660 MW超超臨界二次再熱汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

張曉東，方宇，唐清舟，王建偉

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000）

660 MW超超臨界二次再熱汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

張曉東，方宇，唐清舟，王建偉

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000）

為了進(jìn)一步提高效率，節(jié)能減排，公司研制了超超臨界高參數(shù)二次再熱汽輪機(jī)組。文章主要介紹了公司660 MW高參數(shù)二次再熱汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，著重闡述了機(jī)組技術(shù)繼承性、安全可靠性、使用性，該機(jī)組也將成為國(guó)內(nèi)首個(gè)660 MW二次再熱汽輪機(jī)組。

超超臨界，二次再熱，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

0　引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，低碳經(jīng)濟(jì)越來(lái)越受到關(guān)注，根據(jù)我國(guó)能源的特點(diǎn)，發(fā)電能源的構(gòu)成以煤為主的格局仍將持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，提高機(jī)組效率無(wú)疑具有極高的國(guó)家能源戰(zhàn)略意義。綜合利用現(xiàn)有技術(shù)，進(jìn)一步提高參數(shù)和采用二次再熱技術(shù)是燃煤機(jī)組目前提高效率最有效的手段。

歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家早已積極開(kāi)展了高效機(jī)組的研究和使用，20世紀(jì)歐、美、日就已有多臺(tái)二次再熱機(jī)組投運(yùn)，如日立的姬路6#機(jī)、丹麥的SBK 3#、日本川越電廠等，其中，丹麥的Nordjylland&Svaerket電廠仍保持燃煤電廠凈效率47%的世界記錄。另外，歐、美、日紛紛開(kāi)展了“AD700”、“A-USC”等高參數(shù)汽輪機(jī)技術(shù)的研發(fā)計(jì)劃，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)35 MPa/700℃/720℃ （/720℃）的一次或二次再熱機(jī)組，機(jī)組效率達(dá)到或超過(guò)50%。

與此同時(shí)，基于目前材料、制造技術(shù)水平，歐、美、日等國(guó)家已經(jīng)在現(xiàn)有超超臨界機(jī)組上進(jìn)一步提高了機(jī)組參數(shù)，如日立于2009年投運(yùn)的新磯子電廠參數(shù)就達(dá)到了25 MPa/600℃/620℃。當(dāng)然國(guó)內(nèi)發(fā)電行業(yè)也及時(shí)跟蹤并進(jìn)行了高參數(shù)機(jī)組的開(kāi)發(fā)，東方汽輪機(jī)有限公司 （以下簡(jiǎn)稱(chēng)東汽）也完成了重慶萬(wàn)州項(xiàng)目 （28 MPa/600℃/620℃）的技術(shù)研發(fā)和高參數(shù)二次再熱機(jī)組的研發(fā)。

東汽高參數(shù)二次再熱機(jī)組的參數(shù)范圍為28～32 MPa/600℃/620℃/620℃，其基本開(kāi)發(fā)思路是充分利用現(xiàn)有超超臨界機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，繼承現(xiàn)有的成熟技術(shù)，采用先進(jìn)的通流技術(shù)和高效熱力系統(tǒng)，保證機(jī)組具有高效、成熟、安全可靠、維護(hù)方便等特點(diǎn)，綜合性能達(dá)到世界一流水平。

本文主要介紹東汽研發(fā)的660 MW超超臨界二次再熱汽輪機(jī)組本體設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

1　主要機(jī)型數(shù)據(jù)和總體結(jié)構(gòu)

東汽660 MW高參數(shù)二次再熱主要機(jī)型數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　東汽660 MW高參數(shù)二次再熱主要機(jī)型數(shù)據(jù)表

機(jī)組采用四缸四排汽，從機(jī)頭到機(jī)尾依次為1個(gè)單流超高壓缸，1個(gè)合缸反向布置的高中壓缸，2個(gè)雙流低壓缸，主汽閥懸掛于機(jī)頭側(cè)運(yùn)行平臺(tái)下，再熱主汽調(diào)節(jié)閥布置在運(yùn)行平臺(tái)兩側(cè)，其立體圖如圖1所示。

圖1　660 MW二次再熱機(jī)組汽輪發(fā)電機(jī)組示意圖

2　總體結(jié)構(gòu)的成熟性

總體方案是在東汽超超臨界660 MW機(jī)組上增加一個(gè)超高壓模塊形成四缸四排汽，如圖2所示。

圖2　機(jī)組縱剖面圖

機(jī)組各模塊均由成熟模塊改型設(shè)計(jì)而成，低壓模塊可配909 mm末葉或1 016 mm末葉，各部分母型見(jiàn)表2。

機(jī)組四缸四轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)方案繼承了東汽超超臨界1 000 MW機(jī)組［1］和新超超臨界660 MW機(jī)組的整體特點(diǎn)，因此，機(jī)組整體滑銷(xiāo)系統(tǒng)、機(jī)組軸系、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、頂軸油系統(tǒng)、自密封系統(tǒng)均與傳統(tǒng)四缸機(jī)組保持一致，具有諸多運(yùn)行業(yè)績(jī)，成熟可靠。

表2　母型說(shuō)明表

3　機(jī)組本體設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.1熱力系統(tǒng)

660 MW高參數(shù)二次再熱汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)有10級(jí)非調(diào)整抽汽分別為5級(jí)高壓加熱、1級(jí)除氧、4級(jí)低壓加熱，各級(jí)回?zé)嵋来挝挥诔邏号牌?、高?級(jí)后、高壓排汽、中壓3級(jí)后、中壓6級(jí)后、中壓8級(jí)后、低壓布置4級(jí)回?zé)帷?/p>

3.2超高壓模塊

超高壓缸為單流式，全周進(jìn)汽，供8個(gè)沖動(dòng)式壓力級(jí)。汽缸采用雙層缸結(jié)構(gòu)，內(nèi)缸采用先進(jìn)的紅套環(huán)緊箍圓筒形汽缸［2］，并采用耐高溫的新12Cr鑄鋼材料ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，內(nèi)缸外表面布置有隔熱罩；外缸采用傳統(tǒng)中分面法蘭汽缸結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)外缸材料。高壓缸縱剖面圖見(jiàn)圖3。

圖3　超高壓缸縱剖面圖

內(nèi)缸采用無(wú)法蘭結(jié)構(gòu)的筒形汽缸，筒形汽缸具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）缸體圓筒結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，有利于外缸緊湊設(shè)計(jì)和減少自身應(yīng)力集中；

（2）缸體各向同性，受力均勻，能承受32 MPa甚至更高的主蒸汽壓力；

（3）套環(huán)緊箍，汽缸氣密性良好，可保證機(jī)組大修期內(nèi)長(zhǎng)久的經(jīng)濟(jì)性；

（4）隔熱罩結(jié)構(gòu)可減少對(duì)流，提高內(nèi)缸外表面溫度，防止溫差過(guò)大引起變形；

（5）大修周期長(zhǎng)，根據(jù)需要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮滿(mǎn)足高達(dá)15年以上的大修期；

（6）模塊可整體發(fā)貨，整體安裝，縮短現(xiàn)場(chǎng)安裝周期和提高安裝質(zhì)量；

（7）內(nèi)缸采用套箍結(jié)構(gòu)，不存在螺栓咬死問(wèn)題，拆裝方便；

（8）汽缸可現(xiàn)場(chǎng)檢修，無(wú)需返廠，檢修周期短，可提高電廠經(jīng)濟(jì)效益。

此外，針對(duì)二次再熱機(jī)組超高壓排汽壓力高、排汽進(jìn)入夾層易造成外缸氣密性差的特點(diǎn)，本機(jī)組超高壓排汽通過(guò)管道直接進(jìn)入再熱冷段，不進(jìn)入內(nèi)外缸夾層。內(nèi)外缸夾層汽源為軸封漏氣，并與二段抽汽聯(lián)通，形成與二段抽汽相同的壓力，使外缸承受的壓力與常規(guī)超超臨界機(jī)組相當(dāng)，外缸氣密性和安全性更高。

3.3高中壓缸模塊

機(jī)組高中壓模塊采用常規(guī)超超臨界660 MW機(jī)組高中壓模塊成熟結(jié)構(gòu)，僅針對(duì)再熱壓力低（高壓進(jìn)口10 MPa，中壓3 MPa）、體積流量大、再熱溫度620℃的特點(diǎn)進(jìn)行改型設(shè)計(jì)。汽缸采用雙層缸結(jié)構(gòu)，外缸采用常規(guī)機(jī)組外缸材料，內(nèi)缸采用ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，外表面布置隔熱罩，低溫區(qū)采用隔板套結(jié)構(gòu)。汽缸均采用中分面法蘭結(jié)構(gòu)，方便大修檢修。

本機(jī)組采用內(nèi)缸加隔板套結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)合缸機(jī)組高中壓缸承受高壓進(jìn)汽和高排汽體溫差相比，缸溫度場(chǎng)更為合理。

二次再熱機(jī)組高中壓模塊進(jìn)汽壓力低，內(nèi)缸承受壓差小且采用高強(qiáng)度耐高溫材料，因此，壁厚較薄，缸體熱應(yīng)力較小且利于熱傳導(dǎo)。

3.4低壓末葉片和低壓缸的選擇

660 MW二次再熱機(jī)組可根據(jù)不同背壓和負(fù)荷選擇1 016 mm低壓末葉片模塊或909 mm末葉片模塊，如圖4所示，背壓在5.4 kPa以下時(shí)機(jī)組更適合采用1 016 mm低壓末葉片模塊，5.4 kPa以上時(shí)更適合選擇909 mm末葉片模塊。

圖4　機(jī)組背壓-末葉-經(jīng)濟(jì)性關(guān)系

低壓模塊均采用傳統(tǒng)雙分流、三層缸結(jié)構(gòu)。與常規(guī)機(jī)組相比，本機(jī)組增加中壓缸焓降，用高效的中壓長(zhǎng)葉片取代了低效的低壓短葉片，在提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)降低了低壓缸進(jìn)口參數(shù)，從而降低了低壓缸進(jìn)排汽口溫差，減小熱應(yīng)力和防止內(nèi)缸變形。

為了進(jìn)一步提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，本機(jī)組低壓A、B缸采用非對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，低壓抽口非對(duì)稱(chēng)布置，7、9段抽汽布置于A低壓缸，8、10段抽汽布置于B低壓缸。

3.5滑銷(xiāo)系統(tǒng)

機(jī)組滑銷(xiāo)系統(tǒng) （見(jiàn)圖5）與傳統(tǒng)四缸機(jī)組一致，設(shè)有3個(gè)死點(diǎn)，分別位于汽缸Ⅰ （中壓缸）和汽缸Ⅱ （A低壓缸）之間的軸承箱下以及汽缸Ⅲ、Ⅳ （A、B低壓缸）中心線附近，死點(diǎn)處橫鍵限制汽缸軸向位移。同時(shí)，在1#軸承箱、2#軸承箱及2個(gè)低壓缸的中心線前后設(shè)有縱向鍵，引導(dǎo)汽缸沿軸向自由膨脹并限制其跑偏。機(jī)組相對(duì)死點(diǎn)設(shè)置在2#軸承箱內(nèi)。類(lèi)似滑銷(xiāo)系統(tǒng)在電廠具有良好的運(yùn)行業(yè)績(jī)。

圖5　四缸機(jī)組滑銷(xiāo)系統(tǒng)圖

3.6機(jī)組軸系

機(jī)組軸系由超高壓轉(zhuǎn)子、高中壓轉(zhuǎn)子、A低壓轉(zhuǎn)子、B低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子共5根轉(zhuǎn)子組成，繼承了東方1 000 MW四缸機(jī)組軸系的以下特點(diǎn)：

●采用成熟可靠的設(shè)計(jì)計(jì)算分析方法和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并經(jīng)過(guò)運(yùn)行驗(yàn)證；

●選用成熟且穩(wěn)定性好的軸承——可傾瓦軸承和橢圓瓦軸承，參數(shù)見(jiàn)表3；

●采用雙支承結(jié)構(gòu)，跨距小，剛性高，運(yùn)行臨界轉(zhuǎn)速與計(jì)算值吻合度高；

●臨界轉(zhuǎn)速分布集中 （見(jiàn)表4），且避開(kāi)半速渦動(dòng)轉(zhuǎn)速，有利于中速暖機(jī)和啟動(dòng)。

除此以外，機(jī)組采用全周進(jìn)汽，設(shè)置防旋汽封等措施減小汽隙激振力，增強(qiáng)軸系防汽流激振力的能力。

表3　軸承基本參數(shù)表

表4　軸系臨界轉(zhuǎn)速

3.7閥門(mén)及其布置

二次再熱機(jī)組增加一組再熱閥門(mén)，因此，機(jī)組共有超高壓主汽調(diào)節(jié)閥、高壓主汽調(diào)節(jié)閥、中壓主汽調(diào)節(jié)閥3組閥門(mén)，每組2個(gè)。超高壓主汽閥承受33 MPa以上高壓，高、中壓主汽調(diào)節(jié)閥門(mén)承受620℃高溫。

主汽調(diào)節(jié)閥共有2個(gè)主汽閥和2個(gè)獨(dú)立調(diào)節(jié)閥連為一體，主汽閥腔室互通。主汽閥、調(diào)節(jié)閥均設(shè)有自己的油動(dòng)機(jī)和操縱機(jī)構(gòu)。

根據(jù)壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范，傳統(tǒng)大螺栓擰緊產(chǎn)生接觸應(yīng)力密封的結(jié)構(gòu)形式不適合用于高參數(shù)（壓力大于25 MPa）機(jī)組密封結(jié)構(gòu)，因此，東汽660 MW二次再熱機(jī)組主汽閥和調(diào)節(jié)閥都采用其特有的雙閥蓋結(jié)構(gòu)，通過(guò)伍德式自密封結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)密封，如圖6所示，蒸汽作用力作用于內(nèi)閥蓋上，并擠壓密封墊片形成自密封，蒸汽作用力最終傳遞并作用在止動(dòng)環(huán)上，止動(dòng)環(huán)根據(jù)作用力大小調(diào)整厚度。內(nèi)外閥蓋間形成的密封腔室具有分壓和防漏功能，并與軸封聯(lián)通。

圖6　單閥蓋和雙層閥蓋示意圖

3.8冷卻系統(tǒng)

高溫部件冷卻結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)是超超臨界機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一，其冷卻系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖7。冷卻蒸汽經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的管道，使高溫部件得到有效冷卻，降低高溫部件的使用溫度，延長(zhǎng)高溫部件的設(shè)計(jì)壽命。本機(jī)組采用的冷卻技術(shù)在超超臨界機(jī)組中普遍采用，安全可靠，且一次調(diào)試以后不需重新調(diào)試和控制，簡(jiǎn)單方便。

圖7　冷卻系統(tǒng)示意圖

3.8.1進(jìn)汽管冷卻技術(shù)

超高壓、高壓模塊通過(guò)超高壓排汽蒸汽進(jìn)行進(jìn)汽管冷卻，在主汽管靠近外缸處有一小孔，引入一小股冷卻蒸汽，流經(jīng)外缸與導(dǎo)汽管之間及外缸與內(nèi)缸之間形成的狹小間隙，對(duì)外缸內(nèi)壁進(jìn)行隔離與冷卻。

中壓進(jìn)汽管采用類(lèi)似結(jié)構(gòu)，用高排蒸汽進(jìn)行冷卻。

3.8.2轉(zhuǎn)子冷卻技術(shù)

本機(jī)組再熱溫度提高后，轉(zhuǎn)子采用了高溫性能良好的FB2鍛鋼?？紤]增加安全裕度和延長(zhǎng)轉(zhuǎn)子使用壽命，機(jī)組利用高排蒸汽對(duì)中壓第一級(jí)轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻，控制第一級(jí)葉輪溫度不高于580℃。

3.9先進(jìn)的通流技術(shù)

機(jī)組繼承并優(yōu)化了超超臨界機(jī)組先進(jìn)的通流技術(shù)，通過(guò)一系列先進(jìn)的通流技術(shù)提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性：

●采用美國(guó)SoftInWay公司開(kāi)發(fā)的通流設(shè)計(jì)軟件AxSTREAM，結(jié)合全三元?dú)鈩?dòng)分析軟件，優(yōu)化葉型；

●采用先進(jìn)渦流型設(shè)計(jì)，葉片各截面及三維空間成型采用NUB曲線曲面造型技術(shù)生成，結(jié)合數(shù)值優(yōu)化算法及先進(jìn)的數(shù)控加工技術(shù)使葉型損失和二次流損失得到有效減少；

●采用全三元彎曲導(dǎo)葉、可控渦高負(fù)荷動(dòng)葉的三元級(jí)；

●采用泄露量更少的東汽DAS汽封。

3.10成熟材料的選擇

本機(jī)組蒸汽參數(shù)達(dá)到31 MPa/600℃/620℃/ 620℃，對(duì)關(guān)鍵高溫部套材料和結(jié)構(gòu)的要求要高于傳統(tǒng)超超臨界機(jī)組 （25 MPa/600℃/600℃），轉(zhuǎn)子、內(nèi)缸、閥門(mén)、葉片、隔板等高溫部位的材料需要更耐高溫，其蠕變和高溫持久應(yīng)滿(mǎn)足在高溫高壓下長(zhǎng)時(shí)間工作。機(jī)組高溫部件材料將大量使用9-12CrWCo材料，機(jī)組低溫部套材料的使用同常規(guī)超超臨界機(jī)組基本一致。本機(jī)組與常規(guī)超超臨界機(jī)組高溫材料使用對(duì)照見(jiàn)表5。

表5　主要高溫部套材質(zhì)對(duì)照表

其中，13Cr9Mo2Co1NiVNbNB和ZG1Cr10Mo1 NiWVNbN分別是東方自主研發(fā)的用于620℃等級(jí)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子和鑄件材料，含Co、B等微量成分，具有良好的高溫性能和持久蠕變性能。類(lèi)似耐高溫產(chǎn)品如FB2及CB2，已在美國(guó)John、W、Turk、Jr等電站中大量使用［3］。

3.11堅(jiān)持面向用戶(hù)的設(shè)計(jì)，提高使用性

本機(jī)組除繼承了外缸中分面結(jié)構(gòu)方便拆卸、東汽雙支持方便找中、低壓缸開(kāi)孔便于檢查末葉、可不開(kāi)缸動(dòng)平衡、自潤(rùn)滑等措施外，還堅(jiān)持面向用戶(hù)設(shè)計(jì)，從電站角度設(shè)計(jì)到檢修維護(hù)各環(huán)節(jié)提供方便，具體措施包括：

●超高壓內(nèi)缸采用紅套環(huán)緊箍的筒形汽缸，可整體發(fā)貨，模塊安裝，延長(zhǎng)大修期，現(xiàn)場(chǎng)解體維修，縮短檢修工期；

●閥門(mén)便于拆裝，無(wú)需專(zhuān)用工具和復(fù)雜工藝即可檢修安裝；

●單獨(dú)的推力軸承比推力支持聯(lián)合軸承更便于檢修維護(hù)。

4　結(jié)論

綜上所述，東汽自主研發(fā)的660 MW超超臨界二次再熱高參數(shù)汽輪機(jī)具有良好的技術(shù)繼承性；機(jī)組的設(shè)計(jì)方法、關(guān)鍵技術(shù)、主要部套均具有大量工程應(yīng)用業(yè)績(jī)，特別是機(jī)組軸系、滑銷(xiāo)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)充分繼承了現(xiàn)有機(jī)組的特點(diǎn)，成熟可靠；先進(jìn)的筒形汽缸結(jié)構(gòu)、巧妙的雙層閥蓋結(jié)構(gòu)、成熟的高溫材料等關(guān)鍵技術(shù)的使用保證了機(jī)組的安全可靠性；本體設(shè)計(jì)與二次再熱技術(shù)、優(yōu)化的熱力系統(tǒng)、更高熱力參數(shù)、先進(jìn)通流技術(shù)相結(jié)合，提高了機(jī)組經(jīng)濟(jì)水平；同時(shí)，充分考慮了機(jī)組的安裝、檢修性能，方便業(yè)主，提高了使用性。

因此，東汽660 MW超超臨界高參數(shù)二次再熱汽輪機(jī)本體安全可靠，獲得了業(yè)主的認(rèn)可。該機(jī)組已在華能安源電廠實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，成為國(guó)內(nèi)首個(gè)660 MW二次再熱汽輪機(jī)組。

［1］王為民，潘家成，方宇，袁永強(qiáng).東方1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及運(yùn)行業(yè)績(jī)［J］.東方電氣評(píng)論，2009，23（1）：1-11

［2］中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì)，主編.火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè)：第二卷：汽輪機(jī)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998

［3］Torsten-UIF KERN，Marc STAUBLI，Brendon SCARLIN .The European Efforts in Material Development for 650℃USC Power Plants-Cost522［J］.ISIJ international，vol.42（2002），No.12，pp.1515-1519

Characteristic of Structure in 660 MW Ultra-supercritical Double-reheat Steam Turbine

Zhang Xiaodong，F(xiàn)ang Yu，Tang Qingzhou，Wang Jianwei

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

Dongfang Turbine Co.，Ltd.developed a highly efficient ultra-supercritical double-reheat steam turbine with improved thermal efficiency and reduced emissions.In this paper，the characteristic of main structure for 660 MW ultra-supercritical doublereheat steam turbine was introduced.Its technical inheritance，reliability and usability were specifically explained.The unit would also become the first 660 MW double-reheat steam turbine in China.

ultra-supercritical，double-reheat，characteristic of structure

TK262

A

1674-9987（2015）02-0001-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.02.001

張曉東 （1981-），男，副主任，畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，從事汽輪機(jī)總體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研究工作。