淺析東汽百萬(wàn)千瓦等級(jí)汽輪機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

【摘要】近年來，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和發(fā)電技術(shù)的不斷升級(jí)，對(duì)于資源嚴(yán)重緊張的我國(guó)，發(fā)展大容量高效率、節(jié)能環(huán)保型汽輪發(fā)電機(jī)組已迫在眉睫；本文介紹了東方汽輪機(jī)有限公司百萬(wàn)超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組的技術(shù)特點(diǎn)，通過采用新型，大容量單軸汽輪機(jī)模塊以及一系列獨(dú)特結(jié)構(gòu)和先進(jìn)技術(shù)，使機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性達(dá)到世界先進(jìn)水平。該機(jī)組還能滿足今后更高壓力、熱電聯(lián)供等不同超超臨界電廠的需要，在我國(guó)高效潔凈燃煤發(fā)電領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】超超臨界；百萬(wàn)千瓦；汽輪機(jī)；特點(diǎn)

近年來我國(guó)持續(xù)出現(xiàn)嚴(yán)重霧霾天氣，新環(huán)保法的出臺(tái)，對(duì)推廣清潔能源的生產(chǎn)和利用，提出了更高要求，高效潔凈燃煤發(fā)電技術(shù)將成為當(dāng)今世界電力工業(yè)的主要發(fā)展方向之一。隨著1993年“600℃”鐵素體高溫材料在日本某電廠投運(yùn)，標(biāo)志著世界汽輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的“超超臨界參數(shù)”發(fā)展階段。本文對(duì)東方汽輪機(jī)廠設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的1000MW機(jī)組，采用具有優(yōu)異運(yùn)行業(yè)績(jī)的成熟高、中、低壓模塊的單軸、四缸四排汽百萬(wàn)等級(jí)超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組作一介紹。

1.超超臨界汽輪機(jī)選材特點(diǎn)

隨著材料研究和冶煉工藝的不斷提高，使汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組采用更高的蒸汽參數(shù)成為可能，更進(jìn)一步地提高了機(jī)組的效率，降低了溫室氣體的排放量。東汽、日立公司在試驗(yàn)研究、設(shè)計(jì)制造、安裝調(diào)試等各個(gè)環(huán)節(jié)投入了大量人力物力，東汽-日立型超超臨界汽輪機(jī)采用600℃/600℃高進(jìn)汽參數(shù)，因而對(duì)關(guān)鍵高溫部套的材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了極高的要求。這類部套主要包括高、中、低壓轉(zhuǎn)子、汽缸等。

1.1 高、中壓轉(zhuǎn)子選材

因高溫、高工作應(yīng)力及高熱應(yīng)力（尤其在啟動(dòng)時(shí)），高、中壓轉(zhuǎn)子材料必須具有很高的高溫蠕變極限與疲勞極限。目前世界上這類轉(zhuǎn)子材料已成熟了三代——CrMoV、12Cr及改良型12Cr，正在發(fā)展并調(diào)試用第四代——新12Cr與第五代（奧氏體鋼、超含金）。前四代材料在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子上的使用溫度（指進(jìn)汽溫度）大致為：CrMoV-535℃（改良型CrMoV可用至566℃）；12 Cr-593℃；改良型12Cr-620℃；新12 Cr-630℃。機(jī)組高、中壓轉(zhuǎn)子根據(jù)進(jìn)汽溫度（600℃）及應(yīng)力水平等實(shí)際工程因素，選用了改良型12Cr鍛鋼——即12 CrMoVNbNW。日立公司早在70年代即將開始對(duì)這種材料在600℃溫度下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)。90年代已進(jìn)入成熟期，最早用于日本原町電廠2號(hào)機(jī)上，其進(jìn)汽參數(shù)為24.6MPa/600℃/600℃，功率為1000MW，于1998年7月投入商業(yè)運(yùn)行。多年運(yùn)行歷史證明該材料的成熟性。同樣的材料也用于日立公司爾后的700MW、1000MW超超臨界機(jī)組的高、中壓轉(zhuǎn)子上。

1.2 低壓轉(zhuǎn)子選材

超超臨界機(jī)組低壓缸進(jìn)汽溫度因再熱溫度的提高而隨之提高，達(dá)到約390℃，需改用高純度（盡可能降低P、Sn、Sb等雜質(zhì)含量）、低合金Mn、Si含量的NiCrMoV鍛鋼，日本牌號(hào)為3.5NiCrMoV，中國(guó)牌號(hào)為30Cr2Ni4MoVu。它可以在保持很低的脆性轉(zhuǎn)變溫度（FATT）同時(shí)防止等溫回火催化。

1.3 高中壓缸選材

高溫型超超臨界汽輪機(jī)中壓缸與高壓缸一樣都需要采用雙層缸結(jié)構(gòu)。由于內(nèi)、外缸的溫度與工作應(yīng)力不同，故選材也有明顯的差別。高中壓外缸進(jìn)汽部分與內(nèi)缸之間的間隙較小，易受內(nèi)缸熱輻射而導(dǎo)致溫度局部升高，故在此間隙內(nèi)引入少量蒸汽對(duì)熱輻射進(jìn)行隔離是必要的。高壓內(nèi)缸的進(jìn)汽溫度高達(dá)600℃，體積大，對(duì)剛性要求高，故應(yīng)選抗蠕變強(qiáng)度及熱疲勞強(qiáng)度高的12Cr鑄鋼。高中壓外缸內(nèi)壁溫度大部分均低于540℃，僅進(jìn)汽區(qū)段受內(nèi)缸熱輻射，局部?jī)?nèi)壁溫度可能高于570℃，在結(jié)構(gòu)上采取冷卻隔離措施，使整個(gè)高、中壓外缸內(nèi)壁溫度降到540℃以下，高、中壓外缸材料可選用工藝性能好且價(jià)格低廉的CrMoV鑄鋼。

2.調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

東汽1000MW機(jī)組采用噴嘴配汽方式，由于部分進(jìn)汽的原因會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉產(chǎn)生“Kick”效應(yīng)，調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉受到的汽流載荷如圖1所示，該“Kick”效應(yīng)早已被國(guó)外公司采用水撞試驗(yàn)所驗(yàn)證，而且東汽也在對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)行的數(shù)值CFD分析中計(jì)算出了實(shí)際的氣流載荷分布情況，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合。通過采取優(yōu)化措施，對(duì)噴嘴的非進(jìn)汽弧段進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以有效的減小“Kick”峰值載荷約20%，提高了調(diào)節(jié)級(jí)的安全裕度。該優(yōu)化措施已被國(guó)外公司應(yīng)用，并且取得了良好的效果，已在660MW機(jī)組上實(shí)施，因此，1000MW機(jī)組都采用該優(yōu)化措施，以提高調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉的安全裕度。

3.末級(jí)葉片設(shè)計(jì)特點(diǎn)

為滿足大容量機(jī)組需要，日立在40〞長(zhǎng)葉片基礎(chǔ)上開發(fā)研制了43〞全轉(zhuǎn)速末級(jí)鋼葉片；已在日本某電廠成功投運(yùn)，且運(yùn)行業(yè)績(jī)優(yōu)良，機(jī)組創(chuàng)造了日本電廠最高熱效率記錄。43〞葉片汽道有效長(zhǎng)度1092.2mm，四排汽環(huán)形面積為40.44㎡，單位面積容量（22.3MW/㎡）處于日立給定的排汽環(huán)形面積與機(jī)組容量的相互關(guān)系的平均值附近。

3.1 動(dòng)靜葉型線設(shè)計(jì)

43〞末級(jí)葉片靜、動(dòng)葉型以具有優(yōu)良?xì)鈩?dòng)性能的40〞葉片級(jí)的靜、動(dòng)葉型線為母型模化改進(jìn)設(shè)計(jì)而來。靜葉片葉型是在層流葉型基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)的新一代高效靜葉，采用可控渦彎扭成型技術(shù)；根部采用上凸子午流道，改善根部流動(dòng)；出汽邊厚度采用0.38mm減小尾跡損失和動(dòng)葉激振力；動(dòng)葉根部葉型采用先進(jìn)的有利于減少二次流損失的“K”型通道葉型，中上部葉型采用先進(jìn)的適合跨音速流動(dòng)的背弧斜切部分為直線的縮放通道葉型，與相應(yīng)的馬赫數(shù)相適應(yīng)。在動(dòng)葉頂部，由于相對(duì)速度的增加，新優(yōu)化設(shè)計(jì)了一段超音速縮放通道，其局部最高馬赫數(shù)達(dá)2.3，平均出口馬赫數(shù)達(dá)1.86。

3.2 43〞葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

43〞末級(jí)動(dòng)葉片葉根采用大剛度高可靠性的叉形葉根，連接件結(jié)構(gòu)采用減振效果優(yōu)良的凸臺(tái)式阻尼拉筋，連接件結(jié)構(gòu)采用減振效果優(yōu)良的凸臺(tái)式阻尼拉筋和單層自帶冠結(jié)構(gòu)。靜態(tài)時(shí)保證連接件間留有最佳安裝間隙，在一定轉(zhuǎn)速下開始接觸，在額定轉(zhuǎn)速時(shí)連接件接觸面產(chǎn)生一定的最佳正應(yīng)力，在此正應(yīng)力作用下，阻尼件將大大地消耗葉片振動(dòng)能量，衰減振動(dòng)，降低葉片的動(dòng)應(yīng)力。

4.配汽優(yōu)化特點(diǎn)

東汽超超臨界1000MW機(jī)組配汽方式為復(fù)合配汽，在低負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，四個(gè)調(diào)節(jié)閥同開節(jié)流損失大，與噴嘴配汽比經(jīng)濟(jì)性差。針對(duì)大多數(shù)電廠已投運(yùn)機(jī)組常年運(yùn)行在50～90%負(fù)荷的情況，通過調(diào)門配汽優(yōu)化以提高低負(fù)荷工況的經(jīng)濟(jì)性。

1）利用機(jī)組閥門配置的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)全周進(jìn)汽和部分進(jìn)汽的無擾切換，獲得部分負(fù)荷條件下運(yùn)行的最佳經(jīng)濟(jì)性。

2）根據(jù)每個(gè)電廠的負(fù)荷情況，配合電廠進(jìn)行配汽曲線的優(yōu)化和運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化工作，獲得部分負(fù)荷運(yùn)行的最佳經(jīng)濟(jì)性。

原日立設(shè)計(jì)的配汽方式為復(fù)合配汽（部分進(jìn)汽/全周進(jìn)汽）。即由四個(gè)高壓油動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)四個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥（每個(gè)調(diào)節(jié)閥對(duì)應(yīng)一個(gè)噴嘴組），實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)的流量（負(fù)荷）調(diào)節(jié)。該種配汽方式下各閥嚴(yán)格按照預(yù)定的程序執(zhí)行啟閉，升程關(guān)系固定。在啟動(dòng)和較低負(fù)荷時(shí)，汽輪機(jī)采用節(jié)流調(diào)節(jié)，此時(shí)四個(gè)調(diào)節(jié)閥同時(shí)開啟，帶一定負(fù)荷后，關(guān)小、關(guān)閉部分閥門，轉(zhuǎn)為噴嘴調(diào)節(jié)。這種配汽方式其最佳負(fù)荷點(diǎn)在90%～100%額定負(fù)荷范圍之內(nèi)，但仍然兼顧了部分負(fù)荷的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。為減少節(jié)流損失，部分負(fù)荷采用滑參數(shù)配汽，即保持閥門開度不變，靠改變進(jìn)汽壓力來改變進(jìn)汽量。

與負(fù)荷指令關(guān)系曲線

東汽某百萬(wàn)機(jī)組配汽方式優(yōu)化后，50%額定負(fù)荷機(jī)組煤耗較原設(shè)計(jì)降低3.7g/（kW.h）；60%額定負(fù)荷機(jī)組煤耗較原設(shè)計(jì)降低2.5g/（kW.h）；70%額定負(fù)荷機(jī)組煤耗較原設(shè)計(jì)降低1.8g/（kW.h）；80%額定負(fù)荷機(jī)組煤耗較原設(shè)計(jì)降低1.2g/（kW.h）；90%以上額定負(fù)荷兩種配汽方式的機(jī)組煤耗相當(dāng)。

5.結(jié)論

提高火力發(fā)電機(jī)組容量是世界眾多設(shè)備制造廠家長(zhǎng)期科研努力的方向，是發(fā)展火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)唯一的途徑，也對(duì)節(jié)約能源、改善環(huán)保和提高發(fā)電效率、降低發(fā)電成本起到根本性的作用。本文通過對(duì)東方引進(jìn)型超超臨界百萬(wàn)汽輪機(jī)組技術(shù)特點(diǎn)的分析，了解世界目前火力發(fā)電機(jī)組發(fā)展的最新成果和最先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，這對(duì)我國(guó)發(fā)電設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展和提高設(shè)計(jì)水平有著很好的借簽作用。

參考文獻(xiàn)

[1]羅方.東方汽輪機(jī)百萬(wàn)機(jī)組技術(shù)資料[Z].東方汽輪機(jī)廠.