我國大型汽輪機技術(shù)研究進(jìn)展與展望

史進(jìn)淵， 李 軍， 劉 霞， 楊 宇， 孫 慶， 夏心磊， 祁 昊

(1． 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240；2． 西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 西安 710049；3． 上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機廠， 上海 200240)

汽輪機是煤電機組、核電機組、燃?xì)馀c蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組與太陽能光熱發(fā)電機組的關(guān)鍵設(shè)備。由于我國能源結(jié)構(gòu)的特點，汽輪機是我國能源高效轉(zhuǎn)換與潔凈利用系統(tǒng)的核心動力裝備。

為了提高汽輪機的效率，將汽輪機的進(jìn)汽參數(shù)提高到超臨界和超超臨界參數(shù)，此時材料強度接近使用極限，進(jìn)汽密度增大引發(fā)汽流激振從而影響軸系穩(wěn)定性。為了保證高參數(shù)汽輪機的安全服役，需要加快結(jié)構(gòu)強度與壽命、軸系動特性以及高溫材料等方面關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。隨著汽輪機功率增大到1 000～1 755 MW，汽輪機部件尺寸增大，面臨大型鑄鍛件制造技術(shù)難題，超長軸系則面臨復(fù)雜的振動問題。伴隨著可再生能源發(fā)電機組裝機容量的增加，電站汽輪機需快速起動與常態(tài)化深度調(diào)峰，從而影響汽輪機的壽命與安全性。為了保證汽輪機的安全服役，需要研究有關(guān)一鍵起停與熱應(yīng)力監(jiān)控、結(jié)構(gòu)強度與壽命等方面的關(guān)鍵技術(shù)。

在提高汽輪機參數(shù)方面，歐洲、日本和美國正在研發(fā)700 ℃超超臨界汽輪機；在增大汽輪機功率方面，歐洲正在建設(shè)歐洲壓水堆EPR第三代核電機組，采用大型核電汽輪機[1]。在煤電機組汽輪機的安全服役年限方面，全球范圍服役年限最長超60 a，歐洲大部分煤電機組汽輪機的服役年限超過50 a；美國燃煤發(fā)電廠汽輪機的平均使用年限為42 a，有11%超過60 a[2]。過去核電汽輪機設(shè)計壽命要求為40 a，目前設(shè)計壽命提高到60 a[3]。

從21世紀(jì)起，我國汽輪機技術(shù)得到快速發(fā)展[4]。國內(nèi)生產(chǎn)的610～620 ℃單軸1 000 MW二次再熱火電汽輪機、620 ℃單軸1 240 MW一次再熱火電汽輪機、AP1000和EPR第三代壓水堆核電站使用的1 250 MW和1 755 MW半速核電汽輪機均已經(jīng)投運，630 ℃單軸1 000 MW二次再熱汽輪機和630 ℃高低位布置的雙軸1 350 MW二次再熱汽輪機即將投運[1]。筆者回顧總結(jié)了過去10年我國在提高汽輪機效率、保證汽輪機安全服役與靈活運行等方面技術(shù)研究的重要進(jìn)展，并展望下一步汽輪機技術(shù)研究方向，這對于我國汽輪機的技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

1 汽輪機技術(shù)發(fā)展的背景

針對汽輪機高效率、安全服役與靈活運行的技術(shù)需求，需要研究解決汽輪機高參數(shù)、大容量、長壽命、高可靠性、快速起動和深度調(diào)峰等技術(shù)難題，如表1所示。

表1 汽輪機的技術(shù)需求與關(guān)鍵技術(shù)Tab.1 Technical requirements and key technologies of steam turbines

針對汽輪機的高效率與靈活運行的新要求，國內(nèi)發(fā)展了汽輪機通流部分優(yōu)化與寬負(fù)荷性能優(yōu)化等技術(shù)；針對620～630 ℃的高參數(shù)火電汽輪機運行40 a與核電汽輪機運行60 a的長壽命和高可靠性的新要求，國內(nèi)發(fā)展了汽輪機的結(jié)構(gòu)強度與壽命、軸系動特性與支撐以及高溫材料與焊接轉(zhuǎn)子等技術(shù)；針對汽輪機快速起動與深度調(diào)峰的靈活性等新要求，國內(nèi)發(fā)展了汽輪機一鍵起停與熱應(yīng)力監(jiān)控等技術(shù)。

下一步開發(fā)的700 ℃火電汽輪機技術(shù)、2 000 MW等級核電汽輪機技術(shù)和汽輪機智能技術(shù)，目標(biāo)是在安全服役的前提下實現(xiàn)高效率與靈活運行。

2 通流部分優(yōu)化

2.1 全三維流場定常分析

在汽輪機一維、準(zhǔn)三維通流設(shè)計滿足總體性能要求的基礎(chǔ)上，全三維流場定常氣動計算技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)品的設(shè)計流程。隨著數(shù)值技術(shù)和計算機硬件的發(fā)展，汽輪機通流部分全三維流場分析和氣動性能評估在精度和速度上滿足了汽輪機設(shè)計的需求[5]。我國研制的大功率電站汽輪機采用了先進(jìn)的全三維葉片氣動設(shè)計技術(shù)。除低壓缸的末三級葉片外，汽輪機超高壓缸、高壓缸、中壓缸與低壓缸的葉片均采用了馬刀型的全三維彎扭的靜葉片和動葉片，氣動效率得到顯著提升。

2.2 非定常流動特性分析

汽輪機通流部分的非定常流動特性主要是由動葉片與靜葉片之間的相對運動引起的動靜干涉效應(yīng)造成的[6]。汽輪機通流部分的全三維設(shè)計已經(jīng)從定常設(shè)計發(fā)展到考慮非定常干涉作用下的時序效應(yīng)設(shè)計階段。非定常流動特性改變了葉片的載荷特性，進(jìn)而影響汽輪機級的熱功轉(zhuǎn)換和氣動效率。采用非定常數(shù)值手段進(jìn)行動靜干涉效應(yīng)下的汽輪機通流內(nèi)部損失機理及二次流時空演化特性分析，可以為汽輪機通流設(shè)計優(yōu)化提供更加詳實的參考依據(jù)。

2.3 氣動性能優(yōu)化設(shè)計

隨著計算流體動力學(xué)的發(fā)展，全三維氣動數(shù)值求解方法進(jìn)入汽輪機通流部分精細(xì)化氣動性能優(yōu)化的設(shè)計流程。采用汽輪機通流部分設(shè)計變量的不確定性量化方法，通過基于數(shù)據(jù)挖掘的設(shè)計變量敏感度分析，獲得對通流效率具有顯著影響的設(shè)計變量，以提高設(shè)計質(zhì)量和加速設(shè)計周期。從氣動力學(xué)角度，我國在1 000 MW汽輪機的通流設(shè)計中采用了反動度數(shù)值優(yōu)化的設(shè)計方法，通過反動度的尋優(yōu)設(shè)計，確定葉片級的幾何尺寸、焓降、進(jìn)汽角和出汽角特性，獲得最優(yōu)的整體通流效率。

3 寬負(fù)荷性能優(yōu)化

3.1 寬負(fù)荷通流性能優(yōu)化

高壓和中壓通流采用等根徑焓降優(yōu)化分配設(shè)計，低壓通流采用最佳焓降匹配、最佳反動度設(shè)計，高壓和中壓各級排汽角均為軸向排汽設(shè)計。通過采用高效寬負(fù)荷葉型，葉型端部二次流損失明顯改善，能量損失系數(shù)減小，級性能提高；靜葉葉型損失平均減小1%，動葉葉型損失平均減小1.1%。增強了變工況適應(yīng)性，高壓缸與中壓缸效率在低負(fù)荷工況下提高約2%。

對低壓末級靜葉片和動葉片彎曲、扭曲的型線等結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使末級氣動性能有所改善，動葉片優(yōu)化后還減小了末級余速損失，使得末級效率提高。優(yōu)化改進(jìn)后級效率和寬負(fù)荷適應(yīng)性有一定提升，不僅在設(shè)計工況的性能得到提高，低負(fù)荷工況的性能也得到改善，且收益更大。將末級葉片和低壓排汽腔室一起進(jìn)行氣動性能耦合優(yōu)化，獲得氣動性能更優(yōu)的低壓排汽腔室。集成采用高效寬負(fù)荷葉型、末級葉片優(yōu)化改進(jìn)、進(jìn)汽和排汽腔室優(yōu)化改進(jìn)，可使低壓缸效率提高0.5%～1.5%。

3.2 調(diào)峰性能優(yōu)化

當(dāng)大功率汽輪機在日常運行中承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)時，需要研究掌握寬負(fù)荷高效汽輪機的調(diào)峰性能優(yōu)化技術(shù)。針對調(diào)峰汽輪機寬負(fù)荷變工況運行的特點，以變工況性能較好的后加載葉型為母型，開發(fā)高效寬負(fù)荷葉型，以滿足常態(tài)化深度調(diào)峰與寬負(fù)荷變工況高效運行的要求，并對汽輪機的高壓模塊、中壓模塊和低壓模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。高壓模塊優(yōu)化為單流程的圓筒形多層缸結(jié)構(gòu)，中壓模塊優(yōu)化為多層缸和雙分流結(jié)構(gòu)，低壓內(nèi)缸和低壓軸承箱均采用落地式結(jié)構(gòu)[7]。采用新型汽封技術(shù)，汽輪機不同部位選擇迷宮、側(cè)齒、蜂窩、自調(diào)整、刷式和小間隙等不同形式的汽封組合方案，相比單一形式汽封方案，組合方案具有更好的節(jié)能效果。

應(yīng)用汽輪機冷端優(yōu)化技術(shù)，結(jié)合煤炭價格、機組年運行狀況和當(dāng)?shù)貧庀髼l件，對冷卻塔的有效面積與收水高度、凝汽器面積和循環(huán)水泵選型等進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。具備抽汽供熱的汽輪機，可以結(jié)合蓄熱系統(tǒng)參與調(diào)峰，也可以采用低壓缸少汽運行方式，將做功與供熱進(jìn)行切換參與調(diào)峰，以優(yōu)化汽輪機的調(diào)峰性能。

4 結(jié)構(gòu)強度與壽命

4.1 抗高溫蠕變變形設(shè)計

隨著大型汽輪機進(jìn)汽參數(shù)的提高，汽輪機材料強度接近使用極限，汽輪機高溫部件面臨蠕變變形問題。建立汽輪機高溫部件的三維有限元計算模型，考慮部件力載荷與溫度梯度，采用有限元分析法計算得出汽輪機高溫部件280 000 h(約40 a)的馮·米塞斯(von Mises)等效應(yīng)力σeq、3個主應(yīng)力(σ1,σ2,σ3)、3個主應(yīng)變(ε1,ε2,ε3)和6個應(yīng)變分量(εx,εy,εz,εxy,εxz,εyz)的計算結(jié)果，確定汽輪機高溫部件蠕變變形的2個設(shè)計量，即沿危險截面平均最大主應(yīng)變ε1m和局部最大主應(yīng)變ε1max。依據(jù)等效應(yīng)力σeq、靜水壓力σ=(σ1+σ2+σ3)/3、材料蠕變的Norton指數(shù)和sinh(x)函數(shù)，計算汽輪機高溫部件蠕變變形設(shè)計的Cocks與Ashby系數(shù)FCA[8]，計入多軸韌性對高溫部件蠕變失效的影響。

按塑性力學(xué)中“應(yīng)變分析”的方法確定沿危險截面平均最大主應(yīng)變ε1m，考慮多軸蠕變效應(yīng)的Cocks與Ashby系數(shù)FCA后，汽輪機高溫部件蠕變變形的第1個設(shè)計判據(jù)為ε1m×FCA≤1%；采用有限元分析得出局部最大主應(yīng)變ε1max，汽輪機高溫部件蠕變變形的第2個設(shè)計判據(jù)為ε1m×FCA≤30%。

4.2 多工況強度設(shè)計

大型汽輪機快速起動時，汽輪機關(guān)鍵部件面臨多工況強度設(shè)計問題。采用有限元分析方法，計算在汽輪機穩(wěn)態(tài)額定工況下關(guān)鍵部件沿危險截面各應(yīng)力分量的積分平均值和表面等效應(yīng)力，并計算起停與變負(fù)荷瞬態(tài)工況的局部應(yīng)力，利用材料試件(處于單軸應(yīng)力狀態(tài))力學(xué)性能的試驗數(shù)據(jù)，開展汽輪機關(guān)鍵部件多軸應(yīng)力狀態(tài)的多工況強度設(shè)計。

采用第四強度理論計算多軸應(yīng)力的等效應(yīng)力，采用塑性失效準(zhǔn)則進(jìn)行汽輪機關(guān)鍵部件強度的分析設(shè)計，即對穩(wěn)態(tài)額定工況采用考慮極限載荷的極限設(shè)計方法，對起動、停機與變負(fù)荷瞬態(tài)工況采用考慮安定載荷的安定性設(shè)計方法[9]。第1個設(shè)計判據(jù)是在穩(wěn)態(tài)額定工況下由危險截面各應(yīng)力分量的積分平均值計算得出等效應(yīng)力小于部件許用應(yīng)力；第2個設(shè)計判據(jù)是穩(wěn)態(tài)額定工況的表面等效應(yīng)力小于材料屈服極限；第3個設(shè)計判據(jù)是起動、停機與變負(fù)荷瞬態(tài)工況的局部等效應(yīng)力小于1.5～2倍材料屈服極限。

4.3 總壽命設(shè)計

伴隨著可再生能源消納比例的不斷增長，大型汽輪機參與深度調(diào)峰，汽輪機部件面臨安全性與總壽命設(shè)計問題。在汽輪機的起動、停機、深度調(diào)峰與變負(fù)荷等瞬態(tài)工況，汽輪機關(guān)鍵部件會產(chǎn)生低周疲勞裂紋萌生與裂紋擴展。在汽輪機帶負(fù)荷穩(wěn)態(tài)額定工況，工作溫度與力載荷引起的蠕變作用會導(dǎo)致汽輪機關(guān)鍵部件產(chǎn)生蠕變裂紋萌生與裂紋擴展。在汽輪機使用過程中，起動、停機、深度調(diào)峰與變負(fù)荷等瞬態(tài)工況和帶負(fù)荷穩(wěn)態(tài)額定工況交替出現(xiàn)，汽輪機關(guān)鍵部件交替發(fā)生低周疲勞與蠕變損傷，在該交互作用下汽輪機關(guān)鍵部件發(fā)生裂紋萌生與裂紋擴展。汽輪機關(guān)鍵部件低周疲勞裂紋萌生與裂紋擴展的壽命單位是疲勞循環(huán)次數(shù)，而蠕變裂紋萌生與裂紋擴展的壽命單位是運行小時數(shù)，2種損傷機理作用下總壽命設(shè)計面臨壽命單位不同的技術(shù)難題。

在分別計算汽輪機關(guān)鍵部件的低周疲勞裂紋萌生壽命、蠕變裂紋萌生壽命、低周疲勞裂紋擴展壽命、蠕變裂紋擴展壽命的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了年均低周疲勞與蠕變裂紋萌生壽命損耗以及年均低周疲勞與蠕變裂紋擴展壽命損耗2個新的物理量[10]，獲得低周疲勞與蠕變裂紋萌生日歷壽命以及低周疲勞與蠕變裂紋擴展日歷壽命。

將裂紋萌生日歷壽命和裂紋擴展日歷壽命相加得出汽輪機關(guān)鍵部件的日歷總壽命。完成了2臺超臨界600 MW汽輪機高壓內(nèi)缸外表面壽命薄弱部位總壽命的計算分析和電站服役的工程驗證實例，結(jié)果表明，1號和2號汽輪機高壓內(nèi)缸總壽命計算的相對誤差分別為4.12%和-0.48%[11]，總壽命的計算結(jié)果符合電站服役的工程實際。

4.4 轉(zhuǎn)子高周疲勞壽命

大尺寸汽輪機轉(zhuǎn)子面臨高周疲勞問題，這是影響核電汽輪機60 a日歷總壽命的因素之一。上百噸汽輪機的轉(zhuǎn)子采用大跨距軸承支撐，在轉(zhuǎn)子自身重力載荷的作用下，轉(zhuǎn)子重心以上部位的外表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，轉(zhuǎn)子重心以下部位的外表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。汽輪機每轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子外表面某一點承受轉(zhuǎn)子自重作用而產(chǎn)生疲勞循環(huán)一次。對于半速核電汽輪機，每秒疲勞循環(huán)25次，若每年運行7 000 h，則30 a高周疲勞循環(huán)1.89×1010次、40 a高周疲勞循環(huán)2.52×1010次、60 a高周疲勞循環(huán)3.78×1010次[3]。

對于汽輪機帶負(fù)荷穩(wěn)態(tài)額定工況，建立汽輪機轉(zhuǎn)子的三維力學(xué)模型，計算得出轉(zhuǎn)子的溫度場、高周疲勞循環(huán)的最大應(yīng)力σmaxH、最小應(yīng)力σminH和應(yīng)力范圍ΔσH。通過材料疲勞試驗可以確定應(yīng)力比為R的疲勞裂紋擴展門檻值ΔKth，R、疲勞裂紋擴展速率Paris公式的材料試驗常數(shù)C0和m0。采用斷裂力學(xué)方法可以計算出轉(zhuǎn)子高周疲勞裂紋擴展的裂紋尺寸界限值ath、高周疲勞臨界裂紋尺寸acH以及裂紋尺寸從ath至acH的高周疲勞裂紋擴展壽命NfH。在汽輪機使用過程中，汽輪機的起動、帶負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運行和停機等工況交替出現(xiàn)，轉(zhuǎn)子交替發(fā)生低周疲勞損傷與高周疲勞損傷。

汽輪機轉(zhuǎn)子疲勞裂紋擴展由2個階段組成，在汽輪機轉(zhuǎn)子疲勞裂紋擴展的第一階段，由于裂紋尺寸a≤ath，裂紋擴展的主要損傷機理為低周疲勞，計算汽輪機轉(zhuǎn)子在低周疲勞作用下第一階段疲勞裂紋擴展日歷壽命τCL,f1。在汽輪機轉(zhuǎn)子疲勞裂紋擴展的第二階段，裂紋尺寸a>ath，裂紋擴展的主要損傷機理為低周疲勞和高周疲勞的交互作用，計算汽輪機轉(zhuǎn)子在低周疲勞與高周疲勞交互作用下第二階段疲勞裂紋擴展日歷壽命τCL,f2。

在汽輪機服役期內(nèi)，轉(zhuǎn)子疲勞裂紋擴展日歷壽命τCL,f為τCL,f1與τCL,f2之和。完成了某型號1 000 MW半速核電汽輪機采用焊接低壓轉(zhuǎn)子的母材外表面壽命薄弱部位的疲勞裂紋擴展日歷壽命計算，雖然該轉(zhuǎn)子疲勞裂紋擴展日歷壽命超過了40 a，但沒有達(dá)到核電站業(yè)主要求的60 a。研究得出2種不同的改進(jìn)方案可供選用，方案一是在設(shè)計階段將該轉(zhuǎn)子表面壽命薄弱部位的圓弧半徑增大50%，適用于核電汽輪機研制過程的設(shè)計改進(jìn)；方案二是在運行階段將該核電汽輪機的年均停機次數(shù)從99次減少到66次[12]，適用于在役核電汽輪機運維過程的設(shè)備管理。采用2種改進(jìn)方案后，均能使該核電汽輪機轉(zhuǎn)子表面壽命薄弱部位的疲勞裂紋擴展日歷壽命達(dá)到核電站業(yè)主要求的60 a。

5 軸系動特性與支撐

5.1 大型重載軸承

近十年來，1 000 MW級超超臨界機組與大容量半速核電機組的低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機轉(zhuǎn)子采用徑向支撐軸承，呈現(xiàn)大直徑和高比壓特點。已研制出的1 000 MW級超超臨界機組(900～1 240 MW)和核電半速機組(1 000～1 755 MW)所采用徑向支撐軸承的最大直徑分別達(dá)到560 mm和800 mm，軸承的最大設(shè)計工作比壓分別達(dá)3.0 MPa和2.7 MPa，已接近最大設(shè)計許用比壓3.2 MPa。為保證重載高承載能力和油膜優(yōu)良的潤滑特性，這些機組常采用帶有特殊槽和油囊的固定瓦(如圓瓦和橢圓瓦)軸承，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如優(yōu)化改進(jìn)的袋式圓瓦軸承，1 000 MW級核電機組也有應(yīng)用瓦張角不同的可傾瓦塊軸承等。

基于非線性的軸承潤滑油膜特性數(shù)值計算分析結(jié)果，建成更接近實際情況的大型重載軸承油膜特性數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用于重載軸承支承下的軸系動力學(xué)特性設(shè)計。在直徑為500 mm的徑向軸承試驗臺上進(jìn)行了軸承潤滑油的流量功耗以及動態(tài)油膜剛度的實測。在1 500 MW發(fā)電機轉(zhuǎn)子廠內(nèi)動平衡試驗條件下，開展了直徑為800 mm重載軸承的動特性實測研究，并對單機容量為1 755 MW級半速核電機組發(fā)電機用橢圓軸承進(jìn)行了試驗研究，為大型重載軸承的動特性設(shè)計方法提供了試驗驗證。

5.2 軸系適配組合

為滿足多品種、高參數(shù)和大容量機組的設(shè)計需求，機組軸系的組合呈現(xiàn)多種形式，同時軸系動特性和安全穩(wěn)定性技術(shù)難度也更大，促使軸系振動設(shè)計技術(shù)水平不斷提高。全速單軸高參數(shù)超大容量火電機組的最大功率為1 240 MW，包括發(fā)電機的軸系總長為55 m，采用五缸(高壓缸、中壓缸和3個低壓缸)六排汽，高壓轉(zhuǎn)子雙支承，其余轉(zhuǎn)子單支承，五轉(zhuǎn)子六軸承。全速雙軸機組最大功率為1 350 MW，采用高低位雙軸布置，高位機兩缸(超高壓缸、高壓缸)，低位機五缸(中壓缸2個、低壓缸3個)六排汽。高位機轉(zhuǎn)子單支承，兩根轉(zhuǎn)子三軸承；低位機轉(zhuǎn)子單支承，五根轉(zhuǎn)子六軸承。高位機采用帶彈簧隔振器的混凝土基礎(chǔ)與鋼架基礎(chǔ)組合，低位機置于汽輪機廠房鋼筋混凝土基座上。半速單軸核電機組最大功率為1 755 MW，包括發(fā)電機的軸系總長為70 m，采用四缸六排汽，四轉(zhuǎn)子八軸承，均采用落地軸承座和彈簧隔振基礎(chǔ)。

5.3 彈簧隔振基礎(chǔ)

大容量全速單軸火電機組和半速單軸核電機組的開發(fā)，使得長軸系下軸系剛性下降以及軸系低階臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)一步降低，汽輪機基座選用彈簧隔振基礎(chǔ)，使得基礎(chǔ)低階主模態(tài)頻率降低、避開了軸系的低階臨界轉(zhuǎn)速，同時減少了汽輪發(fā)電機組與廠房內(nèi)設(shè)備的振動傳遞。過去十年，彈簧隔振基礎(chǔ)在半速核電機組得以廣泛應(yīng)用，在火電超超臨界二次再熱機組中也有應(yīng)用。按實物機組軸系和彈簧隔振基礎(chǔ)縮小10倍尺寸，建立了軸系與彈簧隔振基礎(chǔ)系統(tǒng)動特性模型試驗臺[13]；開展現(xiàn)場650～1 755 MW核電機組振動特性測試以及三維有限元建模分析，進(jìn)一步掌握了彈簧隔振基礎(chǔ)支撐下機組軸系動力學(xué)特性的設(shè)計分析技術(shù)和大型彈簧隔振基礎(chǔ)的設(shè)計技術(shù)。

在軸系靜動態(tài)特性的計算分析方面，基于三維有限元動態(tài)子結(jié)構(gòu)法對機組的轉(zhuǎn)子、軸承油膜與軸承座、其他靜子載荷以及彈簧隔振基礎(chǔ)進(jìn)行實體建模，將彈簧隔振基礎(chǔ)作為1個子結(jié)構(gòu)[14]，進(jìn)行機組與彈簧隔振基礎(chǔ)聯(lián)合振動條件下的軸系動力學(xué)特性計算分析，實現(xiàn)了在設(shè)計階段對機組軸系與彈簧隔振基礎(chǔ)的匹配性進(jìn)行預(yù)測分析和優(yōu)化設(shè)計改進(jìn)。這些理論分析和試驗研究為大容量汽輪發(fā)電機組和彈簧隔振基礎(chǔ)在多模塊下的軸系動力學(xué)特性設(shè)計與計算軟件的開發(fā)提供了試驗驗證。

6 高溫材料與焊接轉(zhuǎn)子

6.1 620 ℃先進(jìn)鐵素體鋼

在600 ℃汽輪機大量采用鐵素體鋼的基礎(chǔ)上，對已有600 ℃轉(zhuǎn)子鋼和鑄鋼添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Co和100×10-6(即100 ppm)的B，并對Si、Mn和Ni含量進(jìn)行了微量調(diào)整，得到含Co和B的新型9%Cr鐵素體鋼FB2M和CB2M(其中9%為Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù))。全尺寸模擬件試驗表明，F(xiàn)B2M和CB2M的高溫性能明顯優(yōu)于600 ℃用轉(zhuǎn)子鋼和鑄鋼，也優(yōu)于歐洲開發(fā)的620 ℃用轉(zhuǎn)子鋼FB2和鑄鋼CB2，F(xiàn)B2M和CB2M的最高工作溫度可達(dá)625 ℃。含Co和B的新型9%Cr鐵素體鋼FB2M和CB2M已經(jīng)在我國首臺再熱蒸汽溫度為620 ℃的淮滬電力有限公司田集第二發(fā)電廠超超臨界燃煤電站成功應(yīng)用。

6.2 630 ℃先進(jìn)鐵素體鋼

620 ℃汽輪機投入應(yīng)用新型鐵素體鋼后，國內(nèi)又開始開發(fā)適用工作溫度更高的鐵素體鋼，期望在不使用或盡可能少使用鎳基合金的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高汽輪機的進(jìn)汽溫度。通過Mo和W的復(fù)合強化進(jìn)一步提高鐵素體鋼的使用溫度，已開發(fā)完成可滿足630 ℃汽輪機使用要求的新型轉(zhuǎn)子鋼FW2、鑄鋼CW2、高溫葉片和螺栓鋼BW2。新型轉(zhuǎn)子鋼FW2的最高使用溫度比FB2M高出10 K左右。新設(shè)計超超臨界機組的二次再熱溫度已提高到630 ℃，汽輪機的高溫轉(zhuǎn)子已經(jīng)采用了高溫性能更好的FW2材料。

6.3 焊接轉(zhuǎn)子

截至2019年底，我國已經(jīng)成功焊接制造各類型焊接轉(zhuǎn)子440余根，實現(xiàn)了商業(yè)運行，并保持著零故障的記錄。焊接轉(zhuǎn)子的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，覆蓋汽輪機轉(zhuǎn)子類型有125～1 000 MW火電汽輪機低壓焊接轉(zhuǎn)子、超超臨界高壓焊接轉(zhuǎn)子、1 000 MW級核電汽輪機低壓焊接轉(zhuǎn)子、聯(lián)合循環(huán)汽輪機與光熱汽輪機的異種鋼焊接轉(zhuǎn)子等。CPR1000核電汽輪機焊接轉(zhuǎn)子已經(jīng)從2011年開始批量化生產(chǎn)。某型號“華龍一號”半速核電汽輪機低壓焊接轉(zhuǎn)子由8個鍛件焊接而成，共計有7條焊縫，轉(zhuǎn)子最大外徑達(dá)3 100 mm左右，轉(zhuǎn)子總長度約13 m，轉(zhuǎn)子質(zhì)量約283 t，末級葉片采用自主研發(fā)的1 710 mm長葉片，安裝動葉片后總質(zhì)量約315 t。2014年2月，全速超超臨界1 000 MW級汽輪機低壓焊接轉(zhuǎn)子在華能國際電力股份有限公司南通電廠成功投運。2016年12月，我國第一根600 ℃超超臨界汽輪機高中壓異種鋼焊接轉(zhuǎn)子在華電國際電力股份有限公司奉節(jié)發(fā)電廠成功投運。

聯(lián)合循環(huán)汽輪機轉(zhuǎn)子的高溫段在高溫、高壓蒸汽中工作，要求高溫段的轉(zhuǎn)子材料具有良好的高溫性能；隨著蒸汽在汽輪機中不斷膨脹做功，溫度和壓力逐漸降低，葉高不斷增長，要求低溫段的轉(zhuǎn)子材料具有較高的強度和良好的韌性。采用焊接轉(zhuǎn)子把2種不同的鍛件材料連接在一起形成整根轉(zhuǎn)子，可以滿足同一根轉(zhuǎn)子不同區(qū)域的不同材料性能的需求。光熱汽輪機轉(zhuǎn)子一端處于520 ℃以上的高溫區(qū)域，要求轉(zhuǎn)子高溫段的高溫強度好；另一端處于40～50 ℃的常溫區(qū)域，要求轉(zhuǎn)子低溫段具有較高的強度和良好的韌性，采用30Cr1Mo1V與30Cr2Ni4MoV鍛件的異種鋼焊接轉(zhuǎn)子解決了該技術(shù)難題。

7 一鍵起停與熱應(yīng)力監(jiān)控

7.1 一鍵起停

發(fā)電機組計算機分散控制系統(tǒng)(DCS)的汽輪機一鍵起停(Automatic procedure start-up/shut-down，APS)，其突出的技術(shù)特征是全盤自動化，即全工況、全過程、全自動地控制發(fā)電機組[15]。汽輪機控制系統(tǒng)(TCS)是全廠APS的重要組成部分，可實現(xiàn)汽輪機的全自動起停，提高汽輪機的自動化水平和運行安全性。在汽輪機一鍵起停系統(tǒng)的作用下，汽輪機能夠隨時安全起動，符合電廠最短起動時間和高可靠性的運行要求。在起動過程中，由汽輪機主控程序控制(SGC)整個沖轉(zhuǎn)過程，在起動前判斷機組是否滿足起動條件，在起動沖轉(zhuǎn)及帶負(fù)荷過程中，通過對關(guān)鍵部件(即閥門、轉(zhuǎn)子和汽缸)進(jìn)行熱應(yīng)力計算，得出溫差裕度，確定升速率和升負(fù)荷率。起動過程中，在適當(dāng)?shù)臅r機向汽輪機輔助系統(tǒng)及其他相關(guān)系統(tǒng)發(fā)出指令并從這些系統(tǒng)接受反饋信號，使這些輔助系統(tǒng)的狀態(tài)與汽輪機起動要求相適應(yīng)。

汽輪機主控程序可由運行人員在集控室發(fā)出起停指令，也可接受機組級協(xié)調(diào)控制指令，完成整套機組自起停。汽輪機主控程序的任務(wù)就是使汽輪機和所有需要起動的輔助系統(tǒng)安全、可靠地從停機狀態(tài)轉(zhuǎn)換到發(fā)電運行狀態(tài)。一鍵操作能自動完成的汽輪機起動與停機過程中的控制功能包括：協(xié)調(diào)從停機到滿負(fù)荷運行的自動起動過程；在不同運行工況下(包括冷態(tài)起動、溫態(tài)起動、熱態(tài)起動、極熱態(tài)起動和過臨界轉(zhuǎn)速、負(fù)荷變動)監(jiān)控?zé)釕?yīng)力；自動完成從滿負(fù)荷到投盤車的停機操作過程；在汽輪機起動和停機過程中，協(xié)調(diào)整個控制系統(tǒng)的有關(guān)設(shè)備。

7.2 熱應(yīng)力監(jiān)控

熱應(yīng)力監(jiān)控的運算結(jié)果決定了汽輪機起動過程的升速率以及負(fù)荷變動過程的最大允許負(fù)荷變化速率，是汽輪機一鍵起停不可缺少的重要參數(shù)。通過控制汽輪機耐用關(guān)鍵部件內(nèi)外溫差來控制熱應(yīng)力，以減小其疲勞壽命損耗。以超超臨界二次再熱1 000 MW機組為例，超高壓轉(zhuǎn)子、高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、超高壓主汽閥與調(diào)節(jié)閥的閥殼和超高壓外缸的缸體是熱應(yīng)力監(jiān)控的關(guān)鍵部件。

在超高壓主汽閥與調(diào)節(jié)閥的閥殼和超高壓缸外缸上分別安裝了90%深度和50%深度的2支熱電偶，作為溫度測點進(jìn)行壁溫測量。90%深度處的溫度T1表征直接接觸蒸汽并進(jìn)行熱交換的相應(yīng)閥殼與汽缸的表面溫度，50%深度處的溫度Tm表征相應(yīng)閥殼與汽缸的平均溫度[16]。由于汽輪機耐用關(guān)鍵部件熱傳導(dǎo)的延遲，Tm的變化總慢于T1的變化，二者的溫差與部件熱應(yīng)力成正比。對于超高壓轉(zhuǎn)子、高壓轉(zhuǎn)子和中壓轉(zhuǎn)子，采用內(nèi)缸90%深度處測量溫度近似表示轉(zhuǎn)子表面的溫度Ta，再通過仿真計算得出轉(zhuǎn)子平均溫度Tm和轉(zhuǎn)子中心溫度Tax。轉(zhuǎn)子表面溫度Ta和轉(zhuǎn)子平均溫度Tm的差值與轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力成正比。

汽輪機的熱應(yīng)力限制曲線是根據(jù)耐用關(guān)鍵部件材料壽命確定的，一旦超限就有可能影響汽輪機的設(shè)計壽命。為此，在汽輪機運行中需要留出一定的安全裕量，即溫差裕度。每一個關(guān)鍵耐用部件均有1個允許的溫差裕度。溫差裕度的允許值與運行人員選擇的機組起動模式有關(guān)，起動模式分為快速起動、正常起動和慢速起動3種?？焖倨饎拥脑试S溫差裕度最大，正常起動次之，慢速起動最小。當(dāng)汽輪機處于起?；蜃冐?fù)荷等瞬態(tài)工況時，蒸汽溫度的波動更容易引起汽輪機關(guān)鍵部件的溫度變化并導(dǎo)致溫差增大，TCS通過溫差裕度來決定或限制機組轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化速率，從而達(dá)到閉環(huán)控制汽輪機熱應(yīng)力的目的。

8 研究方向

8.1 700 ℃火電汽輪機技術(shù)

8.1.1 鎳基合金高溫部件

對于發(fā)電效率高達(dá)52%～55%的二次再熱700 ℃發(fā)電機組的汽輪機，超高壓轉(zhuǎn)子、高壓轉(zhuǎn)子和中壓轉(zhuǎn)子均采用焊接轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，高溫段擬采用鎳基合金，超高壓內(nèi)缸、高壓內(nèi)缸、中壓內(nèi)缸、超高壓閥殼、高壓閥殼和中壓閥殼等大型鑄件的材料擬采用鎳基合金，高溫葉片也采用鎳基合金。采用鎳基合金制造汽輪機的大型高溫部件時，大型鑄鍛件研制、結(jié)構(gòu)強度與壽命、材料力學(xué)性能和焊接轉(zhuǎn)子工藝等均有待深入研究。

8.1.2 非鎳基合金高溫轉(zhuǎn)子

為了降低700 ℃汽輪機采用鎳基合金的材料成本，采用非鎳基合金研制700 ℃汽輪機的技術(shù)方案，其主要特點是采用鐵素體鋼或奧氏體鋼材料、轉(zhuǎn)子蒸汽冷卻與焊接轉(zhuǎn)子等技術(shù)[17]。計算分析表明，由于冷卻蒸汽流量很小，對汽輪機熱耗率影響也較小，但可以有效降低700 ℃汽輪機研制的技術(shù)難度和造價。采用非鎳基合金制造700 ℃汽輪機高溫轉(zhuǎn)子時，其結(jié)構(gòu)強度與壽命、轉(zhuǎn)子冷卻技術(shù)、冷卻蒸汽對汽輪機熱力性能的影響等有待深入研究。

8.1.3 汽輪機總體布置方式

700 ℃二次再熱發(fā)電技術(shù)面臨的另一個問題是性價比問題。在傳統(tǒng)的汽輪機布置方式中，主蒸汽管道、一次再熱蒸汽管道和二次再熱蒸汽管道若采用鎳基合金，則造價昂貴。700 ℃汽輪機采用雙軸高低位布置或單軸全高位布置的技術(shù)方案可以有效縮短主蒸汽管道、一次再熱蒸汽管道和二次再熱蒸汽管道的長度以及減少鎳基合金使用量，從而有效降低機組造價。

8.2 2 000 MW等級核電汽輪機技術(shù)

8.2.1 研制關(guān)鍵技術(shù)

研制和發(fā)展CAP1700(1 900 MW)與CAP1900(2 100～2 200 MW)核電汽輪機，需要研究解決的關(guān)鍵技術(shù)包括：2 000 MW等級核電汽輪機熱力性能優(yōu)化，結(jié)構(gòu)強度與壽命設(shè)計技術(shù)，采用彈簧隔振基礎(chǔ)的汽輪發(fā)電機組軸系振動特性與穩(wěn)定性設(shè)計技術(shù)，半速飽和汽輪機2 000～2 300 mm末級長葉片研制，汽輪機大口徑主汽調(diào)節(jié)閥與再熱主汽調(diào)節(jié)閥的研制，飽和汽輪機去濕結(jié)構(gòu)與防水蝕工藝，汽輪機控制與保護(hù)系統(tǒng)研制，2 000 MW等級核電汽水分離再熱器(MSR)、高壓加熱器、低壓加熱器、除氧器與凝汽器的研制等。

8.2.2 半速長葉片

2 000～2 300 mm葉片是為CAP1700和CAP1900半速核電汽輪機開發(fā)的末級長葉片，長葉片對應(yīng)的排汽面積超過32 m2，適用于六排汽1 900～2 200 MW半速核電汽輪機。需要開展末級長葉片的氣動、強度、振動和結(jié)構(gòu)設(shè)計工作以及加工制造工藝研究，國內(nèi)已初步具備實物葉片制造條件，下一步需要開展末級長葉片動頻試驗驗證等研究工作。

2 000～2 300 mm長葉片關(guān)鍵技術(shù)包括：葉片截面二維型線和葉片積疊規(guī)律的設(shè)計優(yōu)化；末級長葉片非定常氣動性能與汽流激振特性的研究；整體圍帶葉片(Intergrated Shrouded Blade，ISB)結(jié)構(gòu)阻尼、強度與振動設(shè)計技術(shù)；帶有抽汽口的低壓缸末幾級環(huán)境下末級長葉片單目標(biāo)氣動優(yōu)化設(shè)計，以及帶有阻尼圍帶和不同形狀葉根的末級長葉片多學(xué)科與多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計；汽輪機低壓缸濕蒸汽的汽液兩相流動實驗與數(shù)值模擬方法研究[18]，以及先進(jìn)除濕技術(shù)和防水蝕工藝研究[19]。

8.3 汽輪機智能技術(shù)

8.3.1 智能設(shè)計技術(shù)

汽輪機智能設(shè)計是將計算機輔助設(shè)計(CAD)、復(fù)雜實體造型(Unigraphics，UG)等技術(shù)與人工智能相結(jié)合，利用人工智能相關(guān)理論使CAD和UG等技術(shù)結(jié)合專家知識和經(jīng)驗代替專家完成部分設(shè)計工作，從而實現(xiàn)設(shè)計更大程度的智能化。通過開發(fā)出在一定程度上能夠代替或支持專家完成創(chuàng)造性設(shè)計的任務(wù)，進(jìn)一步提高設(shè)計的智能水平和減輕設(shè)計人員的工作量。結(jié)合汽輪機設(shè)計經(jīng)驗及智能設(shè)計技術(shù)，提出汽輪機智能設(shè)計的3個研究方向：基于遺傳算法的工程物料清單方案設(shè)計；基于實例推理的部套詳細(xì)設(shè)計；基于UG二次開發(fā)的參數(shù)化建模。

8.3.2 智能制造技術(shù)

通過汽輪機智能制造，實現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計、制造、檢驗、銷售、售后運維以及設(shè)備控制到企業(yè)資源管理全流程的數(shù)據(jù)信息集成、交換、傳遞、存儲和處理。結(jié)合汽輪機制造工藝及智能制造技術(shù)，提出汽輪機智能制造的3個研究方向：基于對數(shù)據(jù)處理、分析與挖掘的標(biāo)準(zhǔn)化工藝數(shù)據(jù)平臺；基于智能編程及仿真、數(shù)字化裝配的工藝設(shè)計能力；基于融合物聯(lián)網(wǎng)、自動化和先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的制造過程管控以及具有自感知、自決策和自執(zhí)行等特征的高端數(shù)字化車間。

8.3.3 智能運維技術(shù)

智能運維是使用機器來代替人工運維，運用人機交互的方式運維監(jiān)控整個電廠系統(tǒng)，保證汽輪機全天候高效安全運行，通過運維大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)來提高汽輪機組的工作效能。根據(jù)我國智慧電廠的潛在需求，提出汽輪機智能運維的4個研究方向：基于協(xié)同設(shè)計、大數(shù)據(jù)分析和數(shù)字孿生體建模等技術(shù)的汽輪機性能仿真、負(fù)荷分配、運行優(yōu)化和性能優(yōu)化；基于人工智能技術(shù)的汽輪機設(shè)備檢測、狀態(tài)評估、壽命管理和設(shè)備管理；基于智能控制理論、數(shù)字化控制系統(tǒng)的汽輪機一次調(diào)頻控制優(yōu)化、閥門特性優(yōu)化和控制優(yōu)化；基于算法庫和專家知識庫的汽輪機故障監(jiān)測、故障預(yù)警和故障診斷。

9 結(jié)論與建議

(1) 研究并推廣應(yīng)用汽輪機的通流部分優(yōu)化技術(shù)和寬負(fù)荷性能優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)了汽輪機設(shè)計工況與寬負(fù)荷變工況的高效率，保證了汽輪機的經(jīng)濟性。

(2) 研究并推廣應(yīng)用汽輪機的結(jié)構(gòu)強度與壽命、軸系動特性與支撐以及高溫材料與焊接轉(zhuǎn)子技術(shù)，實現(xiàn)了汽輪機的長壽命與高可靠性，保證了汽輪機的安全性。

(3) 研究并推廣應(yīng)用汽輪機的一鍵起停與熱應(yīng)力監(jiān)控、結(jié)構(gòu)強度與壽命、寬負(fù)荷性能優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)了汽輪機的快速起動和深度調(diào)峰，保證了汽輪機的靈活性。

(4) 對于700 ℃火電汽輪機的研制，鎳基合金高溫部件及其焊接轉(zhuǎn)子、非鎳基合金高溫轉(zhuǎn)子、結(jié)構(gòu)強度與壽命、雙軸高低位總體布置或單軸全高位總體布置等關(guān)鍵技術(shù)有待深入研究。

(5) 對于2 000 MW等級核電汽輪機的研制，熱力性能優(yōu)化、結(jié)構(gòu)強度與壽命、彈簧隔振基礎(chǔ)、2 000 ～2 300 mm末級長葉片、去濕結(jié)構(gòu)與防水蝕工藝、控制與保護(hù)系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)有待深入研究。

(6) 對于汽輪機智能技術(shù)的開發(fā)，智能化方案設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計以及參數(shù)化建模、標(biāo)準(zhǔn)化工藝數(shù)據(jù)平臺、數(shù)字化工藝設(shè)計和高端數(shù)字化車間、基于人工智能的性能優(yōu)化與控制優(yōu)化以及設(shè)備管理和故障診斷等關(guān)鍵技術(shù)有待深入研究。