大容量抽汽機(jī)組的結(jié)構(gòu)與發(fā)展前景

文/谷秀剛 高清輝 上海電氣電站設(shè)備有限公司 上海汽輪機(jī)廠 (200240）

谷秀剛（1982年～），男，工程師，學(xué)士學(xué)位，2006年畢業(yè)于清華大學(xué)熱能系熱能與動力工程專業(yè)?，F(xiàn)在上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠設(shè)計研究所工作，從事汽輪機(jī)本體方面的設(shè)計研究

1 前言

經(jīng)過“十一五”期間的發(fā)展，電力行業(yè)步入了以“低碳”為主題的“十二五”發(fā)展藍(lán)圖之中。聚焦哥本哈根會議，電力行業(yè)也步入了轉(zhuǎn)型發(fā)展期，高效、低碳、環(huán)保成為發(fā)展的前提條件。而熱電聯(lián)產(chǎn)，集中供熱，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展中實(shí)現(xiàn)“低碳”經(jīng)濟(jì)高速增長有效的途徑之一。這也正是高參數(shù)、大容量抽汽機(jī)組蓬勃發(fā)展的催化劑。

上海汽輪機(jī)廠具有50多年設(shè)計制造抽汽熱電聯(lián)供汽輪機(jī)的歷史，特別是大容量抽汽機(jī)組的設(shè)計與制造。自1997年首臺兩缸兩排汽(高中壓合缸)亞臨界300MW等級采暖抽汽機(jī)組在天津楊柳青電廠投運(yùn)以來，抽汽熱電聯(lián)供產(chǎn)品參數(shù)和容量不斷提升，目前已經(jīng)達(dá)到亞臨界甚至超臨界多級額定參數(shù)抽汽350MW容量等級。基于成熟可靠的模塊化設(shè)計體系，我公司研發(fā)及生產(chǎn)的抽汽機(jī)組種類很多：

(1) 進(jìn)汽參數(shù)從中壓直到超超臨界；

(2) 產(chǎn)品容量等級覆蓋6MW至1000MW；

(3) 抽汽壓力從0.118MPa至4.1MPa；

(4) 可實(shí)現(xiàn)單級或多級調(diào)整抽汽；

(5) 抽汽結(jié)構(gòu)有蝶閥型、座缸閥門型以及旋轉(zhuǎn)隔板等。

首臺抽汽以及雙調(diào)整抽汽機(jī)組已分別于國華北疆電廠以及華能濟(jì)寧電廠投入商業(yè)運(yùn)行。目前，我公司正在研發(fā)超臨界雙調(diào)整抽汽機(jī)組。這里選取幾種大容量抽汽機(jī)組的技術(shù)特點(diǎn)以及抽汽原理作一簡要介紹，并探討抽汽機(jī)組的發(fā)展前景。

2 抽汽機(jī)組的發(fā)展現(xiàn)狀

抽汽熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在我國已有近60年的發(fā)展歷史，從第一個五年計劃就已經(jīng)確定了發(fā)電量與供熱量的增長數(shù)字。

建國初期，只有一些小容量抽汽熱電聯(lián)供機(jī)組集中建設(shè)在已有的工業(yè)區(qū)，提供穩(wěn)定的熱負(fù)荷。但是隨著城市的發(fā)展，這些電廠已處于城市的中心地帶，而且機(jī)組老化、煤耗高、效率低、污染也越發(fā)嚴(yán)重，制約了城市發(fā)展的腳步。因此近年來，大多數(shù)城市規(guī)劃中，均以“以大代小”的 發(fā)展模式，拆除老機(jī)組，建設(shè)大容量抽汽機(jī)組，這就為其發(fā)展帶來無限生機(jī)。

此外，隨著城市人口的不斷增加，供熱規(guī)模也逐步擴(kuò)大。近年來，山東、河北、河南、山西、陜西以及新疆等北方各省紛紛建造高效的抽汽機(jī)組，參數(shù)從亞臨界、超臨界，一直到超超臨界。這些高參數(shù)大容量機(jī)組，在非采暖期與凝汽機(jī)組效率基本相同，在采暖期可明顯節(jié)能，因而在抽汽熱電聯(lián)供集中供熱中發(fā)揮巨大作用，大幅度降低了對環(huán)境的破壞程度。

3 大容量抽汽機(jī)組介紹

3.1 亞臨界300MW抽汽機(jī)組

國內(nèi)300MW以上等級抽汽的興起是從20世紀(jì)90年代末。此期間，我公司積極配合市場的發(fā)展，加大力度研發(fā)抽汽機(jī)組，截止目前已有100多臺(含空冷抽汽機(jī)組)訂單。下面介紹該機(jī)型的特點(diǎn)：

3.1.1 結(jié)構(gòu)型式

亞臨界300MW抽汽機(jī)組的亞臨界、單軸、一次中間再熱、雙缸雙排汽、抽汽、凝汽式汽輪機(jī)，其高中壓部分采用合缸結(jié)構(gòu)。高壓模塊采用反流布置，并與中壓模塊部分的流向相反，抵消彼此產(chǎn)生的推力；低壓模塊采用雙流反向布置?？刂葡到y(tǒng)采用數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，操作簡便，運(yùn)行可靠。

高壓模塊由一級單列調(diào)節(jié)級與11級反動式壓力級組成。高壓噴嘴組安裝于蒸汽室，全部隔板均裝于高壓靜葉持環(huán)上，持環(huán)由外缸汽缸支承。高壓部分布置1#與2#抽汽，用于機(jī)組回?zé)幔蕴岣邫C(jī)組效率。此外，從中壓缸第五級抽出一部分蒸汽流經(jīng)內(nèi)外缸之間的夾層空間，對中壓內(nèi)缸外壁進(jìn)行冷卻。由于該機(jī)型是抽汽機(jī)組(最大抽汽量可達(dá)550t，調(diào)整的壓力范圍為0.25～0.6 MPa，因此中壓缸排汽的下部有兩個對稱的5段抽汽口，其抽汽的一部分至5#低壓加熱器，絕大部分可抽汽至熱網(wǎng)。為了保證機(jī)組在抽汽工況安全運(yùn)行，在熱網(wǎng)管路上，分別設(shè)置了抽汽逆止閥、液動壓力快關(guān)調(diào)節(jié)閥。

低壓缸采用雙流反動式壓力級，共2×6 級。蒸汽從低壓缸中部進(jìn)入，然后分別流向二端排汽口進(jìn)入下部凝汽器。因?qū)ΨQ雙流，故低壓轉(zhuǎn)子幾乎沒有軸向力。低壓末級葉片的選取根據(jù)抽汽機(jī)組背壓來確定。

圖1 高中壓模塊結(jié)構(gòu)

圖2 低壓模塊結(jié)構(gòu) (濕冷)

圖3 低壓模塊結(jié)構(gòu) (空冷)

3.1.2 抽汽原理

本機(jī)型抽汽原理采用雙閥調(diào)節(jié)方式，可以提供參數(shù)穩(wěn)定的供熱蒸汽。

雙閥調(diào)節(jié)抽汽方式閥門配置：

（1）在連通管上配置連通管調(diào)節(jié)閥；

（2）在熱網(wǎng)抽汽管道上配置安全閥、壓力調(diào)節(jié)閥、逆止閥。

雙閥調(diào)節(jié)抽汽方式的基本原理如下：

（1）機(jī)組在投入抽汽工況運(yùn)行之前，按純凝汽工況運(yùn)行時，即連通管壓力調(diào)節(jié)閥全開，抽汽壓力調(diào)節(jié)閥全關(guān)。

（2）由數(shù)字式電液控制系統(tǒng)通過控制連通管閥門開度來調(diào)節(jié)中壓缸排汽壓力P1，使其等于P1的設(shè)定值。中壓排汽壓力測點(diǎn)反饋信號至數(shù)字式電液控制系統(tǒng)。

（3）由數(shù)字式電液控制系統(tǒng)通過控制抽汽壓力調(diào)節(jié)閥開度來調(diào)節(jié)抽汽系統(tǒng)進(jìn)口的壓力P3，使其等于P3的設(shè)定值(根據(jù)用戶要求)。抽汽壓力測點(diǎn)反饋信號至數(shù)字式電液控制系統(tǒng)。

圖4 雙閥調(diào)節(jié)抽汽原理

3.2 亞臨界350MW雙抽汽機(jī)組

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對環(huán)保的要求也越來越高，國家要求關(guān)停一大批用于城市供熱以及工業(yè)用汽的小火電、小鍋爐，因此必須有一批高效的抽汽熱電聯(lián)供機(jī)組來代替。特別是新興工業(yè)區(qū)對工業(yè)用汽更提出苛刻的要求，兼顧采暖與工業(yè)用汽雙方面的要求，我公司從2006年著手研發(fā)亞臨界350MW雙調(diào)整抽汽機(jī)組，并于2009年投運(yùn)在華能濟(jì)寧電廠投運(yùn)。

此外，我公司正在研發(fā)超臨界350MW雙調(diào)整抽汽機(jī)型，該機(jī)型同樣可以滿足采暖與工業(yè)抽汽要求，而且工業(yè)抽汽參數(shù)最高可以達(dá)到1.8MPa，因此該機(jī)型也可以為一些高參數(shù)蒸汽需求工業(yè)用戶的提供高品質(zhì)蒸汽。

由于雙調(diào)整抽汽機(jī)組的結(jié)構(gòu)、抽汽原理以及控制方式大同小異，因此以亞臨界雙抽機(jī)組來介紹。

3.2.1 結(jié)構(gòu)

亞臨界350MW雙抽汽機(jī)組為單軸、一次中間再熱、三缸兩排汽，雙可調(diào)整抽汽、凝汽式汽輪機(jī)。既可供熱網(wǎng)抽汽，又可供工業(yè)抽汽用汽(調(diào)整的壓力范圍為1.0～1.5MPa),同時滿足的了采暖供熱與工業(yè)用汽要求，從而大大提升了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

該機(jī)組采用高、中壓分缸結(jié)構(gòu)，分缸達(dá)到推力自平衡；低壓部分采用雙流反向結(jié)構(gòu)，自身平衡推力。

圖5 高壓模塊結(jié)構(gòu)

高壓模塊由1級單列調(diào)節(jié)級和8級沖動式壓力級組成；中壓模塊共為7級，全部采用沖動式壓力級。其結(jié)構(gòu)與安裝方式與亞臨界300MW抽汽機(jī)組基本相同，不同的是本機(jī)型為雙調(diào)整抽汽，不僅具備亞臨界300MW抽汽機(jī)組的采暖抽汽功能，同時中壓設(shè)計有旋轉(zhuǎn)隔板，可以調(diào)節(jié)工業(yè)用汽參數(shù)，以保證工業(yè)抽汽壓力參數(shù)在較小范圍內(nèi)波動，滿足工業(yè)用汽要求。低壓模塊的布置方式同亞臨界300MW抽汽機(jī)組。

圖6 中壓模塊結(jié)構(gòu)

3.2.2 抽汽原理

亞臨界350MW雙抽機(jī)組的抽汽調(diào)節(jié)方式采用旋轉(zhuǎn)隔板與雙閥調(diào)節(jié)。下面介紹旋轉(zhuǎn)隔板調(diào)節(jié)方式。

旋轉(zhuǎn)隔板廣泛運(yùn)用于50MW等級和80MW等級抽汽式汽輪機(jī)。隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，抽汽機(jī)組容量逐年增加，但市場對抽汽機(jī)組經(jīng)濟(jì)性要求更為苛刻，因此，旋轉(zhuǎn)隔板以損失小而成為大容量抽汽機(jī)組的首選。目前，我公司已研發(fā)了高參數(shù)旋轉(zhuǎn)隔板，其工作溫度高達(dá)500?C，壓力1.8MPa。

旋轉(zhuǎn)隔板是一種具有流量調(diào)節(jié)功能的隔板，因此它同時具有類似調(diào)節(jié)閥門和沖動式隔板兩種功能。旋轉(zhuǎn)隔板主要由隔板體、轉(zhuǎn)動環(huán)、平衡環(huán)組成。轉(zhuǎn)動環(huán)位于平衡環(huán)和隔板體之間，轉(zhuǎn)動環(huán)可以在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動環(huán)和隔板體上分別有相對應(yīng)的窗口，當(dāng)轉(zhuǎn)動環(huán)和隔板體上窗口完全重合時，旋轉(zhuǎn)隔板處于全開位置，當(dāng)轉(zhuǎn)動環(huán)和隔板體上窗口完全錯開時，旋轉(zhuǎn)隔板處于全關(guān)位置。正常工作時，旋轉(zhuǎn)隔板在全開和全關(guān)位置之間，以確保合格品質(zhì)的工業(yè)抽汽。

圖7 新型旋轉(zhuǎn)隔板

旋轉(zhuǎn)隔板調(diào)節(jié)原理的基本配置：

（1）中壓部分安裝旋轉(zhuǎn)隔板；

（2）在工業(yè)抽汽管道上配置安全閥、抽汽壓力快關(guān)調(diào)節(jié)閥、抽汽逆止閥。

旋轉(zhuǎn)隔板具有類似于調(diào)節(jié)閥門的全開全關(guān)、限位調(diào)節(jié)功能。當(dāng)旋轉(zhuǎn)隔板處于全開狀態(tài)時，機(jī)組相當(dāng)于常規(guī)同容量的純凝機(jī)組；當(dāng)旋轉(zhuǎn)隔板處于全關(guān)狀態(tài)時，亦保證有最小的容積流量，確保機(jī)組低壓缸滿足最小的冷卻流量，以保證機(jī)組運(yùn)行的安全性。所以通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)隔板的開度以控制隔板前壓力來實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)穩(wěn)定的工業(yè)抽汽。

圖8 旋轉(zhuǎn)隔板裝配示意

圖9 旋轉(zhuǎn)隔板

3.3 超超臨界1000MW抽汽機(jī)組

自從2002年起，我公司全面引進(jìn)超超臨界1000MW機(jī)組技術(shù)。為了適應(yīng)國內(nèi)市場的發(fā)展，自從2005年起，我公司在百萬超超臨界純凝機(jī)組上自主研發(fā)出了超超臨界1000MW抽汽機(jī)組，并在2009年已于國華北疆電廠投入商業(yè)運(yùn)行，最大抽汽能力可達(dá)1000t。

超超臨界100MW抽汽機(jī)組為單軸承軸系、四缸四排汽。所采用的積木塊是一個單流圓筒型高壓缸、一個雙流中壓缸、兩個雙流低壓缸。

機(jī)組采用全周進(jìn)汽，不僅解決了調(diào)節(jié)級葉片的強(qiáng)度問題還避開了一大汽流激振源。本機(jī)型高效、高可用率、容易維護(hù)、檢修所花時間少、運(yùn)行靈活、快速啟動及調(diào)頻調(diào)峰能力。

機(jī)組采用一只高壓缸、一只中壓缸和二只低壓缸串聯(lián)布置。高壓缸采用整體整體發(fā)運(yùn)技術(shù)，現(xiàn)場不再解體，直接吊裝就位，大大縮短電廠建設(shè)周期與難度。兩個主汽門調(diào)門組件位于高壓缸兩側(cè)，在水平位置與高壓缸剛性連接。

中壓缸為雙流設(shè)計，進(jìn)汽口在水平中心兩側(cè)切向進(jìn)汽。中壓聯(lián)合汽門是位于中壓缸兩側(cè)，在水平中心位置與中壓缸用法蘭連接。中壓缸和兩個中壓聯(lián)合汽門也是在制造廠分別完成裝配后，到現(xiàn)場直接吊裝就位。這樣，不僅減少了現(xiàn)場安裝的工作量，也減少了二次裝配所帶來的誤差。

低壓缸采用雙層缸設(shè)計，低壓外缸和低壓內(nèi)缸均采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)。低壓外缸分成六個部分現(xiàn)場焊接，而且低壓外缸完全和基礎(chǔ)脫離，直接和凝汽器剛性相連。低壓內(nèi)缸貓爪穿過外缸搭在兩端軸承座上，與傳統(tǒng)的布置方式完全不同，外缸部參與差脹系統(tǒng)，使差脹更順暢。

汽輪機(jī)四根轉(zhuǎn)子分別由五只徑向軸承來支承，除高壓轉(zhuǎn)子由兩個徑向軸承支承外，其余三根轉(zhuǎn)子均只有一只徑向軸承支承。這種支承方式不僅是結(jié)構(gòu)比較緊湊，主要還在于減少基礎(chǔ)變形對于軸承荷載和軸系對中的影響，使得汽機(jī)轉(zhuǎn)子能平穩(wěn)運(yùn)行。這五個軸承分別位于五個軸承座內(nèi)。

整個高壓缸靜子件和整個中壓缸靜子件由其貓爪支承在汽缸前后的二個軸承座上。而低壓部份靜子件中，外缸重量與其他靜子件的支承方式是分離的，即外缸的重量完全由與它焊在一起的凝汽器頸部承擔(dān)，其他低壓部件的重量通過低壓內(nèi)缸的貓爪由其前后的軸承座來支承。所有軸承座與低壓缸貓爪之間的滑動支承面均采用低摩擦合金。其優(yōu)點(diǎn)是具有良好的摩擦性能，不需要潤滑，有利于機(jī)組膨脹暢順。

超超臨界1000MW抽汽機(jī)組的抽汽調(diào)節(jié)方式同亞臨界350MW抽汽機(jī)組一樣，采用雙閥調(diào)節(jié)。

4 抽汽機(jī)組發(fā)展前景

抽汽熱電聯(lián)供事業(yè)經(jīng)過60多年的發(fā)展，已具有相當(dāng)規(guī)模，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，其發(fā)展前景仍然非常廣闊。從以下幾個方面可以看出抽汽機(jī)組在國內(nèi)尚有非常大的發(fā)展空間。

4.1 節(jié)能的需要

圖10 超超臨界1000MW抽汽機(jī)組仿真模型

圖11 超超臨界1000MW抽汽機(jī)組結(jié)構(gòu)

根據(jù)全國能源平衡，火電機(jī)組裝機(jī)容量近10年已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但是抽汽熱電聯(lián)供機(jī)組比例并不是很高。首先，抽汽熱電聯(lián)供機(jī)組已被公認(rèn)為是在火電發(fā)展中節(jié)能機(jī)組，對降低碳排放有明顯意義；其次，城鄉(xiāng)工業(yè)的發(fā)展,環(huán)境污染越來越嚴(yán)重,分散供熱既浪費(fèi)能源又污染環(huán)境，集中供熱的呼聲高。因此，國家應(yīng)予優(yōu)先發(fā)展抽汽熱電聯(lián)供機(jī)組。

4.2 工業(yè)用熱需求大

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)總量的不斷攀升，勢必會有更多潛在的工業(yè)用戶，例如化工廠、鋁廠、堿廠以及鋼廠等?？砍Ｒ?guī)小鍋爐供工業(yè)用汽，不僅抽汽參數(shù)不穩(wěn)定，而且能源利用率低，汽價偏高，因此發(fā)展熱點(diǎn)聯(lián)產(chǎn)可以很好地解決上述問題，特別是在“電荒”時期，還可以解決工業(yè)用電難問題。

4.3 生活用熱迅速增加

目前，全國城鎮(zhèn)人口明顯增加，勢必使得公共建筑與民用建筑均將有很大的供熱需求。特別是近年來實(shí)施“村改樓”政策，將面對更加嚴(yán)峻的采暖汽供熱問題，建設(shè)抽汽熱電聯(lián)供機(jī)組可以很好的解決這些問題。

隨著人民生活水平的提高，原來不裝采暖設(shè)施的城市(例如安徽、江蘇等省)，在新城區(qū)建設(shè)中也裝了采暖設(shè)施，因而供熱范圍由我國的北方向南方擴(kuò)展，其范圍將不斷擴(kuò)大。

4.4 政府的支持

從近年火電機(jī)組的發(fā)展情況可以看出，為了有效地節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、緩解電力緊張，各級政府均采取一系列政策，鼓勵和支持發(fā)展抽汽熱電聯(lián)供機(jī)組集中供熱。此外，在國家方面，《中華人民共和國大氣污染防治法》、《中華人民共和國節(jié)約能源法》、《節(jié)約能源管理暫行條例》、《節(jié)能技術(shù)政策大綱》與《當(dāng)前重點(diǎn)鼓勵發(fā)展的產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品和技術(shù)目錄》中均提出鼓勵、支持、發(fā)展抽汽熱電聯(lián)供機(jī)組。