國內三大主機廠1000MW機組結構特點分析

神華（福州）羅源灣港電有限公司 王珂

國內三大主機廠1000MW機組結構特點分析

神華（福州）羅源灣港電有限公司 王珂

上海汽輪機廠、東方汽輪機廠、哈爾汽輪機廠是國內1000MW汽輪機組的三大主要生產廠家，通過對三大主機廠新型1000MW機組的結構特點進行對比分析，對各生產廠家的設備先進水平進行評估的同時把握1000MW機組的技術發(fā)展趨勢。

三大主機廠；1000MW機組；結構特點

0 概況

日本最早提出超超臨界機組為蒸汽壓力大于24.2MPa，溫度大于593℃;而丹麥等國家認為壓力大于27.5MPa。目前國際上普遍認為在常規(guī)超臨界參數(shù)的基礎上壓力和溫度再提升一個檔次，也就是工作壓力超過24.2MPa或者主/再汽溫都超過566℃，都屬于超超臨界機組的范疇。

由于我國火電工業(yè)目前總體污染較重，并成為制約我國電力工業(yè)乃至整個國民經濟發(fā)展的重要因素。因此，在能源日趨緊張、環(huán)境日益惡化的情況下，為節(jié)約能源和減輕環(huán)境污染，必須發(fā)展?jié)崈裘喊l(fā)電技術，即：循環(huán)流化床(CFBC)、增壓流化床聯(lián)合循環(huán)(PFBC--CC)、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)、超臨界(Sc)與超超臨界技術(USC)等。

發(fā)展超臨界機組是提高我國能源利用率現(xiàn)實可行的選擇，其發(fā)電凈效率為45%左右，與IGCC(整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電)和PFBC--CC(增壓流化床燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電)相當;并且超臨界機組具有良好的負荷調節(jié)特性，在部分負荷下依舊能保持較高的效率，基建投資、發(fā)電成本也較IGCC和PFBC--CC優(yōu)越，是21世紀初電力工業(yè)的主力機組。

1 主要技術參數(shù)

國內的超超臨界機組是在常規(guī)超臨界機組的基礎上發(fā)展的。2002年9月，國家“863”計劃“超超臨界燃煤發(fā)電技術”以及依托工程--華能玉環(huán)電廠開始啟動。

為了論證我國自主開發(fā)大型超超臨界機組的技術方案，國內很多研究機構開展了超超臨界火電機組技術開發(fā)可行性研究工作。綜合分析了國外各大公司在發(fā)展超超臨界技術中解決的設計研究技術關鍵技術，研究了超超臨界火電機組當前的技術水平和發(fā)展趨勢，對超超臨界火電機組的研制和關鍵技術和我國發(fā)展超超臨界技術的基礎和條件進行了分析。并提出我國研發(fā)的超超臨界機組選型25-28MPa/600℃的參數(shù)、一次中間再熱方式、600MW至1000MW的容量較適合。

為此，國內各大動力制造企業(yè)相繼引進了國外成熟的超超臨界技術，目前均以具備百萬千萬等級超超臨界機組的生產制造能力。其中上海汽輪機廠、東方汽輪機廠、哈爾汽輪機廠分別引進西門子、日立、日本東芝公司的超超臨界汽輪機制造技術后進行了技術升級。

表1 三大主機廠新型百萬機組技術特點表

圖1 上汽機組滑銷系統(tǒng)設置示意圖

2 軸系特點

上汽機組由高壓轉子、中壓轉子、兩根低壓轉子、發(fā)電機轉子和勵磁機轉子組成，各轉子之間均采用剛性聯(lián)軸器連接。高壓轉子為雙支撐結構，中壓轉子和兩根低壓轉子為單支撐結構，發(fā)電機與勵磁機轉子為三支撐結構，即勵磁機也為單支撐結構。采用“N+1”的單軸承支撐方式，各汽缸之間僅有一個軸承，四汽缸五個軸承，總跨度27米，比其它機型要短8-10m。

單支承方式不僅是結構比較緊湊，主要還在于可以減少基礎變形對軸系對中的影響，又極大地縮短了機組軸系長度，廠房投資相應下降，經濟性較高。軸承支撐為落地式軸承座，無臺板，軸承座整體灌漿。這種方式，可以減少真空變化以及汽缸變形影響機組振動的穩(wěn)定性。然而單軸承支撐的設計，使得軸承的承載載荷重、金屬瓦溫高、單軸承比壓大、采用高粘度油，因此徑向軸承支撐采用西門子公司特制的軸承[1]。相對常規(guī)機組（雙支點支撐）軸承金屬溫度及回油溫度偏高，上汽采用新型袋式軸承，承壓能力及烏金材料均有大幅改進，各支撐軸承均可在130℃以下長期運行。

東汽機組由高壓轉子、中壓轉子、兩根低壓轉子、發(fā)電機轉子（沒有獨立的勵磁機轉子）組成，各轉子之間均采用剛性聯(lián)軸器連接。高壓轉子、中壓轉子和兩根低壓轉子均為雙支撐結構，發(fā)電機轉子為三支撐結構。汽輪機轉子采用整鍛無中心孔轉子，采用雙軸承支撐方式，總跨度36米，比上汽機型要長9m。高、中壓轉子采用可傾瓦軸承，低壓轉子采用橢圓軸承。這些支持軸承均安裝在與汽缸分開的獨立軸承箱內并直接坐落在基礎橫梁上，這樣布置使所有轉子都具有最穩(wěn)定的支撐系統(tǒng)，確保軸系的穩(wěn)定運行和動靜的完美對中。推力軸承（轉子的膨脹死點）位于#2和#3支持軸承之間，即高壓缸和中壓缸之間的軸承箱上，這種布置使高壓和中壓的軸向間隙相對較小，有利于高、中壓通流的高效和安全設計。

哈汽機組由高壓轉子、中壓轉子、兩根低壓轉子、發(fā)電機轉子（沒有獨立的勵磁機轉子）組成，各轉子之間均采用剛性聯(lián)軸器連接。高壓轉子、中壓轉子和兩根低壓轉子均為雙支撐結構，發(fā)電機轉子為三支撐結構。汽輪機轉子采用整鍛無中心孔轉子，采用雙軸承支撐方式，總跨度38米，比上汽機型要長11m。高、中壓轉子采用可傾瓦軸承，低壓轉子采用橢圓軸承。這些支持軸承均安裝在與汽缸分開的獨立軸承箱內并直接坐落在基礎橫梁上，這樣布置使所有轉子都具有最穩(wěn)定的支撐系統(tǒng)，確保軸系的穩(wěn)定運行和動靜的完美對中。推力軸承（轉子的膨脹死點）位于#2和#3支持軸承之間，即高壓缸和中壓缸之間的軸承箱上，這種布置使高壓和中壓的軸向間隙相對較小，有利于高、中壓通流的高效和安全設計。

圖2 東汽機組滑銷系統(tǒng)設置示意圖

圖3 哈汽機組滑銷系統(tǒng)設置示意圖

圖4 上汽機組高壓缸外形圖

圖5 上汽機組第一級靜葉斜置圖

3 滑銷系統(tǒng)

上汽的滑銷系統(tǒng)：轉子由軸承座中的徑向軸承支撐，軸承座均支撐在基礎上，不隨機組膨脹移動。在大多數(shù)情況下，汽缸也擱于軸承座上，應當采取措施以確保汽缸能從中間在垂直和水平面上自由膨脹同時又不影響轉子與汽缸的對中狀態(tài)。

轉子的死點在推力軸承上，汽輪機的轉子通過聯(lián)軸器連接成一根軸系，因此多根轉子只需要一個推力軸承。內缸通過插入到軸承座中的推拉桿或類似推拉桿的裝置連在一起，只有一個死點，定位在高、中壓缸之間的#2軸承座上。高壓缸后貓爪和中壓缸前貓爪在#2軸承座上固定。中壓外缸與低壓內缸以及低壓內缸與低壓內缸之間以推拉桿形式連接，減少低壓缸的相對膨脹。

東汽機組的滑銷系統(tǒng)：缸體設三個絕對死點、#3軸承箱下方一個、兩個低壓缸的中心線附近各一個。

推力軸承安裝在#2軸承后，#1、#2軸承箱采用自潤滑滑塊設計。

哈汽機組的滑銷系統(tǒng)：本機組采用多死點滑銷系統(tǒng)。分別位于低壓缸A和低壓缸B中心附近及3#軸承箱底部橫向定位鍵與縱向導向鍵的交點處，每個低壓缸分別以本身的死點向電、調端自由膨脹；高、中壓汽缸采用貓爪和立銷組合的滑銷系統(tǒng)，連同前軸承箱和#2軸承箱一起向機頭方向膨脹。轉子的膨脹死點位于推力軸承處，推力軸承布置在高壓缸與中壓缸之間的軸承箱上。轉子以此為基點，高壓轉子向機頭方向膨脹，中壓轉子和低壓轉子向發(fā)電機方向膨脹。

4 各汽缸

上汽機組：高壓缸整體發(fā)運。高壓缸采用雙層缸設計。外缸為桶形設計，由垂直中分面分為進汽缸和排汽缸。內缸為垂直縱向平分面結構。由于缸體為旋轉對稱，使得機組在啟動停機或快速變負荷時缸體的溫度梯度很小，熱應力保持在一個很低的水平。內缸為垂直縱向平分面結構，中分面應力也很小，安全可靠性高。

圖6 上汽機組中壓缸外形圖及中壓第一級斜置靜葉

高壓通流部分采用小直徑多級數(shù)的設計原則。采用單流程，葉片級通流面積比雙流程增加一倍，葉片端損大幅下降。高壓切向進汽，斜置45度第一級靜葉，結構緊湊，損失小。全周進汽無汽隙激振問題。全部采用“T”型葉根，漏汽損失小。除末三級外全部采用全三維扭葉片。

主調門布置在汽缸兩側，切向進汽，損失小。無蒸汽管道，直接與汽缸相連。閥門與汽缸間采用大型螺紋連接，有利于大修拆裝。閥門直接支撐在基礎彈性支架，對汽缸附加作用力力小。閥門采用小網眼、大面積的不銹鋼永久性濾網。其特點是過濾網直徑小，濾網剛性好，不易損壞。

采用獨特的補汽調節(jié)閥技術。按照全周進汽、滑壓運行配套的標準設計，相當于主汽門后的第三個高負荷調節(jié)閥。等焓節(jié)流，減低溫度還可起到冷卻高壓缸作用。補汽閥與兩個主調門一樣執(zhí)行ATT-自動在線試驗程序，執(zhí)行所有的跳機指令。補汽閥能執(zhí)行單獨動作指令。

中壓缸整體發(fā)運。采用內外缸雙層結構，水平中分面分成上下半。中壓外缸通過貓爪搭在軸承座上，調閥端直接固定在二號軸承座上，軸承座與貓爪之間的滑動支承面均采用耐磨低摩擦合金。中壓缸采用雙分流形式，中部兩側切向進汽，排汽口位于汽缸頂部中間位置。

低壓外缸直接坐于凝汽器上，低壓外缸現(xiàn)場焊接，和凝汽器剛性連接，減少了基礎載荷。低壓外缸通過軸封補償器和端部汽封彈性連接，軸封補償器可以吸收內外缸相對膨脹。從外缸伸入缸內的各部件也均采用補償器進行連接。

低壓內缸通過其前后各二個貓爪，搭在前后二個軸承座上，支撐整個內缸、持環(huán)及靜葉的重量。低壓內缸兩側底部設有橫向定位鍵槽與基礎埋件相連接，防止低壓內缸橫向和周向移動。低壓內缸以推拉裝置與中壓外缸連接，減少低壓缸的相對膨脹。

圖7 東汽機組高壓外缸、內缸結構示意圖

圖8 東汽機組中壓外缸結構示意圖

圖9 哈汽機組高壓外缸、內缸結構示意圖

東汽機組：高壓模塊采用雙層缸結構，外缸為常規(guī)結構，內缸為筒形缸結構。高壓缸采用小貓爪支撐，高壓缸上下半各設一個進汽口，采用切向進汽，來自鍋爐過熱器的新蒸汽經過12個壓力級做功后由兩個高壓排汽口排入鍋爐再熱器并進入中壓缸。高壓共有兩級抽汽，第1段抽汽口布置在高壓第9級后的汽缸上，第2段抽汽布置在高壓排汽管道上。

高壓模塊制造廠內總裝完成后，整體發(fā)貨至電廠。電廠安裝時高壓模塊不解體，只需復測汽缸端面定位尺寸即可。

中壓模塊采用雙層缸結構，汽缸下半設兩個進汽口，布置在中壓外缸兩側，來自鍋爐再熱器的再熱蒸汽通過2×8個壓力級做功后有連通管引入低壓缸。中壓共有三級抽汽，第3段抽汽口布置在中壓第3級后；第4段抽汽口布置在中壓第6級后；第5段抽汽布置在中壓第8級后。降低中低壓分缸壓力至0.6MPa，低壓缸部分焓降由效率更高的中壓缸承擔，使機組經濟性得到提升。

設有A、B兩個低壓缸。每個低壓缸為分流式三層焊接結構，由低壓外缸、低壓內缸和低壓進汽室三部分組成。獨立的內缸支承在外缸內4個凸臺上，內、外缸間用鍵進行軸向和橫向定位。在內、外缸之間蒸汽進口處設有波紋管膨脹節(jié)，此處允許內、外缸之間有相對位移，并防止空氣滲入低壓缸。低壓外缸與凝汽器之間均采用撓性連接[2]。末級葉片采用1200mm動葉。低壓共有四級抽汽，A、B低壓缸非對稱布置。6、8級抽汽在A低壓第1、3級后，分別進入6、8級加熱器；7、9級抽汽在B低壓第2、4級后，分別進入7、9級加熱器。

哈汽機組：主汽調節(jié)聯(lián)合閥就近布置在高壓缸兩側運轉層上，減少閥后管路沿程損失，結構緊湊，方便檢修。采用低壓損型主汽調節(jié)聯(lián)合閥，閥門全開壓損小于2%。配合切向蝸殼全周進汽形式，高壓缸第一級靜葉片采用軸向布置形式，采用低反動度大焓降葉片級，有效降低高壓轉子接觸到的最高蒸汽溫度。高壓缸各級動葉采用T型葉根，高壓內缸采用緊箍環(huán)密封技術。高壓模塊整體運輸。

中壓通流采用正反向布置的12級反動式壓力級，中壓轉子、中壓內缸以及中壓前2級靜葉材料選取高溫性能更好的CB2（鑄件）和FB2（鍛件）材料。中壓主汽閥碟與調節(jié)閥碟共享一個閥座。

降低低壓缸進汽壓力至0.5MPa,一方面將更多焓降放在效率更高的中壓缸，提高整機效率，一方面降低低壓進汽壓力，從根本上杜絕低壓缸中分面和抽汽管泄露導致的機組效率降低，提高機組運行安全性。低壓內缸直接支撐在基礎上，轉子和內缸在真空變化、低壓噴水、低負荷運行等各種工況下都保持完美的同心度，因為外缸的變形不會導致通流部件動靜中心變化；可將因轉子和靜子零件接觸而產生摩擦振動的危險降到最小。

5 盤車裝置

上汽機組：盤車裝置安裝于前軸承座前，采用液壓馬達進行驅動，油來源于頂軸油。盤車裝置采用自動嚙合型，能使汽輪發(fā)電機組轉子從靜止狀態(tài)轉動起來，盤車轉速為60rpm。盤車裝置配有超速離合器，能做到在汽輪機沖轉達到一定轉速后自動退出，并能在停機時自動投入。盤車裝置與頂軸油系統(tǒng)、發(fā)電機密封油系統(tǒng)之間設置聯(lián)鎖。

東汽機組：盤車裝置安裝于#2低壓缸后軸承箱內，采用電動盤車，電動機驅動齒輪組傳動減速機構與轉子齒輪嚙合旋轉。在汽機轉速降至零轉速時，既能電動盤車，也能手動盤車。盤車裝置是自動嚙合型的，能使汽輪發(fā)電機組轉子從靜止狀態(tài)轉動起來，盤車轉速2r/min。盤車裝置除能在就地對盤車進行啟停外，還留有與DCS的接口，運行人員在控制室對盤車進行全部啟停操作和監(jiān)視。盤車裝置的設計能做到在汽輪機沖轉達到一定轉速后自動退出，并能在停機時自動投入。盤車裝置與頂軸油系統(tǒng)、發(fā)電機密封油系統(tǒng)間設聯(lián)鎖。

圖10 哈汽機組低壓內缸落地布置圖

哈汽機組：盤車裝置安裝于#2低壓缸后軸承箱內，采用電動馬達，盤車裝置正常啟停時在DCS操作，也具有就地操作方式。盤車裝置屬于自動嚙合型的，能使汽輪發(fā)電機組轉子從靜止狀態(tài)轉動起來，并能在正常軸承油壓情況下維持連續(xù)運行，盤車轉速3.9rmp。盤車裝置能做到在汽輪機沖轉達到一定轉速后自動退出，并能在停機時自動投入。盤車裝置與頂軸油系統(tǒng)間設聯(lián)鎖。

6 結論

國內三大主機1000MW機組在結構設計上有相似的發(fā)展趨勢，如主蒸汽壓力、溫度參數(shù)一致，采用多級數(shù)小焓降高效率通流設計，高壓模塊制造廠內裝配后整體運輸，高壓通流全周進汽取消調節(jié)級等。上汽機組具有一些不同于其他廠的結構圖特點，如采用“N+1”的單軸承支撐方式，滑銷系統(tǒng)汽缸只設置一個膨脹死點，汽缸與轉子膨脹方向一致，高壓外缸采用桶形缸、設置補汽閥、采用液壓盤車等。整體而言，上汽機組采用模塊化設計多年，相關機組應用業(yè)績廣泛，技術最為成熟；東汽和哈汽的新型1000MW機組應用業(yè)績較少，相關技術的應用可靠性還需時間驗證。

[1]應光耀，單支撐超超臨界百萬機組振動技術研究報告[J]．浙江省電力試驗研究院科學技術文件，2010年12月．

[2]楊曉燕、高展羽、劉雄，東方超超臨界1000+MW汽輪機結構特點介紹[J]．東方汽輪機，2016年9月第3期．