東方新超超臨界1 000 MW汽輪機本體結構及設計特點

劉雄，袁永強，黃果，高展羽

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

東方新超超臨界1 000 MW汽輪機本體結構及設計特點

劉雄，袁永強，黃果，高展羽

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

文章詳細介紹了東方新一代超超臨界1 000 MW汽輪機的本體結構及設計特點。該機型是東方采用現代汽輪機技術自主研發而成的一種新型高參數汽輪機，通過重要結構的優化設計以及高溫材料的合理選擇，有效地提高了機組的經濟性與可靠性。

超超臨界，1 000 MW汽輪機，結構

0　引言

國內汽輪發電機組已進入大容量、高參數的發展階段，而1 000 MW等級超超臨界發電機組正逐漸成為主導我國今后一段時間電源建設和發展的主力機組，為進一步提高能源利用效率，降低機組熱耗，超超臨界1 000 MW發電機組的技術創新和優化設計勢在必行。

東方為進一步提高超超臨界1 000 MW發電機組效率，融合當今先進技術自主開發出了具有高效率、安全可靠、運行靈活、安裝維護方便等特點的新一代1 000 MW超超臨界汽輪機，以此為代表的神華萬州項目已成功投運。

1　總體概況

東方新一代1 000 MW超超臨界機組為單軸、一次再熱、四缸四排汽、凝汽式汽輪機，產品型號為N1050-28/600/620。從機頭至機尾依次串聯1個單流高壓缸、1個雙流中壓缸以及2個雙流低壓缸。高壓缸無調節級，由12個單流壓力級組成。中壓缸為2×8個壓力級。2個低壓缸壓力級總數為2×2×5級，末級葉片高度1 200 mm。總體結構見圖1。

圖1　東方N1050-28/600/620型汽輪機組三維立體圖

主蒸汽經2根導汽管進入2個高壓主汽閥、2個調節閥，經2根高壓主汽管從高壓外缸2個進汽口進入高壓缸，通過高壓缸12級做功后，去鍋爐再熱器。再熱汽經2根再熱管進入中壓聯合汽閥，經2根導汽管進入中壓缸中部下半，通過2× 8級做功后的蒸汽經1根異徑連通管分別進入2個雙流5級的低壓缸 （A、B），做功后排入凝汽器。

東方新一代超超臨界1 000 MW汽輪機在結構上的主要設計特點有：

（1）對關鍵高溫部件的材料進行了合理的升級與優化，以適應主汽與再熱參數的提高；

（2）為提高機組額定工況的經濟性，取消調節級噴嘴，由噴嘴配汽改為節流配汽；

（3）優化設計通流結構，對高、中、低壓缸進、排汽型線進行流場優化設計；

（4）高壓缸采用上、下半切向進汽，進汽室型線為變截面設計，以獲得最佳氣動性能；

（5）高壓內缸采用筒形缸，內缸中分面由傳統的螺栓密封改為紅套環密封；

（6）高壓模塊采用高壓內外缸+轉子整體發貨模式，安裝快捷，檢修方便；

（7）低壓缸采用先進高效的1 200 mm末葉低壓模塊，具有足夠的剛度與合理的排汽面積；

（8）機組采用DAS汽封、防旋汽封、刷式汽封等多種新型汽封組合，通過優化配置，在保證機組安全穩定運行的同時，使汽封在各種工況下工作時均保持足夠的汽密性。

東方新一代超超臨界1 000 MW汽輪機基本參數見表1。

表1　東方N1050-28/600/620型汽輪機基本參數

2　高溫部件選材

汽輪機技術的發展一直與材料密切相關，機組的蒸汽參數也伴隨材料發展而不斷提高 （見圖2）。目前，超超臨界機組所用材料已經相當成熟。用于630℃蒸汽溫度的新12Cr類材料經過歐洲各國的不斷研究，已在全球數十個電廠中使用；與此同時，各國也積極開展了用于720℃等級的鎳基材料研究。

圖2　高溫材料與汽輪機參數發展歷程

與目前已投運的1 000 MW機組相比，東方新一代1 000 MW汽輪機的進汽參數有較大提高，為28 MPa/600℃/620℃。進汽參數的提高對關鍵部位高溫部件的材料提出了較高要求，即要求這些部位的材料在其使用溫度下具有足夠高的高溫持久強度和高溫蠕變強度，能長期在高溫高壓環境下工作［1］。這類部件主要有：高、中壓轉子；高、中壓汽缸；高、中壓主汽閥、調節閥；高溫段隔板、動葉、靜葉等。

東方N1050-28/600/620型汽輪機主要高溫部件選材見表2，其中，13Cr9Mo1Co1NiVNbNB（鍛件）和ZG12Cr9Mo1Co1NiVNbNB（鑄件）為東方自主開發的620℃等級材料，與歐洲COST522計劃中研制的FB2和CB2這2種用于620℃等級材料性能相當。COST522計劃從1998年就已經開始，歷時5年時間完成，共有16個歐洲國家參與。目前，這2種材料已經應用到美國和德國部分電廠中。

表2　東方N1050-28/600/620型汽輪機主要高溫部件選材匯總表

經計算，表2中所選的高溫部件材料即使在最惡劣工況下也具有足夠的高溫持久強度和高溫蠕變強度，可使機組在28 MPa/600℃/620℃下長期安全可靠地運行。

3　本體結構設計特點

3.1高壓模塊

高壓模塊為雙層缸結構，高壓外缸設2個進汽口，汽缸上下半各設1個，采用切向進汽。高壓內缸為筒形缸 （見圖3），采用紅套環密封，僅在高壓進汽部位處法蘭留有螺栓，內缸紅套環外設置隔熱屏。筒形缸具有形狀簡單、結構對稱、熱變形小、對汽輪機啟停和變負荷工況適應性好等優點。

圖3　高壓筒形缸結構

高壓通流逆流布置，由12個壓力級組成，采用節流配汽，高壓進汽流道型線采用東方自主研發的高效變截面型線以獲得最佳的氣動性能。

高壓部分共有2級回熱抽汽，第1段抽汽口布置在高壓第9級后的汽缸上，第2段抽汽口布置在再熱冷段管道上。

東方N1050-28/600/620型汽輪機采用高壓內外缸+轉子整體發運方案 （見圖4），包裝后高壓模塊外形尺寸約為8.1 m×3.7 m×4.3 m，裝車后高壓模塊高度約為4.9 m；加支架和包裝后高壓模塊凈重約200 t。

圖4　高壓模塊整體發運圖

高壓模塊整體發運至現場將大幅減少現場安裝工作量，節約安裝時間。同時，高壓模塊的裝配質量得到了保證，降低了現場總裝難度，也避免了制造廠的零部件缺、漏發問題。

3.2中壓模塊

由于再熱溫度高達620℃，為減小熱應力，中壓模塊采用雙層缸結構，這樣中壓高溫進汽僅局限于內缸的進汽部分，而中壓外缸只承受較低的壓力和溫度，可以使缸壁與法蘭設計得較薄［2］。中壓內外缸結構設計得盡可能對稱 （見圖5、圖6），同時具有足夠的剛度，確保隨著溫度變化時汽缸膨脹和收縮的均勻性，這種結構大大降低了因溫度變化而導致的對中變化和汽缸出現裂紋的可能性，意味著機組更易于操作并且性能更可靠。汽缸下半設2個進汽口，布置在中壓外缸兩側。由于再熱溫度為620℃，中壓進汽彎管采用新12Cr鑄鋼，彎管與外缸進汽口之間用過渡段連接。為了降低外缸所承受的蒸汽溫度，下半進汽內部設計進汽短管，使再熱蒸汽不通過外缸缸體，而直接進入內缸進汽室 （見圖7）。

圖5　中壓外缸結構圖

圖6　中壓內缸結構圖

圖7　中壓進汽處結構圖

中壓通流采用雙分流布置，每個流向布置8個沖動式壓力級。中壓共有3級回熱抽汽，第3段抽汽口布置在第3級后，第4段抽汽口布置在第6級后，第5段抽汽口布置在第8級后。

3.3低壓模塊

低壓部分有2個低壓缸A-LP缸和B-LP缸，中壓排汽通過連通管引入低壓缸 （見圖8）。每個低壓缸為雙分流式，每個流向包括5個沖動式壓力級，低壓末級葉片為東方新開發的高效1 200 mm葉片，低壓共有4級非對稱抽汽，分別布置在A低壓1級、B低壓2級、A低壓3級、B低壓4級后，進入第6、7、8、9級加熱器。

圖8　低壓模塊

低壓內、外缸均為鋼板拼焊結構。低壓外缸整缸分成上、下半各2塊組成，可整體組裝，分塊運輸，每個低壓外缸上半均備有4個安全大氣閥。低壓內缸支承在外缸內四個凸臺上，內、外缸間用鍵連接便于軸向和橫向定位。在內、外缸之間蒸汽進口處設有波紋管膨脹節，此處允許內、外缸之間有相對位移，并防止空氣滲入低壓缸。B-LP排汽缸靠發電機端是盤車裝置。排汽缸采用了逐漸擴大的導流環，使排汽缸具有良好的空氣動力性能 （見圖9）。

圖9　低壓模塊俯視圖 （去上半）

3.4閥門

3.4.1高壓主汽調節閥

本機型共有2個高壓主汽閥和2個高壓調節閥，主汽閥位于汽輪機調節閥前的主蒸汽管道上，每個主汽閥有1個進汽口和1個連接到調節閥腔室的出汽口。2只主汽閥成一字型左右排列，與2只調節閥組焊成一體后用吊架懸掛在機頭前面的運行平臺下，并通過2根高壓主汽管與高壓缸相連。從主汽閥出來的蒸汽進入調節閥，然后經調節閥后的主汽管進入高壓缸。主汽閥、調節閥分別由各自的油動機操縱，并具有充足的檢修空間。

3.4.2中壓聯合汽閥

本機型共有2個中壓聯合汽閥，中壓聯合閥布置在中壓缸兩側的再熱熱段管道上，通過中壓進汽彎管與汽缸聯接，并采用浮動式彈簧支架固定。中壓聯合汽閥的主汽閥和調節閥共用一個閥殼和閥座。雖然它們利用一個共同的閥殼，但這2個閥的功能不同，有各自獨立的操作控制裝置。這種結構設計在不影響閥門功能的情況下可盡量簡化中壓聯合汽閥的結構。

3.5對某些細節的優化設計

3.5.1先進高效的進汽變截面型線

為了降低高壓進汽室節流損失，本機型的進汽室型線為東方新開發的先進高效進汽型線 （見圖10）。該型線采用全三維開發，采用切向進汽和變截面設計，具有良好的氣動性能，對提高機組效率、降低熱耗有顯著的作用。

圖10　高壓進汽室型線結構示意圖

3.5.2先進的汽封設計

本機型采用的新汽封型式主要為在東方DAS汽封基礎上新開發的刷式汽封、防旋汽封。

刷式汽封是在DAS汽封的旁邊增加一圈間隙更小的刷式齒 （見圖11），本機型高壓葉頂汽封全部采用DAS齒+刷式齒的組合密封形式，進一步減少葉頂泄漏量，提高機組效率。

圖11　刷式汽封示意圖

防旋汽封是在DAS汽封的進汽側增加一圈防旋齒 （見圖12）。本機型高壓前3級隔板汽封與高壓軸封均采用防旋汽封。防旋汽封能降低汽流激振力，提高轉子穩定性。

3.5.3精益的通流面積控制技術

為了保證高壓靜葉隔板的出汽效率，本機型高壓前3級隔板靜葉整圈出口面積偏差控制在理論值的±1%以內。因此，將高壓前3級靜葉設計成帶大冠導葉，并采用真空電子束與隔板焊接。從而減小靜葉片在焊接時的變形，并保證加工精度，實現了通流面積的精益控制。

圖12　防旋汽封示意圖

3.5.4穩定可靠的軸系設計

本機型高中壓軸承 （1#～4#）選用穩定性好的可傾瓦軸承，低壓軸承 （5#～8#）選用承載性好的橢圓瓦軸承。

轉子采用雙支承結構，轉子跨度小，剛性高，轉子臨界轉速與工作轉速避開率大，減小了轉子對不穩定的敏感性而無損于運行性能。雙支承結構軸承工作比壓小，軸承工作可靠。

為解決高參數汽流對軸系穩定性的影響，采用限制 “強迫撓動系數”［1］和 “汽流激振系數”［1］的方法來評估汽流激振的影響。其中，強迫撓動系數由每根轉子的重量、撓度和出力確定，該系數限制值為2.3。汽流激振系數可通過各轉子的重量、臨界轉速、汽封直徑、汽封間隙、汽封寬度和級的壓差計算得出，該系數限制值為1。東方N1050-28/600/620型汽輪機強迫撓動系數計算結果最高為1.44，汽流激振系數為0.6，滿足設計規范要求。

本機型聯軸器螺栓采用液壓螺栓，檢修方便。

3.5.5可靠的低壓缸剛度設計

為獲得合理的低壓缸排汽面積，低壓外缸的結構尺寸增大、載荷增加，這就要求缸體必須具有足夠的剛度，使其不產生過大的變形。本機型通過優化結構設計，適當增加外缸上的撐管與筋板，從而增加低壓外缸剛度。并運用ANSYS軟件進行了有限元計算，結果表明：優化后的低壓外缸在機械載荷與真空載荷的作用下變形較小，剛度滿足設計要求。

3.5.6面向用戶的安裝檢修設計

本機型在設計時就充分考慮了如何在安裝、檢修環節為用戶提供方便，主要體現在：

（1）高壓模塊整體發運至現場，大幅減少現場安裝工作量，節約安裝時間。同時，高壓模塊的裝配質量得到了保證，降低了現場總裝難度，也避免了制造廠的零部件缺、漏發問題；

（2）高壓筒形缸設計可在現場進行解體檢修，不需要返廠，從而縮短了檢修工期；

（3）基架下方采用可調式墊鐵來調整，現場軸系調整方便，不僅減少了安裝工作量，還可以提高軸系精度，改善機組運行質量；

（4）所有轉子均設計為可不開缸進行現場動平衡；

（5）滑銷系統采用自潤滑滑塊，該滑塊在不加潤滑劑的條件下，能正常使用30年不需更換。

4　結論

綜上所述，東方新一代超超臨界1 000 MW汽輪機本體結構開發立足于保證機組可靠性的前提下，提高機組的經濟性。通過深入地分析計算和全面優化設計，使機組在經濟性、可靠性、安裝檢修的便捷性等方面均達到當代先進水平，具有極強的市場競爭力。

［1］方宇，袁永強.東方-日立型超超臨界1 000 MW汽輪機本體設計特點［J］.大型鑄鍛件，2008，（1）：43-46

［2］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

Body Structure and Design Feature of DTC New Ultra-supercritical 1 000 MW Steam Turbine

Liu Xiong，Yuan Yongqiang，Huang Guo，Gao Zhanyu

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

The body structure and design feature of DTC new ultra-supercritical 1 000 MW steam turbine are introduced in details. The unit is a new high-parameter and self-developed turbine by DTC.These products are based on modern steam turbine technologies.The reliability and economy of turbine are improved effectively through the optimization design of structure and the reasonable selection of high temperature material.

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TK26

A

1674-9987（2015）02-0007-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.02.002

劉雄 （1986-），男，碩士，工程師，2010年畢業于華北電力大學，主要從事汽輪機本體結構設計工作。