30雙流低壓缸。汽輪機共有4根轉(zhuǎn)子，分別由5只徑向軸承來支承，除高壓轉(zhuǎn)子由2個徑向軸承支承外，其余3根轉(zhuǎn)子，即中壓轉(zhuǎn)子和2根低壓轉(zhuǎn)子均只有1只徑向軸承支承。這種支承方式不僅結(jié)構(gòu)比較緊湊，更主要的是減少基礎(chǔ)變形對于軸承荷載和軸系對中的影響，使得汽機轉(zhuǎn)子能平穩(wěn)運行，且軸系長度可大幅度減少，該軸系總長僅27 m(外高橋第三發(fā)電公司2×1000 MW機組設(shè)計為27 MPa主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度不變，但軸系長度為29 m)，與其他公司的4缸4排汽機型相比要短8～10 m，因此軸系特性簡單，經(jīng)濟性較高。

上電—西門子N1000 MW汽輪機高、中壓缸采用雙層缸設(shè)計。高壓缸外缸為桶形設(shè)計，內(nèi)缸為垂直縱向平分面結(jié)構(gòu)。單流反向18級，兩側(cè)切向全周進汽。由于缸體為旋轉(zhuǎn)對稱，避免了不合理的材料集中，使得機組在啟動、停機或快速變負(fù)荷時，缸體的溫度梯度很小，可將熱應(yīng)力保持在一個很低的水平。由于采用了雙層缸設(shè)計，所以中分面螺栓應(yīng)力也很小，安全可靠性好。中壓內(nèi)、外缸均由水平中分面分成上下半，采用雙分流形式，共2×13級，中部兩側(cè)切向全周進汽。高、中壓外缸通過貓爪分別搭在前、后軸承座上。與國產(chǎn)機組常用的分體供貨、現(xiàn)場檢修、組裝的方式有所不同，華能玉環(huán)電廠1000 MW汽輪機高、中壓汽缸均采用模塊化設(shè)計，整體供貨，現(xiàn)場不解體。由于是在制造廠內(nèi)無塵車間組裝完成，其安裝精度和設(shè)備內(nèi)部清潔度均有保證。運輸過程中，轉(zhuǎn)子與汽缸用運輸定位裝置在兩端固定，保證在制造廠內(nèi)調(diào)整好的間隙到達施工現(xiàn)場后不會改變?，F(xiàn)場高、中壓缸的安裝只須就位、找正。與國產(chǎn)機組相比，由于制造廠承擔(dān)了大部分安裝調(diào)整的工作，大大簡化了現(xiàn)場安裝程序和工藝，提高了安裝精度，縮短了安裝工期。

2 東方—日立公司N1000 MW汽輪機軸系分析

東方—日立N1000—25.0/600/600汽輪機的總體型式為單軸4缸4排汽(圖2)。汽輪發(fā)電機組軸系中每根轉(zhuǎn)子均由2個軸承支承。其中，高壓和中壓轉(zhuǎn)子采用可傾瓦軸承支承，低壓轉(zhuǎn)子采用橢圓軸承支承；可傾瓦軸承采用6瓦塊結(jié)構(gòu)，對稱布置；橢圓軸承為單側(cè)進油，上瓦開槽結(jié)構(gòu)。軸承合金結(jié)合面采用燕尾槽結(jié)構(gòu)。整個軸系由1個雙調(diào)節(jié)級單流高壓缸、1個雙流中壓缸及2個雙流低壓缸組成。高壓缸共1+8個熱力通流級，其中調(diào)節(jié)級為雙流。高壓缸為中分面雙層缸結(jié)構(gòu)。汽輪機轉(zhuǎn)子由4根轉(zhuǎn)子組成，全部采用整鍛轉(zhuǎn)子；各轉(zhuǎn)子之間采用剛性聯(lián)軸器聯(lián)接；每根轉(zhuǎn)子各有2個支持軸承，1～4號軸承采用落地式軸承，5號、6號和7號、8號軸承分別支承在ALP、BLP缸上，為不落地軸承。為減小高壓缸、中壓缸的轉(zhuǎn)子與靜子間的脹差，推力軸承安裝在緊靠2號軸承后。配汽方式為全電調(diào)閥門控制，最大連續(xù)工況1044.1 MW，閥門全開工況1083.5 MW，末級葉片高度為43〞（109.22 cm），汽輪機長35.6 m，汽輪發(fā)電機總長54.652 m。

3 基于上電技術(shù)吸收東方技術(shù)優(yōu)化增容為單軸1300～1500 MW機組的可行性

東方—日立N1000—25.0/600/600超超臨界汽輪發(fā)電機組是國際上百萬千瓦級單軸最長軸系，而國際百萬千瓦級以上超超臨界機組多為雙軸布置，選擇雙軸機組布置的原因就是為了滿足低壓排汽的要求和盡量保持較短的軸系，以確保機組軸系穩(wěn)定。東方—日立N1000—25.0/600/600超超臨界長軸系汽輪發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行為電力裝備的制造向更大容量的發(fā)展提供了一系列的技術(shù)支撐。但該軸系再延長的風(fēng)險太大，加之高壓缸水平中分面結(jié)構(gòu)的特性決定了無法解決應(yīng)力集中這一關(guān)鍵技術(shù)，再向更高參數(shù)發(fā)展的余地不大；而上電—西門子N1000—26.25/600/600超超臨界汽輪發(fā)電機組，中壓轉(zhuǎn)子和2根低壓轉(zhuǎn)子只有1只徑向軸承支承的單支承設(shè)計可在上電—西門子N1000—26.25/600/600超超臨界汽輪發(fā)電機組現(xiàn)有軸系上增加1個低壓缸，實現(xiàn)5缸6排汽的設(shè)計，使機組增容為1300～1500 MW單軸超臨界機組，解決了國際上因無法解決末級排汽而把1200 MW以上容量的汽輪發(fā)電機組設(shè)計成雙軸的技術(shù)瓶頸。由于是單軸承支承，即使在現(xiàn)有的上電—西門子N1000—26.25/600/600超超臨界汽輪發(fā)電機組設(shè)計上增加1個低壓缸，汽輪發(fā)電機軸系長度也低于東方—日立N1000—25.0/600/600超超臨界汽輪發(fā)電機組軸系長度；而東方—日立N1000—25.0/600/600超超臨界汽輪發(fā)電機組的實踐說明54.652 m軸系長度是安全穩(wěn)定的。另外，上電—西門子N1000—26.25/600/600超超臨界汽輪機高壓缸外缸的桶形設(shè)計和內(nèi)缸垂直縱向平分面結(jié)構(gòu)的設(shè)計為機組向更高參數(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，并且西門子公司有豐富的單軸5缸6排汽的設(shè)計經(jīng)驗(上海外高橋第三發(fā)電公司2×900 MW機組5缸6排汽設(shè)計)，由于單機容量的增加，鍋爐出力也相應(yīng)增加，在設(shè)計制造時，由于主蒸汽參數(shù)選擇在26.25 MPa或以上，高壓通流的面積比1000 MW等級的汽輪機高壓通流增加較小，高壓通流做完功的蒸汽再熱后壓力僅約為4.5 MPa，蒸汽容積與1000 MW等級的再熱蒸汽容積相比增加較大，所以中壓缸的壓力級和通流面積設(shè)計應(yīng)比1000 MW等級的中壓通流在壓力級和通流面積上相應(yīng)增加，那么中壓通流比1000 MW等級的中壓通流在軸系上也有所增加，設(shè)計時可以考慮在高壓通流增加1個工作壓力級，在中壓通流增加2×1個工作壓力級，但由于采用西門子的單支撐設(shè)計，汽輪機軸系長度也會不大于35.6 m，因此，基于西門子技術(shù)吸收日立長軸系穩(wěn)定性技術(shù)優(yōu)化設(shè)計為5缸6排汽的N1300～1500 MW—26.25/600/600超超臨界火電機組在技術(shù)上是成熟、可靠的(圖3)。

4 基于上電—東方技術(shù)優(yōu)化設(shè)計雙軸1500～2000 MW機組的可行性

4.1 雙軸1500～2000 MW機組可行性分析

對6缸6排汽的雙軸設(shè)計一般有2種設(shè)計選擇。設(shè)計1(圖4)：在主軸上布置2個低壓缸的4缸4排汽的主軸設(shè)計，在副軸上布置1個中壓缸和1個低壓缸的2缸2排汽設(shè)計，這樣的雙軸6缸6排汽的設(shè)計便于凝汽器和小汽輪機的安裝布置，但缺點是主軸偏長，對軸系穩(wěn)定性有較高的要求；設(shè)計方案2(圖5)：在主軸上布置1個高壓缸、1個中壓缸和1個低壓缸的3缸2排汽的主軸設(shè)計，在副軸上布置1個中壓缸和2個低壓缸的3缸4排汽的副軸設(shè)計，這種6缸6排汽的雙軸設(shè)計縮短了主軸長度，提高了主軸的穩(wěn)定性，而副軸由于軸向推力和軸向位移不大，加之軸系長度也在合理的范圍內(nèi)，因此這種設(shè)計提高了機組的可靠性，是一種值得推廣的設(shè)計。對于更高參數(shù)、更大單機容量的的機組設(shè)計，在現(xiàn)有東方—日立1000 MW機組長軸系的穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，吸納上電—西門子1000 MW機組單軸瓦支撐的技術(shù)，可設(shè)計為雙軸7缸8排汽(圖6)，這樣機組容量可達到2000 MW。鑒于東方—日立N1000—25.0/600/600超超臨界汽輪發(fā)電機組長軸系的穩(wěn)定性保障，6缸6排汽一次再熱的設(shè)計可使機組容量達到1300～1500 MW，7缸8排汽一次再熱的設(shè)計可使機組容量最高可達2000MW。

4.2 雙軸1500～2000 MW機組中壓聯(lián)合控制系統(tǒng)分析

基于上電—東方技術(shù)優(yōu)化設(shè)計雙軸1500～2000 MW汽輪機發(fā)電機組調(diào)速控制系統(tǒng)的中壓通流控制系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)不同的軸系布置設(shè)計不同的中壓控制方式。對于雙軸6缸6排汽汽輪發(fā)電機組的中壓通流控制可以在主軸和副軸上各自設(shè)計獨立的中壓通流控制系統(tǒng)(圖7)；對雙軸7缸8排汽汽輪發(fā)電機組，由于低壓通流排汽面積完全相同，加之主軸和副軸中壓和低壓通流的設(shè)計數(shù)據(jù)都是一樣的，即主軸、副軸上再熱蒸汽的工作阻力之和與低壓排汽壓力相同，因此，可以利用蒸汽逐級自流的動力學(xué)特性，采用1套中壓控制系統(tǒng)來控制主軸和副軸上的中壓通流和低壓通流(圖8)，但為了便于在副軸上的設(shè)備出現(xiàn)問題時進行處理，可以在中壓聯(lián)合汽門后，副軸中壓缸前設(shè)置1個全開/全關(guān)的截止閥門，以便在副軸設(shè)備出現(xiàn)問題時進行隔離，實施缺陷處理。

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