東方新超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)特點(diǎn)

劉雄，袁永強(qiáng)，黃果，高展羽

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000）

東方新超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)特點(diǎn)

劉雄，袁永強(qiáng)，黃果，高展羽

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000）

文章詳細(xì)介紹了東方新一代超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)的本體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)特點(diǎn)。該機(jī)型是東方采用現(xiàn)代汽輪機(jī)技術(shù)自主研發(fā)而成的一種新型高參數(shù)汽輪機(jī)，通過(guò)重要結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及高溫材料的合理選擇，有效地提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。

超超臨界，1 000 MW汽輪機(jī)，結(jié)構(gòu)

0　引言

國(guó)內(nèi)汽輪發(fā)電機(jī)組已進(jìn)入大容量、高參數(shù)的發(fā)展階段，而1 000 MW等級(jí)超超臨界發(fā)電機(jī)組正逐漸成為主導(dǎo)我國(guó)今后一段時(shí)間電源建設(shè)和發(fā)展的主力機(jī)組，為進(jìn)一步提高能源利用效率，降低機(jī)組熱耗，超超臨界1 000 MW發(fā)電機(jī)組的技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。

東方為進(jìn)一步提高超超臨界1 000 MW發(fā)電機(jī)組效率，融合當(dāng)今先進(jìn)技術(shù)自主開(kāi)發(fā)出了具有高效率、安全可靠、運(yùn)行靈活、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)的新一代1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)，以此為代表的神華萬(wàn)州項(xiàng)目已成功投運(yùn)。

1　總體概況

東方新一代1 000 MW超超臨界機(jī)組為單軸、一次再熱、四缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)，產(chǎn)品型號(hào)為N1050-28/600/620。從機(jī)頭至機(jī)尾依次串聯(lián)1個(gè)單流高壓缸、1個(gè)雙流中壓缸以及2個(gè)雙流低壓缸。高壓缸無(wú)調(diào)節(jié)級(jí)，由12個(gè)單流壓力級(jí)組成。中壓缸為2×8個(gè)壓力級(jí)。2個(gè)低壓缸壓力級(jí)總數(shù)為2×2×5級(jí)，末級(jí)葉片高度1 200 mm?？傮w結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1　東方N1050-28/600/620型汽輪機(jī)組三維立體圖

主蒸汽經(jīng)2根導(dǎo)汽管進(jìn)入2個(gè)高壓主汽閥、2個(gè)調(diào)節(jié)閥，經(jīng)2根高壓主汽管從高壓外缸2個(gè)進(jìn)汽口進(jìn)入高壓缸，通過(guò)高壓缸12級(jí)做功后，去鍋爐再熱器。再熱汽經(jīng)2根再熱管進(jìn)入中壓聯(lián)合汽閥，經(jīng)2根導(dǎo)汽管進(jìn)入中壓缸中部下半，通過(guò)2× 8級(jí)做功后的蒸汽經(jīng)1根異徑連通管分別進(jìn)入2個(gè)雙流5級(jí)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(jī)在結(jié)構(gòu)上的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)有：

（1）對(duì)關(guān)鍵高溫部件的材料進(jìn)行了合理的升級(jí)與優(yōu)化，以適應(yīng)主汽與再熱參數(shù)的提高；

（2）為提高機(jī)組額定工況的經(jīng)濟(jì)性，取消調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴，由噴嘴配汽改為節(jié)流配汽；

（3）優(yōu)化設(shè)計(jì)通流結(jié)構(gòu)，對(duì)高、中、低壓缸進(jìn)、排汽型線(xiàn)進(jìn)行流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)；

（4）高壓缸采用上、下半切向進(jìn)汽，進(jìn)汽室型線(xiàn)為變截面設(shè)計(jì)，以獲得最佳氣動(dòng)性能；

（5）高壓內(nèi)缸采用筒形缸，內(nèi)缸中分面由傳統(tǒng)的螺栓密封改為紅套環(huán)密封；

（6）高壓模塊采用高壓內(nèi)外缸+轉(zhuǎn)子整體發(fā)貨模式，安裝快捷，檢修方便；

（7）低壓缸采用先進(jìn)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(jī)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(guò)優(yōu)化配置，在保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，使汽封在各種工況下工作時(shí)均保持足夠的汽密性。

東方新一代超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　東方N1050-28/600/620型汽輪機(jī)基本參數(shù)

2　高溫部件選材

汽輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展一直與材料密切相關(guān)，機(jī)組的蒸汽參數(shù)也伴隨材料發(fā)展而不斷提高 （見(jiàn)圖2）。目前，超超臨界機(jī)組所用材料已經(jīng)相當(dāng)成熟。用于630℃蒸汽溫度的新12Cr類(lèi)材料經(jīng)過(guò)歐洲各國(guó)的不斷研究，已在全球數(shù)十個(gè)電廠(chǎng)中使用；與此同時(shí)，各國(guó)也積極開(kāi)展了用于720℃等級(jí)的鎳基材料研究。

圖2　高溫材料與汽輪機(jī)參數(shù)發(fā)展歷程

與目前已投運(yùn)的1 000 MW機(jī)組相比，東方新一代1 000 MW汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)有較大提高，為28 MPa/600℃/620℃。進(jìn)汽參數(shù)的提高對(duì)關(guān)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(qiáng)度和高溫蠕變強(qiáng)度，能長(zhǎng)期在高溫高壓環(huán)境下工作［1］。這類(lèi)部件主要有：高、中壓轉(zhuǎn)子；高、中壓汽缸；高、中壓主汽閥、調(diào)節(jié)閥；高溫段隔板、動(dòng)葉、靜葉等。

東方N1050-28/600/620型汽輪機(jī)主要高溫部件選材見(jiàn)表2，其中，13Cr9Mo1Co1NiVNbNB（鍛件）和ZG12Cr9Mo1Co1NiVNbNB（鑄件）為東方自主開(kāi)發(fā)的620℃等級(jí)材料，與歐洲COST522計(jì)劃中研制的FB2和CB2這2種用于620℃等級(jí)材料性能相當(dāng)。COST522計(jì)劃從1998年就已經(jīng)開(kāi)始，歷時(shí)5年時(shí)間完成，共有16個(gè)歐洲國(guó)家參與。目前，這2種材料已經(jīng)應(yīng)用到美國(guó)和德國(guó)部分電廠(chǎng)中。

表2　東方N1050-28/600/620型汽輪機(jī)主要高溫部件選材匯總表

經(jīng)計(jì)算，表2中所選的高溫部件材料即使在最?lèi)毫庸r下也具有足夠的高溫持久強(qiáng)度和高溫蠕變強(qiáng)度，可使機(jī)組在28 MPa/600℃/620℃下長(zhǎng)期安全可靠地運(yùn)行。

3　本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.1高壓模塊

高壓模塊為雙層缸結(jié)構(gòu)，高壓外缸設(shè)2個(gè)進(jìn)汽口，汽缸上下半各設(shè)1個(gè)，采用切向進(jìn)汽。高壓內(nèi)缸為筒形缸 （見(jiàn)圖3），采用紅套環(huán)密封，僅在高壓進(jìn)汽部位處法蘭留有螺栓，內(nèi)缸紅套環(huán)外設(shè)置隔熱屏。筒形缸具有形狀簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)、熱變形小、對(duì)汽輪機(jī)啟停和變負(fù)荷工況適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。

圖3　高壓筒形缸結(jié)構(gòu)

高壓通流逆流布置，由12個(gè)壓力級(jí)組成，采用節(jié)流配汽，高壓進(jìn)汽流道型線(xiàn)采用東方自主研發(fā)的高效變截面型線(xiàn)以獲得最佳的氣動(dòng)性能。

高壓部分共有2級(jí)回?zé)岢槠?，?段抽汽口布置在高壓第9級(jí)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(jī)采用高壓內(nèi)外缸+轉(zhuǎn)子整體發(fā)運(yùn)方案 （見(jiàn)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(chē)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(fā)運(yùn)圖

高壓模塊整體發(fā)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)將大幅減少現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量，節(jié)約安裝時(shí)間。同時(shí)，高壓模塊的裝配質(zhì)量得到了保證，降低了現(xiàn)場(chǎng)總裝難度，也避免了制造廠(chǎng)的零部件缺、漏發(fā)問(wèn)題。

3.2中壓模塊

由于再熱溫度高達(dá)620℃，為減小熱應(yīng)力，中壓模塊采用雙層缸結(jié)構(gòu)，這樣中壓高溫進(jìn)汽僅局限于內(nèi)缸的進(jìn)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(shè)計(jì)得較薄［2］。中壓內(nèi)外缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得盡可能對(duì)稱(chēng) （見(jiàn)圖5、圖6），同時(shí)具有足夠的剛度，確保隨著溫度變化時(shí)汽缸膨脹和收縮的均勻性，這種結(jié)構(gòu)大大降低了因溫度變化而導(dǎo)致的對(duì)中變化和汽缸出現(xiàn)裂紋的可能性，意味著機(jī)組更易于操作并且性能更可靠。汽缸下半設(shè)2個(gè)進(jìn)汽口，布置在中壓外缸兩側(cè)。由于再熱溫度為620℃，中壓進(jìn)汽彎管采用新12Cr鑄鋼，彎管與外缸進(jìn)汽口之間用過(guò)渡段連接。為了降低外缸所承受的蒸汽溫度，下半進(jìn)汽內(nèi)部設(shè)計(jì)進(jìn)汽短管，使再熱蒸汽不通過(guò)外缸缸體，而直接進(jìn)入內(nèi)缸進(jìn)汽室 （見(jiàn)圖7）。

圖5　中壓外缸結(jié)構(gòu)圖

圖6　中壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)圖

圖7　中壓進(jìn)汽處結(jié)構(gòu)圖

中壓通流采用雙分流布置，每個(gè)流向布置8個(gè)沖動(dòng)式壓力級(jí)。中壓共有3級(jí)回?zé)岢槠?段抽汽口布置在第3級(jí)后，第4段抽汽口布置在第6級(jí)后，第5段抽汽口布置在第8級(jí)后。

3.3低壓模塊

低壓部分有2個(gè)低壓缸A-LP缸和B-LP缸，中壓排汽通過(guò)連通管引入低壓缸 （見(jiàn)圖8）。每個(gè)低壓缸為雙分流式，每個(gè)流向包括5個(gè)沖動(dòng)式壓力級(jí)，低壓末級(jí)葉片為東方新開(kāi)發(fā)的高效1 200 mm葉片，低壓共有4級(jí)非對(duì)稱(chēng)抽汽，分別布置在A低壓1級(jí)、B低壓2級(jí)、A低壓3級(jí)、B低壓4級(jí)后，進(jìn)入第6、7、8、9級(jí)加熱器。

圖8　低壓模塊

低壓內(nèi)、外缸均為鋼板拼焊結(jié)構(gòu)。低壓外缸整缸分成上、下半各2塊組成，可整體組裝，分塊運(yùn)輸，每個(gè)低壓外缸上半均備有4個(gè)安全大氣閥。低壓內(nèi)缸支承在外缸內(nèi)四個(gè)凸臺(tái)上，內(nèi)、外缸間用鍵連接便于軸向和橫向定位。在內(nèi)、外缸之間蒸汽進(jìn)口處設(shè)有波紋管膨脹節(jié)，此處允許內(nèi)、外缸之間有相對(duì)位移，并防止空氣滲入低壓缸。B-LP排汽缸靠發(fā)電機(jī)端是盤(pán)車(chē)裝置。排汽缸采用了逐漸擴(kuò)大的導(dǎo)流環(huán)，使排汽缸具有良好的空氣動(dòng)力性能 （見(jiàn)圖9）。

圖9　低壓模塊俯視圖 （去上半）

3.4閥門(mén)

3.4.1高壓主汽調(diào)節(jié)閥

本機(jī)型共有2個(gè)高壓主汽閥和2個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥，主汽閥位于汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥前的主蒸汽管道上，每個(gè)主汽閥有1個(gè)進(jìn)汽口和1個(gè)連接到調(diào)節(jié)閥腔室的出汽口。2只主汽閥成一字型左右排列，與2只調(diào)節(jié)閥組焊成一體后用吊架懸掛在機(jī)頭前面的運(yùn)行平臺(tái)下，并通過(guò)2根高壓主汽管與高壓缸相連。從主汽閥出來(lái)的蒸汽進(jìn)入調(diào)節(jié)閥，然后經(jīng)調(diào)節(jié)閥后的主汽管進(jìn)入高壓缸。主汽閥、調(diào)節(jié)閥分別由各自的油動(dòng)機(jī)操縱，并具有充足的檢修空間。

3.4.2中壓聯(lián)合汽閥

本機(jī)型共有2個(gè)中壓聯(lián)合汽閥，中壓聯(lián)合閥布置在中壓缸兩側(cè)的再熱熱段管道上，通過(guò)中壓進(jìn)汽彎管與汽缸聯(lián)接，并采用浮動(dòng)式彈簧支架固定。中壓聯(lián)合汽閥的主汽閥和調(diào)節(jié)閥共用一個(gè)閥殼和閥座。雖然它們利用一個(gè)共同的閥殼，但這2個(gè)閥的功能不同，有各自獨(dú)立的操作控制裝置。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在不影響閥門(mén)功能的情況下可盡量簡(jiǎn)化中壓聯(lián)合汽閥的結(jié)構(gòu)。

3.5對(duì)某些細(xì)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.5.1先進(jìn)高效的進(jìn)汽變截面型線(xiàn)

為了降低高壓進(jìn)汽室節(jié)流損失，本機(jī)型的進(jìn)汽室型線(xiàn)為東方新開(kāi)發(fā)的先進(jìn)高效進(jìn)汽型線(xiàn) （見(jiàn)圖10）。該型線(xiàn)采用全三維開(kāi)發(fā)，采用切向進(jìn)汽和變截面設(shè)計(jì)，具有良好的氣動(dòng)性能，對(duì)提高機(jī)組效率、降低熱耗有顯著的作用。

圖10　高壓進(jìn)汽室型線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖

3.5.2先進(jìn)的汽封設(shè)計(jì)

本機(jī)型采用的新汽封型式主要為在東方DAS汽封基礎(chǔ)上新開(kāi)發(fā)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(jiàn)圖11），本機(jī)型高壓葉頂汽封全部采用DAS齒+刷式齒的組合密封形式，進(jìn)一步減少葉頂泄漏量，提高機(jī)組效率。

圖11　刷式汽封示意圖

防旋汽封是在DAS汽封的進(jìn)汽側(cè)增加一圈防旋齒 （見(jiàn)圖12）。本機(jī)型高壓前3級(jí)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(zhuǎn)子穩(wěn)定性。

3.5.3精益的通流面積控制技術(shù)

為了保證高壓靜葉隔板的出汽效率，本機(jī)型高壓前3級(jí)隔板靜葉整圈出口面積偏差控制在理論值的±1%以?xún)?nèi)。因此，將高壓前3級(jí)靜葉設(shè)計(jì)成帶大冠導(dǎo)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(shí)的變形，并保證加工精度，實(shí)現(xiàn)了通流面積的精益控制。

圖12　防旋汽封示意圖

3.5.4穩(wěn)定可靠的軸系設(shè)計(jì)

本機(jī)型高中壓軸承 （1#～4#）選用穩(wěn)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(zhuǎn)子采用雙支承結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子跨度小，剛性高，轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速與工作轉(zhuǎn)速避開(kāi)率大，減小了轉(zhuǎn)子對(duì)不穩(wěn)定的敏感性而無(wú)損于運(yùn)行性能。雙支承結(jié)構(gòu)軸承工作比壓小，軸承工作可靠。

為解決高參數(shù)汽流對(duì)軸系穩(wěn)定性的影響，采用限制 “強(qiáng)迫撓動(dòng)系數(shù)”［1］和 “汽流激振系數(shù)”［1］的方法來(lái)評(píng)估汽流激振的影響。其中，強(qiáng)迫撓動(dòng)系數(shù)由每根轉(zhuǎn)子的重量、撓度和出力確定，該系數(shù)限制值為2.3。汽流激振系數(shù)可通過(guò)各轉(zhuǎn)子的重量、臨界轉(zhuǎn)速、汽封直徑、汽封間隙、汽封寬度和級(jí)的壓差計(jì)算得出，該系數(shù)限制值為1。東方N1050-28/600/620型汽輪機(jī)強(qiáng)迫撓動(dòng)系數(shù)計(jì)算結(jié)果最高為1.44，汽流激振系數(shù)為0.6，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

本機(jī)型聯(lián)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(shè)計(jì)

為獲得合理的低壓缸排汽面積，低壓外缸的結(jié)構(gòu)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(chǎn)生過(guò)大的變形。本機(jī)型通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適當(dāng)增加外缸上的撐管與筋板，從而增加低壓外缸剛度。并運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行了有限元計(jì)算，結(jié)果表明：優(yōu)化后的低壓外缸在機(jī)械載荷與真空載荷的作用下變形較小，剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.5.6面向用戶(hù)的安裝檢修設(shè)計(jì)

本機(jī)型在設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮了如何在安裝、檢修環(huán)節(jié)為用戶(hù)提供方便，主要體現(xiàn)在：

（1）高壓模塊整體發(fā)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，大幅減少現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量，節(jié)約安裝時(shí)間。同時(shí)，高壓模塊的裝配質(zhì)量得到了保證，降低了現(xiàn)場(chǎng)總裝難度，也避免了制造廠(chǎng)的零部件缺、漏發(fā)問(wèn)題；

（2）高壓筒形缸設(shè)計(jì)可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行解體檢修，不需要返廠(chǎng)，從而縮短了檢修工期；

（3）基架下方采用可調(diào)式墊鐵來(lái)調(diào)整，現(xiàn)場(chǎng)軸系調(diào)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(jī)組運(yùn)行質(zhì)量；

（4）所有轉(zhuǎn)子均設(shè)計(jì)為可不開(kāi)缸進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡；

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

4　結(jié)論

綜上所述，東方新一代超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)立足于保證機(jī)組可靠性的前提下，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)深入地分析計(jì)算和全面優(yōu)化設(shè)計(jì)，使機(jī)組在經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安裝檢修的便捷性等方面均達(dá)到當(dāng)代先進(jìn)水平，具有極強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］方宇，袁永強(qiáng).東方-日立型超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)本體設(shè)計(jì)特點(diǎn)［J］.大型鑄鍛件，2008，（1）：43-46

［2］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

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.

ultra-supercritical，1 000 MW steam turbine，structure

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(yè)于華北電力大學(xué)，主要從事汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。