大型單軸1 350 MW 機(jī)組的設(shè)計(jì)研究

邵罡北，沈 春

（1.華潤(rùn)電力（寧武）有限公司，山西忻州 003670；2.內(nèi)蒙古京能電力檢修有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010000）

0 引言

汽輪機(jī)及其聯(lián)合發(fā)電機(jī)組以其熱效率高、造價(jià)低、環(huán)境性能好、占地少、運(yùn)行調(diào)整靈活等優(yōu)點(diǎn)得到了快速發(fā)展[1]，尤其是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和國(guó)家對(duì)火電汽輪發(fā)電機(jī)組的環(huán)保及經(jīng)濟(jì)性的要求不斷提高，超臨界等級(jí)的汽輪發(fā)電機(jī)組已成為我國(guó)發(fā)電市場(chǎng)的主力軍，進(jìn)一步提高了熱能的利用效率。國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)制造商近年來(lái)立足自主研發(fā)、自主設(shè)計(jì)、自主制造，逐步實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)的超越，自主研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)1 000 MW 等級(jí)直接空冷機(jī)組（華電靈武）、國(guó)內(nèi)最大的1 100 MW 空冷機(jī)組（農(nóng)六師）、世界首臺(tái)620 ℃等級(jí)1 000 MW 間冷機(jī)組（榆能橫山）、620 ℃等級(jí)高效一次再熱1 000 MW 機(jī)組（重慶萬(wàn)州）、世界首臺(tái)620 ℃等級(jí)二次再熱機(jī)組（江西安源）等代表世界一流水平的機(jī)組，并已成功投運(yùn)，積累了豐富的新技術(shù)攻關(guān)經(jīng)驗(yàn)和工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，形成了完整科學(xué)的研發(fā)體系，提升了汽輪機(jī)技術(shù)發(fā)展的科研能力。在此基礎(chǔ)上，我們提出了對(duì)大型單軸1 350 MW 機(jī)組的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究思路。

1 汽輪機(jī)總體技術(shù)方案

1.1 汽輪機(jī)擬定技術(shù)參數(shù)

1 350 MW 超超臨界汽輪機(jī)參數(shù)為：超超臨界、二次中間再熱、單軸、五缸四排汽、直接空冷式汽輪機(jī)，N1350-35/615/630/620 型號(hào)，額定功率1 350 MW，主蒸汽壓力35 MPa，主蒸汽溫度615 ℃，一/二次再熱溫度630/620 ℃，背壓9.5 kPa，末級(jí)葉片長(zhǎng)度1 030 mm，最大蒸發(fā)量3 925 t/h，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，回?zé)嵯到y(tǒng)是5 個(gè)高壓加熱器+1 個(gè)除氧器+6 個(gè)低壓加熱器，全周進(jìn)汽+補(bǔ)汽閥配汽方式，逆時(shí)針（汽機(jī)向電機(jī)看）旋轉(zhuǎn)方向，軸系長(zhǎng)度44 m。

1.2 熱力系統(tǒng)配置

機(jī)組熱力系統(tǒng)配置回?zé)崾津?qū)動(dòng)小汽機(jī)，給水泵由回?zé)崾叫∑啓C(jī)驅(qū)動(dòng)，高加抽汽除超高排外，其余由回?zé)崾津?qū)動(dòng)小汽機(jī)提供；設(shè)置功率平衡發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)功率平衡；采用12 級(jí)回?zé)嵯到y(tǒng)，設(shè)5 個(gè)高壓加熱器（以下簡(jiǎn)稱“高加”）、1 個(gè)除氧器和6 個(gè)低壓加熱器（以下簡(jiǎn)稱“低加”）[2]；10 號(hào)低加疏水段設(shè)疏水泵；汽封系統(tǒng)采用自密封系統(tǒng)。

1.3 汽機(jī)總體方案

汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)35 MPa/615 ℃/630 ℃/620 ℃，采用兩次中間再熱、單軸、五缸四排汽形式，機(jī)組依次由1 個(gè)單流超高壓缸、1 個(gè)單流高壓缸、1 個(gè)雙分流中壓缸和2 個(gè)雙分流低壓缸組成，各汽缸串聯(lián)、單軸雙支撐布置，所有軸承支撐在基礎(chǔ)上。閥門就近布置于機(jī)組兩側(cè)，全部切向進(jìn)汽。

總體設(shè)計(jì)思想來(lái)源于傳統(tǒng)多缸汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)方法，采用成熟可靠的多死點(diǎn)滑銷系統(tǒng)。3 個(gè)絕對(duì)死點(diǎn)分別位于A 低壓缸、B 低壓缸汽機(jī)側(cè)支撐臂、中低軸承箱底部橫向定位鍵與縱向?qū)蜴I的交點(diǎn)處；汽輪機(jī)相對(duì)死點(diǎn)——推力軸承布置在超高壓缸與高壓缸之間的軸承箱上。

機(jī)組采用超高壓—高壓—中壓3 缸聯(lián)合啟動(dòng)的方式，該啟動(dòng)方式已在國(guó)內(nèi)首臺(tái)二次再熱機(jī)組華能安源上得到成熟應(yīng)用，并采用三級(jí)串聯(lián)旁路系統(tǒng)。

1.3.1 閥門

采用無(wú)調(diào)節(jié)級(jí)設(shè)計(jì)方案，超高壓、高壓、中壓采用2 只主汽閥帶2 只調(diào)節(jié)汽閥的設(shè)置，高壓、中壓為聯(lián)合汽閥，超高壓、高壓、中壓主汽調(diào)節(jié)閥均布置于汽缸兩側(cè)運(yùn)行平臺(tái)上方，可簡(jiǎn)化汽缸下部管系布置，并且超高調(diào)節(jié)閥、高壓、中壓聯(lián)合汽閥均與汽缸直接連接[3]，無(wú)導(dǎo)汽管，壓損小；汽缸進(jìn)汽腔室采用變截面設(shè)計(jì)，并通過(guò)有限元?dú)鈩?dòng)優(yōu)化，整個(gè)進(jìn)汽流道光順且壓損小。

1.3.2 超高壓模塊

機(jī)組超高壓模塊布置于機(jī)頭側(cè)，主汽調(diào)節(jié)閥布置于機(jī)組兩側(cè)，帶有補(bǔ)汽閥，通過(guò)上下管道進(jìn)行補(bǔ)汽，通流采用單流程方案，由電機(jī)側(cè)向機(jī)頭側(cè)流動(dòng)。超高壓模塊采用雙層缸結(jié)構(gòu)，內(nèi)缸為有大量運(yùn)行業(yè)績(jī)的紅套環(huán)筒形缸，水平切向進(jìn)汽。超高壓外缸優(yōu)化為筒形缸結(jié)構(gòu)。隨著現(xiàn)代汽輪機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，參數(shù)不斷提高，對(duì)汽輪機(jī)汽缸安全可靠性要求越來(lái)越高，設(shè)計(jì)難度越來(lái)越大。如何通過(guò)簡(jiǎn)單有效的措施保證機(jī)組安全可靠性，并延長(zhǎng)機(jī)組大修周期成為研究的重點(diǎn)。

超高壓汽缸設(shè)計(jì)通常采用雙層汽缸[4]，目前經(jīng)典設(shè)計(jì)主要有4 種（具體情況如表1 所示），在技術(shù)上均成熟可靠。

表1 不同結(jié)構(gòu)形式的汽缸對(duì)比

在此類高參數(shù)機(jī)組中采用方案4，超高壓內(nèi)缸采用筒形紅套環(huán)結(jié)構(gòu)，外缸采用前后半整體筒形汽缸把接結(jié)構(gòu)，將承壓能力強(qiáng)的兩種經(jīng)典結(jié)構(gòu)完美結(jié)合，保證了機(jī)組安全可靠性高，滿足用戶長(zhǎng)大修周期的需求?？梢灶A(yù)期將來(lái)700 ℃等級(jí)主汽壓力進(jìn)一步發(fā)展到40 MPa 甚至以上，此結(jié)構(gòu)依然是最安全可靠的選擇。目前正在執(zhí)行的中興蓬萊和大唐鄆城項(xiàng)目正是采用上述方案，相關(guān)設(shè)計(jì)、工藝研究已經(jīng)完成，其中的筒形內(nèi)缸結(jié)構(gòu)已在華能安源（31 MPa）、神華萬(wàn)州（28 MPa）、榆能橫山（28 MPa）等多個(gè)項(xiàng)目上得到大量應(yīng)用。

1.3.3 高壓模塊

機(jī)組高壓缸采用單流雙層缸結(jié)構(gòu)，水平切向進(jìn)汽，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便。整個(gè)模塊與超超臨界660 MW 分缸機(jī)組中壓模塊類似，有多臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行業(yè)績(jī)。高壓模塊采用小焓降多級(jí)次單流設(shè)計(jì)方案，有效提高了機(jī)組通流葉片相對(duì)葉高，比采用雙流結(jié)構(gòu)效率更佳。

1.3.4 中壓模塊

機(jī)組中壓缸采用雙分流對(duì)稱布置結(jié)構(gòu)。整個(gè)模塊結(jié)構(gòu)采用常規(guī)1 000 MW 中壓缸結(jié)構(gòu)，但其相比常規(guī)中壓缸具有進(jìn)汽溫度高（630 ℃）、壓力低（3 MPa）的特點(diǎn)。針對(duì)溫度高的特點(diǎn)，中壓缸延續(xù)了傳統(tǒng)雙層缸結(jié)構(gòu)，采用梯度式溫度分區(qū)結(jié)構(gòu)，使其具有合理的溫度場(chǎng)，同時(shí)內(nèi)缸采用耐高溫鑄鋼。由于壓力低，因此中壓容積流量大于常規(guī)1 000 MW 機(jī)組，同時(shí)由于機(jī)組容量增加，中壓通流面積增大，中壓內(nèi)、外缸尺寸略大于常規(guī)1 000 MW 中壓汽缸。

1.3.5 低壓模塊

國(guó)內(nèi)制造商在大型低壓缸設(shè)計(jì)方面一直處于世界先進(jìn)水平，先后設(shè)計(jì)了空冷863 mm 低壓缸、空冷1 030 mm 低壓缸、濕冷1 200 mm 低壓缸、濕冷1 450 mm 低壓缸、核電CAP1400 等大尺寸低壓缸。根據(jù)機(jī)組設(shè)計(jì)排汽壓力，擬采用四排汽空冷1 030 mm低壓模塊。

2 630 ℃等級(jí)汽輪機(jī)高溫材料研究

科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家在高參數(shù)汽輪機(jī)高溫部件用材和涂層方面一直系統(tǒng)、持續(xù)地開展研發(fā)和應(yīng)用工作，以長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái)，聯(lián)合國(guó)內(nèi)外知名院校和世界一流的大型鑄鍛件企業(yè)共同開展研發(fā)工作。通過(guò)材料軟件計(jì)算機(jī)輔助開發(fā)、規(guī)模性試料取樣試驗(yàn)、模擬件試制及全尺寸性能分析等方法，目前已形成了用于不同零件、不同工況下的系列高溫耐熱鋼性能數(shù)據(jù)庫(kù)，保證了從亞臨界到高參數(shù)超超臨界汽輪機(jī)高溫部件設(shè)計(jì)選材的需求。

2.1 630 ℃等級(jí)汽輪機(jī)使用的高溫材料及涂層

對(duì)于630 ℃等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)高溫鑄件用材料，目前世界范圍內(nèi)仍然推薦采用CB2 耐熱鋼，考慮到CB2 耐熱鋼的抗高溫氧化性能，目前的研究重點(diǎn)放在了抗高溫氧化涂層方面。針對(duì)630 ℃汽輪機(jī)抗蒸汽氧化涂層技術(shù)開展了大量的研究工作，目前已經(jīng)形成了多種不同工藝以及針對(duì)不同零件表面形狀需求的工藝技術(shù)。結(jié)果表明，涂覆抗蒸汽氧化涂層具有成本低、實(shí)施效果好等優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)工程化推廣應(yīng)用。

2.2 630 ℃高溫材料的工藝研究

a）已完成630 ℃等級(jí)的N-FB2（自主開發(fā)）高中壓轉(zhuǎn)子軸徑堆焊工藝開發(fā)及性能評(píng)價(jià)。優(yōu)化并制定了有效的焊接工藝規(guī)程，規(guī)避了此類高W 材料的焊接開裂問題，并完成了堆焊接頭常規(guī)性能（包括疲勞裂紋擴(kuò)展速率）評(píng)價(jià)，充分具備了軸徑堆焊制造技術(shù)條件。

b）針對(duì)鍋爐管道用G115 材料（汽輪機(jī)涉及進(jìn)汽管與閥門的焊接，即G115+CB2），制造商一方面參與并完成G115 大管焊接顯微缺陷控制工藝攻關(guān)應(yīng)用，順利確保了新型G115 管道在630 ℃項(xiàng)目焊接工程應(yīng)用的可行性；另一方面，完成了G115+CB2的異種焊接及熱處理工藝定型，完成焊接接頭常規(guī)力學(xué)性能、高溫強(qiáng)度、高溫持久（累計(jì)試驗(yàn)已超過(guò)20 000 h）性能、常溫/高溫低周疲勞性能和630 ℃高溫長(zhǎng)時(shí)時(shí)效性能（累計(jì)已超過(guò)15 000 h）等評(píng)價(jià)工作，均滿足設(shè)計(jì)要求，充分具備閥門接管的焊接制造技術(shù)條件，且其焊接接頭的長(zhǎng)時(shí)壽命評(píng)估驗(yàn)證工作仍在進(jìn)行，為該焊接接頭的安全運(yùn)行提供了完整的保障。

3 具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效通流技術(shù)

目前，建立了以“理論優(yōu)化—廠內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證—改造機(jī)組中工業(yè)驗(yàn)證—新機(jī)組應(yīng)用”為特點(diǎn)的研制體系，完全自主地研發(fā)了第三代、第四代通流技術(shù)，不斷提高機(jī)組的通流效率水平，為不斷推動(dòng)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性提升奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。2018 年以來(lái)，采用第三代通流技術(shù)的超超臨界660 MW、1 000 MW 機(jī)組以及采用第四代通流技術(shù)改造機(jī)組的熱耗率均達(dá)到合同要求，高中壓缸效率明顯提高，表明第三代、第四代通流技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平。

3.1 已投運(yùn)超超臨界機(jī)組經(jīng)濟(jì)性情況

近3 年來(lái)自主設(shè)計(jì)的超超臨界機(jī)組投運(yùn)熱耗率100%達(dá)到合同要求，這充分說(shuō)明了汽輪機(jī)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)已達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平[5]。采用了第三代通流技術(shù)的已投運(yùn)大功率汽輪機(jī)高壓缸效率突破90%，中壓缸效率穩(wěn)定達(dá)到93.3%～94.5%，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

3.2 新一代通流技術(shù)

基于第三代通流技術(shù)，進(jìn)一步開發(fā)研究第四代通流高效流型，通過(guò)對(duì)葉片的積疊和彎曲、扭轉(zhuǎn)等三維造型的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，進(jìn)一步控制葉片端部的二次流損失[6-8]。同時(shí)采用成熟的三維計(jì)算流體力學(xué)CFD（computational fluid dynamic）軟件平臺(tái)，綜合考慮通流中諸如葉片流道、汽封流道、葉片根頂部倒圓角、抽口、補(bǔ)汽結(jié)構(gòu)，以及前后端部汽封結(jié)構(gòu)，進(jìn)行流場(chǎng)和效率的評(píng)估，并進(jìn)行必要的局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。圖1、圖2 顯示了CFD 分析及廠內(nèi)多級(jí)透平試驗(yàn)測(cè)量的能量損失沿相對(duì)葉高的變化。通過(guò)圖1、圖2 可知：CFD 分析表明靜葉應(yīng)用高效混合加載復(fù)合流型規(guī)律后通流效率收益明顯；從試驗(yàn)測(cè)得的靜葉能量損失系數(shù)沿葉高的分布對(duì)比可以看出，端部能量損失得到了有效降低。根據(jù)CFD 分析及廠內(nèi)試驗(yàn)，第四代通流技術(shù)較第三代通流技術(shù)效率提高了0~0.5%。

圖1 靜葉損失沿相對(duì)葉高的變化——基于CFD 分析

圖2 能量損失系數(shù)沿相對(duì)葉高變化試驗(yàn)

目前第四代通流技術(shù)已廣泛應(yīng)用在300 MW、700 MW、1 000 MW 等級(jí)機(jī)組改造中，考慮到改造機(jī)組受閥門布置在機(jī)頭側(cè)、進(jìn)汽壓損大、中排壓力高、中壓缸焓降短等限制條件，第四代通流技術(shù)應(yīng)用在新機(jī)上較改造機(jī)組有0～1%效率的提升。

4 大容量機(jī)組經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)

機(jī)組容量的提升意味著主蒸汽進(jìn)汽量的提高，1 350 MW 容量汽輪機(jī)組進(jìn)汽量較同參數(shù)下的1 000 MW 汽輪機(jī)組進(jìn)汽量增大0～35%，相應(yīng)汽輪機(jī)通流部分葉片高度提高，可顯著降低汽輪機(jī)通流內(nèi)部損失，提高機(jī)組效率。

汽輪機(jī)中通流部分的損失主要來(lái)源于型損、二次流損失、漏汽損失以及其他方面的損失。對(duì)于典型的超高壓缸內(nèi)的通流而言，其主要損失構(gòu)成以及占比如圖3 所示?？梢钥闯?，型損、二次流損失和漏汽損失這三方面占據(jù)了大部分的損失來(lái)源。

圖3 總效率損失百分比分布圖

4.1 型損

針對(duì)型損，通過(guò)先進(jìn)的葉型技術(shù)和流型匹配技術(shù)，可以有效地減小葉型動(dòng)、靜葉損失，具有良好的氣動(dòng)性能及變攻角性能，并已經(jīng)過(guò)多級(jí)空氣透平廠內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證及實(shí)際投運(yùn)驗(yàn)證。對(duì)于1 350 MW 容量機(jī)組，利用先進(jìn)的葉型技術(shù)和流型匹配技術(shù)，可有效減少型損。

4.2 二次流損失

二次流損失以及端部的摩擦損失，在總損失中占有較大的比重，因此控制二次流損失是提升通流效率的關(guān)鍵。二次流的形成是因?yàn)橥ǖ姥貦M向存在壓力梯度，位于端壁邊界層內(nèi)的流體由于動(dòng)能較小，無(wú)法平衡橫向壓差，導(dǎo)致邊界層內(nèi)的流體從葉片內(nèi)弧面流向背弧面。降低二次流損失最有效的方法是提高相對(duì)葉高L/b（L為絕對(duì)葉高，b為弦長(zhǎng)）水平。對(duì)于1 350 MW 容量汽輪機(jī)組，由于其進(jìn)汽量明顯增大，絕對(duì)葉高大大提高，使葉片背弧的根部、頂部區(qū)域的二次流影響范圍都大大減小，顯著降低了二次流損失在總損失中占的比例。另外，總效率隨著相對(duì)葉高的增加而升高。

4.3 漏汽損失

汽輪機(jī)動(dòng)靜部分的漏汽導(dǎo)致做功工質(zhì)損失，降低汽輪機(jī)機(jī)組效率。在汽輪機(jī)通流設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)先進(jìn)的流型加載設(shè)計(jì)，合理控制葉片根部到頂部的反動(dòng)度，可以降低通流內(nèi)部漏汽損失。同時(shí)結(jié)合機(jī)組整體設(shè)計(jì)方案，如通流設(shè)計(jì)、汽缸結(jié)構(gòu)、滑銷系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行特性等，選取合適的汽封形式，可以有效地控制漏汽損失。

對(duì)于同參數(shù)等級(jí)的機(jī)組，由于其機(jī)組形式、分缸壓力、通流設(shè)計(jì)等方面接近，漏汽量絕對(duì)值基本相當(dāng)，而提高機(jī)組容量，能夠顯著減小漏汽損失占機(jī)組總出力的比例，減小漏汽損失對(duì)機(jī)組效率的影響。

機(jī)組容量提升至1 350 MW 以后，由于機(jī)組通流葉片高度提高，二次流損失減小，同時(shí)漏汽損失占機(jī)組總出力比例減小，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步改善。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用二次再熱技術(shù)、新一代高效通流、末級(jí)葉片及提高初參數(shù)等技術(shù)措施提升汽輪機(jī)性能和系統(tǒng)熱效率[9-10]。技術(shù)指標(biāo)在現(xiàn)有運(yùn)行機(jī)組上大幅提高，方案整體的創(chuàng)新思路與技術(shù)水平在火電行業(yè)內(nèi)起引領(lǐng)作用，可使我國(guó)燃煤機(jī)組清潔化技術(shù)再上一個(gè)新的臺(tái)階。

綜上所述，本項(xiàng)目汽機(jī)參數(shù)采用35 MPa/615 ℃/630 ℃/620 ℃，經(jīng)大量試驗(yàn)驗(yàn)證、數(shù)值模擬、縱橫向?qū)Ρ确治霰砻?，該參?shù)對(duì)汽輪機(jī)研制是可行的，機(jī)組技術(shù)指標(biāo)領(lǐng)先，設(shè)備安全可靠先進(jìn)。作為世界首個(gè)最大容量的二次再熱機(jī)組，進(jìn)汽參數(shù)、機(jī)組效率、經(jīng)濟(jì)性均為目前最領(lǐng)先的機(jī)組。