660 MW超超臨界二次再熱汽輪機結構特點

張曉東，方宇，唐清舟，王建偉

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

660 MW超超臨界二次再熱汽輪機結構特點

張曉東，方宇，唐清舟，王建偉

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

為了進一步提高效率，節能減排，公司研制了超超臨界高參數二次再熱汽輪機組。文章主要介紹了公司660 MW高參數二次再熱汽輪機結構特點，著重闡述了機組技術繼承性、安全可靠性、使用性，該機組也將成為國內首個660 MW二次再熱汽輪機組。

超超臨界，二次再熱，結構特點

0　引言

隨著全球經濟和社會的快速發展，低碳經濟越來越受到關注，根據我國能源的特點，發電能源的構成以煤為主的格局仍將持續相當長的時間，提高機組效率無疑具有極高的國家能源戰略意義。綜合利用現有技術，進一步提高參數和采用二次再熱技術是燃煤機組目前提高效率最有效的手段。

歐、美、日等發達國家早已積極開展了高效機組的研究和使用，20世紀歐、美、日就已有多臺二次再熱機組投運，如日立的姬路6#機、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、日紛紛開展了“AD700”、“A-USC”等高參數汽輪機技術的研發計劃，目標是開發35 MPa/700℃/720℃ （/720℃）的一次或二次再熱機組，機組效率達到或超過50%。

與此同時，基于目前材料、制造技術水平，歐、美、日等國家已經在現有超超臨界機組上進一步提高了機組參數，如日立于2009年投運的新磯子電廠參數就達到了25 MPa/600℃/620℃。當然國內發電行業也及時跟蹤并進行了高參數機組的開發，東方汽輪機有限公司 （以下簡稱東汽）也完成了重慶萬州項目 （28 MPa/600℃/620℃）的技術研發和高參數二次再熱機組的研發。

東汽高參數二次再熱機組的參數范圍為28～32 MPa/600℃/620℃/620℃，其基本開發思路是充分利用現有超超臨界機組的運行經驗，繼承現有的成熟技術，采用先進的通流技術和高效熱力系統，保證機組具有高效、成熟、安全可靠、維護方便等特點，綜合性能達到世界一流水平。

本文主要介紹東汽研發的660 MW超超臨界二次再熱汽輪機組本體設計的特點。

1　主要機型數據和總體結構

東汽660 MW高參數二次再熱主要機型數據如表1所示。

表1　東汽660 MW高參數二次再熱主要機型數據表

機組采用四缸四排汽，從機頭到機尾依次為1個單流超高壓缸，1個合缸反向布置的高中壓缸，2個雙流低壓缸，主汽閥懸掛于機頭側運行平臺下，再熱主汽調節閥布置在運行平臺兩側，其立體圖如圖1所示。

圖1　660 MW二次再熱機組汽輪發電機組示意圖

2　總體結構的成熟性

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

圖2　機組縱剖面圖

機組各模塊均由成熟模塊改型設計而成，低壓模塊可配909 mm末葉或1 016 mm末葉，各部分母型見表2。

機組四缸四轉子結構的整體設計方案繼承了東汽超超臨界1 000 MW機組［1］和新超超臨界660 MW機組的整體特點，因此，機組整體滑銷系統、機組軸系、潤滑油系統、頂軸油系統、自密封系統均與傳統四缸機組保持一致，具有諸多運行業績，成熟可靠。

表2　母型說明表

3　機組本體設計特點

3.1熱力系統

660 MW高參數二次再熱汽輪機回熱系統有10級非調整抽汽分別為5級高壓加熱、1級除氧、4級低壓加熱，各級回熱依次位于超高壓排汽、高壓3級后、高壓排汽、中壓3級后、中壓6級后、中壓8級后、低壓布置4級回熱。

3.2超高壓模塊

超高壓缸為單流式，全周進汽，供8個沖動式壓力級。汽缸采用雙層缸結構，內缸采用先進的紅套環緊箍圓筒形汽缸［2］，并采用耐高溫的新12Cr鑄鋼材料ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，內缸外表面布置有隔熱罩；外缸采用傳統中分面法蘭汽缸結構、傳統外缸材料。高壓缸縱剖面圖見圖3。

圖3　超高壓缸縱剖面圖

內缸采用無法蘭結構的筒形汽缸，筒形汽缸具有以下優點：

（1）缸體圓筒結構緊湊、簡單，有利于外缸緊湊設計和減少自身應力集中；

（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）套環緊箍，汽缸氣密性良好，可保證機組大修期內長久的經濟性；

（4）隔熱罩結構可減少對流，提高內缸外表面溫度，防止溫差過大引起變形；

（5）大修周期長，根據需要在設計時考慮滿足高達15年以上的大修期；

（6）模塊可整體發貨，整體安裝，縮短現場安裝周期和提高安裝質量；

（7）內缸采用套箍結構，不存在螺栓咬死問題，拆裝方便；

（8）汽缸可現場檢修，無需返廠，檢修周期短，可提高電廠經濟效益。

此外，針對二次再熱機組超高壓排汽壓力高、排汽進入夾層易造成外缸氣密性差的特點，本機組超高壓排汽通過管道直接進入再熱冷段，不進入內外缸夾層。內外缸夾層汽源為軸封漏氣，并與二段抽汽聯通，形成與二段抽汽相同的壓力，使外缸承受的壓力與常規超超臨界機組相當，外缸氣密性和安全性更高。

3.3高中壓缸模塊

機組高中壓模塊采用常規超超臨界660 MW機組高中壓模塊成熟結構，僅針對再熱壓力低（高壓進口10 MPa，中壓3 MPa）、體積流量大、再熱溫度620℃的特點進行改型設計。汽缸采用雙層缸結構，外缸采用常規機組外缸材料，內缸采用ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，外表面布置隔熱罩，低溫區采用隔板套結構。汽缸均采用中分面法蘭結構，方便大修檢修。

本機組采用內缸加隔板套結構，與傳統合缸機組高中壓缸承受高壓進汽和高排汽體溫差相比，缸溫度場更為合理。

二次再熱機組高中壓模塊進汽壓力低，內缸承受壓差小且采用高強度耐高溫材料，因此，壁厚較薄，缸體熱應力較小且利于熱傳導。

3.4低壓末葉片和低壓缸的選擇

660 MW二次再熱機組可根據不同背壓和負荷選擇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以下時機組更適合采用1 016 mm低壓末葉片模塊，5.4 kPa以上時更適合選擇909 mm末葉片模塊。

圖4　機組背壓-末葉-經濟性關系

低壓模塊均采用傳統雙分流、三層缸結構。與常規機組相比，本機組增加中壓缸焓降，用高效的中壓長葉片取代了低效的低壓短葉片，在提高機組經濟性的同時降低了低壓缸進口參數，從而降低了低壓缸進排汽口溫差，減小熱應力和防止內缸變形。

為了進一步提高機組經濟性，本機組低壓A、B缸采用非對稱設計，低壓抽口非對稱布置，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滑銷系統

機組滑銷系統 （見圖5）與傳統四缸機組一致，設有3個死點，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，死點處橫鍵限制汽缸軸向位移。同時，在1#軸承箱、2#軸承箱及2個低壓缸的中心線前后設有縱向鍵，引導汽缸沿軸向自由膨脹并限制其跑偏。機組相對死點設置在2#軸承箱內。類似滑銷系統在電廠具有良好的運行業績。

圖5　四缸機組滑銷系統圖

3.6機組軸系

機組軸系由超高壓轉子、高中壓轉子、A低壓轉子、B低壓轉子、發電機轉子共5根轉子組成，繼承了東方1 000 MW四缸機組軸系的以下特點：

●采用成熟可靠的設計計算分析方法和設計準則，并經過運行驗證；

●選用成熟且穩定性好的軸承——可傾瓦軸承和橢圓瓦軸承，參數見表3；

●采用雙支承結構，跨距小，剛性高，運行臨界轉速與計算值吻合度高；

●臨界轉速分布集中 （見表4），且避開半速渦動轉速，有利于中速暖機和啟動。

除此以外，機組采用全周進汽，設置防旋汽封等措施減小汽隙激振力，增強軸系防汽流激振力的能力。

表3　軸承基本參數表

表4　軸系臨界轉速

3.7閥門及其布置

二次再熱機組增加一組再熱閥門，因此，機組共有超高壓主汽調節閥、高壓主汽調節閥、中壓主汽調節閥3組閥門，每組2個。超高壓主汽閥承受33 MPa以上高壓，高、中壓主汽調節閥門承受620℃高溫。

主汽調節閥共有2個主汽閥和2個獨立調節閥連為一體，主汽閥腔室互通。主汽閥、調節閥均設有自己的油動機和操縱機構。

根據壓力容器設計規范，傳統大螺栓擰緊產生接觸應力密封的結構形式不適合用于高參數（壓力大于25 MPa）機組密封結構，因此，東汽660 MW二次再熱機組主汽閥和調節閥都采用其特有的雙閥蓋結構，通過伍德式自密封結構實現密封，如圖6所示，蒸汽作用力作用于內閥蓋上，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環上，止動環根據作用力大小調整厚度。內外閥蓋間形成的密封腔室具有分壓和防漏功能，并與軸封聯通。

圖6　單閥蓋和雙層閥蓋示意圖

3.8冷卻系統

高溫部件冷卻結構及其設計是超超臨界機組的關鍵技術之一，其冷卻系統示意圖見圖7。冷卻蒸汽經特殊設計的管道，使高溫部件得到有效冷卻，降低高溫部件的使用溫度，延長高溫部件的設計壽命。本機組采用的冷卻技術在超超臨界機組中普遍采用，安全可靠，且一次調試以后不需重新調試和控制，簡單方便。

圖7　冷卻系統示意圖

3.8.1進汽管冷卻技術

超高壓、高壓模塊通過超高壓排汽蒸汽進行進汽管冷卻，在主汽管靠近外缸處有一小孔，引入一小股冷卻蒸汽，流經外缸與導汽管之間及外缸與內缸之間形成的狹小間隙，對外缸內壁進行隔離與冷卻。

中壓進汽管采用類似結構，用高排蒸汽進行冷卻。

3.8.2轉子冷卻技術

本機組再熱溫度提高后，轉子采用了高溫性能良好的FB2鍛鋼。考慮增加安全裕度和延長轉子使用壽命，機組利用高排蒸汽對中壓第一級轉子進行冷卻，控制第一級葉輪溫度不高于580℃。

3.9先進的通流技術

機組繼承并優化了超超臨界機組先進的通流技術，通過一系列先進的通流技術提高機組經濟性：

●采用美國SoftInWay公司開發的通流設計軟件AxSTREAM，結合全三元氣動分析軟件，優化葉型；

●采用先進渦流型設計，葉片各截面及三維空間成型采用NUB曲線曲面造型技術生成，結合數值優化算法及先進的數控加工技術使葉型損失和二次流損失得到有效減少；

●采用全三元彎曲導葉、可控渦高負荷動葉的三元級；

●采用泄露量更少的東汽DAS汽封。

3.10成熟材料的選擇

本機組蒸汽參數達到31 MPa/600℃/620℃/ 620℃，對關鍵高溫部套材料和結構的要求要高于傳統超超臨界機組 （25 MPa/600℃/600℃），轉子、內缸、閥門、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滿足在高溫高壓下長時間工作。機組高溫部件材料將大量使用9-12CrWCo材料，機組低溫部套材料的使用同常規超超臨界機組基本一致。本機組與常規超超臨界機組高溫材料使用對照見表5。

表5　主要高溫部套材質對照表

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

3.11堅持面向用戶的設計，提高使用性

本機組除繼承了外缸中分面結構方便拆卸、東汽雙支持方便找中、低壓缸開孔便于檢查末葉、可不開缸動平衡、自潤滑等措施外，還堅持面向用戶設計，從電站角度設計到檢修維護各環節提供方便，具體措施包括：

●超高壓內缸采用紅套環緊箍的筒形汽缸，可整體發貨，模塊安裝，延長大修期，現場解體維修，縮短檢修工期；

●閥門便于拆裝，無需專用工具和復雜工藝即可檢修安裝；

●單獨的推力軸承比推力支持聯合軸承更便于檢修維護。

4　結論

綜上所述，東汽自主研發的660 MW超超臨界二次再熱高參數汽輪機具有良好的技術繼承性；機組的設計方法、關鍵技術、主要部套均具有大量工程應用業績，特別是機組軸系、滑銷系統、輔助系統充分繼承了現有機組的特點，成熟可靠；先進的筒形汽缸結構、巧妙的雙層閥蓋結構、成熟的高溫材料等關鍵技術的使用保證了機組的安全可靠性；本體設計與二次再熱技術、優化的熱力系統、更高熱力參數、先進通流技術相結合，提高了機組經濟水平；同時，充分考慮了機組的安裝、檢修性能，方便業主，提高了使用性。

因此，東汽660 MW超超臨界高參數二次再熱汽輪機本體安全可靠，獲得了業主的認可。該機組已在華能安源電廠實現并網發電，成為國內首個660 MW二次再熱汽輪機組。

［1］王為民，潘家成，方宇，袁永強.東方1 000 MW超超臨界汽輪機設計特點及運行業績［J］.東方電氣評論，2009，23（1）：1-11

［2］中國動力工程學會，主編.火力發電設備技術手冊：第二卷：汽輪機［M］.北京：機械工業出版社，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，Fang 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，畢業于哈爾濱工程大學，從事汽輪機總體設計和關鍵技術研究工作。