淺析東汽百萬千瓦等級汽輪機技術特點

【摘要】近年來，隨著國民經濟的高速發展和發電技術的不斷升級，對于資源嚴重緊張的我國，發展大容量高效率、節能環保型汽輪發電機組已迫在眉睫；本文介紹了東方汽輪機有限公司百萬超超臨界汽輪發電機組的技術特點，通過采用新型，大容量單軸汽輪機模塊以及一系列獨特結構和先進技術，使機組的經濟性和安全可靠性達到世界先進水平。該機組還能滿足今后更高壓力、熱電聯供等不同超超臨界電廠的需要，在我國高效潔凈燃煤發電領域有廣闊的發展前景。

【關鍵詞】超超臨界；百萬千瓦；汽輪機；特點

近年來我國持續出現嚴重霧霾天氣，新環保法的出臺，對推廣清潔能源的生產和利用，提出了更高要求，高效潔凈燃煤發電技術將成為當今世界電力工業的主要發展方向之一。隨著1993年“600℃”鐵素體高溫材料在日本某電廠投運，標志著世界汽輪機技術的發展進入了一個新的“超超臨界參數”發展階段。本文對東方汽輪機廠設計、生產的1000MW機組，采用具有優異運行業績的成熟高、中、低壓模塊的單軸、四缸四排汽百萬等級超超臨界汽輪發電機組作一介紹。

1.超超臨界汽輪機選材特點

隨著材料研究和冶煉工藝的不斷提高，使汽輪機發電機組采用更高的蒸汽參數成為可能，更進一步地提高了機組的效率，降低了溫室氣體的排放量。東汽、日立公司在試驗研究、設計制造、安裝調試等各個環節投入了大量人力物力，東汽-日立型超超臨界汽輪機采用600℃/600℃高進汽參數，因而對關鍵高溫部套的材料及結構設計提出了極高的要求。這類部套主要包括高、中、低壓轉子、汽缸等。

1.1 高、中壓轉子選材

因高溫、高工作應力及高熱應力（尤其在啟動時），高、中壓轉子材料必須具有很高的高溫蠕變極限與疲勞極限。目前世界上這類轉子材料已成熟了三代——CrMoV、12Cr及改良型12Cr，正在發展并調試用第四代——新12Cr與第五代（奧氏體鋼、超含金）。前四代材料在汽輪機轉子上的使用溫度（指進汽溫度）大致為：CrMoV-535℃（改良型CrMoV可用至566℃）；12 Cr-593℃；改良型12Cr-620℃；新12 Cr-630℃。機組高、中壓轉子根據進汽溫度（600℃）及應力水平等實際工程因素，選用了改良型12Cr鍛鋼——即12 CrMoVNbNW。日立公司早在70年代即將開始對這種材料在600℃溫度下進行旋轉試驗。90年代已進入成熟期，最早用于日本原町電廠2號機上，其進汽參數為24.6MPa/600℃/600℃，功率為1000MW，于1998年7月投入商業運行。多年運行歷史證明該材料的成熟性。同樣的材料也用于日立公司爾后的700MW、1000MW超超臨界機組的高、中壓轉子上。

1.2 低壓轉子選材

超超臨界機組低壓缸進汽溫度因再熱溫度的提高而隨之提高，達到約390℃，需改用高純度（盡可能降低P、Sn、Sb等雜質含量）、低合金Mn、Si含量的NiCrMoV鍛鋼，日本牌號為3.5NiCrMoV，中國牌號為30Cr2Ni4MoVu。它可以在保持很低的脆性轉變溫度（FATT）同時防止等溫回火催化。

1.3 高中壓缸選材

高溫型超超臨界汽輪機中壓缸與高壓缸一樣都需要采用雙層缸結構。由于內、外缸的溫度與工作應力不同，故選材也有明顯的差別。高中壓外缸進汽部分與內缸之間的間隙較小，易受內缸熱輻射而導致溫度局部升高，故在此間隙內引入少量蒸汽對熱輻射進行隔離是必要的。高壓內缸的進汽溫度高達600℃，體積大，對剛性要求高，故應選抗蠕變強度及熱疲勞強度高的12Cr鑄鋼。高中壓外缸內壁溫度大部分均低于540℃，僅進汽區段受內缸熱輻射，局部內壁溫度可能高于570℃，在結構上采取冷卻隔離措施，使整個高、中壓外缸內壁溫度降到540℃以下，高、中壓外缸材料可選用工藝性能好且價格低廉的CrMoV鑄鋼。

2.調節級噴嘴結構特點

東汽1000MW機組采用噴嘴配汽方式，由于部分進汽的原因會對調節級動葉產生“Kick”效應，調節級動葉受到的汽流載荷如圖1所示，該“Kick”效應早已被國外公司采用水撞試驗所驗證，而且東汽也在對調節級進行的數值CFD分析中計算出了實際的氣流載荷分布情況，與試驗數據非常吻合。通過采取優化措施，對噴嘴的非進汽弧段進行結構優化，可以有效的減小“Kick”峰值載荷約20%，提高了調節級的安全裕度。該優化措施已被國外公司應用，并且取得了良好的效果，已在660MW機組上實施，因此，1000MW機組都采用該優化措施，以提高調節級動葉的安全裕度。

3.末級葉片設計特點

為滿足大容量機組需要，日立在40〞長葉片基礎上開發研制了43〞全轉速末級鋼葉片；已在日本某電廠成功投運，且運行業績優良，機組創造了日本電廠最高熱效率記錄。43〞葉片汽道有效長度1092.2mm，四排汽環形面積為40.44㎡，單位面積容量（22.3MW/㎡）處于日立給定的排汽環形面積與機組容量的相互關系的平均值附近。

3.1 動靜葉型線設計

43〞末級葉片靜、動葉型以具有優良氣動性能的40〞葉片級的靜、動葉型線為母型模化改進設計而來。靜葉片葉型是在層流葉型基礎上優化設計的新一代高效靜葉，采用可控渦彎扭成型技術；根部采用上凸子午流道，改善根部流動；出汽邊厚度采用0.38mm減小尾跡損失和動葉激振力；動葉根部葉型采用先進的有利于減少二次流損失的“K”型通道葉型，中上部葉型采用先進的適合跨音速流動的背弧斜切部分為直線的縮放通道葉型，與相應的馬赫數相適應。在動葉頂部，由于相對速度的增加，新優化設計了一段超音速縮放通道，其局部最高馬赫數達2.3，平均出口馬赫數達1.86。

3.2 43〞葉片的結構設計

43〞末級動葉片葉根采用大剛度高可靠性的叉形葉根，連接件結構采用減振效果優良的凸臺式阻尼拉筋，連接件結構采用減振效果優良的凸臺式阻尼拉筋和單層自帶冠結構。靜態時保證連接件間留有最佳安裝間隙，在一定轉速下開始接觸，在額定轉速時連接件接觸面產生一定的最佳正應力，在此正應力作用下，阻尼件將大大地消耗葉片振動能量，衰減振動，降低葉片的動應力。

4.配汽優化特點

東汽超超臨界1000MW機組配汽方式為復合配汽，在低負荷工況下運行時，四個調節閥同開節流損失大，與噴嘴配汽比經濟性差。針對大多數電廠已投運機組常年運行在50～90%負荷的情況，通過調門配汽優化以提高低負荷工況的經濟性。

1）利用機組閥門配置的優勢，實現全周進汽和部分進汽的無擾切換，獲得部分負荷條件下運行的最佳經濟性。

2）根據每個電廠的負荷情況，配合電廠進行配汽曲線的優化和運行參數的優化工作，獲得部分負荷運行的最佳經濟性。

原日立設計的配汽方式為復合配汽（部分進汽/全周進汽）。即由四個高壓油動機驅動四個高壓調節閥（每個調節閥對應一個噴嘴組），實現汽輪機的流量（負荷）調節。該種配汽方式下各閥嚴格按照預定的程序執行啟閉，升程關系固定。在啟動和較低負荷時，汽輪機采用節流調節，此時四個調節閥同時開啟，帶一定負荷后，關小、關閉部分閥門，轉為噴嘴調節。這種配汽方式其最佳負荷點在90%～100%額定負荷范圍之內，但仍然兼顧了部分負荷的運行經濟性。為減少節流損失，部分負荷采用滑參數配汽，即保持閥門開度不變，靠改變進汽壓力來改變進汽量。

與負荷指令關系曲線

東汽某百萬機組配汽方式優化后，50%額定負荷機組煤耗較原設計降低3.7g/（kW.h）；60%額定負荷機組煤耗較原設計降低2.5g/（kW.h）；70%額定負荷機組煤耗較原設計降低1.8g/（kW.h）；80%額定負荷機組煤耗較原設計降低1.2g/（kW.h）；90%以上額定負荷兩種配汽方式的機組煤耗相當。

5.結論

提高火力發電機組容量是世界眾多設備制造廠家長期科研努力的方向，是發展火力發電設備技術唯一的途徑，也對節約能源、改善環保和提高發電效率、降低發電成本起到根本性的作用。本文通過對東方引進型超超臨界百萬汽輪機組技術特點的分析，了解世界目前火力發電機組發展的最新成果和最先進的設計理念，這對我國發電設備制造業的發展和提高設計水平有著很好的借簽作用。

參考文獻

[1]羅方.東方汽輪機百萬機組技術資料[Z].東方汽輪機廠.