超超臨界二次再熱660 MW汽輪機的總體設(shè)計

唐麗麗，張曉東，侯明軍（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

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超超臨界二次再熱660 MW汽輪機的總體設(shè)計

唐麗麗，張曉東，侯明軍
（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

摘要：文章對公司超超臨界二次再熱660 MW汽輪機的總體設(shè)計特點進行了介紹，包括機組熱力系統(tǒng)、本體結(jié)構(gòu)、輔助系統(tǒng)和機組的啟動運行等。經(jīng)過詳細計算和論證，以及機組的實際投運情況，證明了公司二次再熱660 MW機組是安全和高效的。

關(guān)鍵詞：二次再熱，熱力系統(tǒng)，本體設(shè)計，輔助系統(tǒng)，啟動運行

0 前言

應經(jīng)濟發(fā)展和國情要求，清潔高效的燃煤發(fā)電技術(shù)越來越受到重視。近年來，隨著蒸汽壓力和溫度的進一步提高，采用二次中間再熱技術(shù)就顯得十分必要和合理，二次再熱技術(shù)是一項既可提高效率又切實可行的技術(shù)，被列為《國家能源技術(shù)“十二·五”規(guī)劃》重要攻關(guān)技術(shù)。二次再熱技術(shù)在國內(nèi)迅猛發(fā)展，國內(nèi)目前有多臺二次再熱機組招標在建。采用由東方電氣集團完全自主研發(fā)設(shè)計的汽輪發(fā)電機組的國內(nèi)首座二次再熱電廠——華能安源電廠的2臺660 MW汽輪機分別于2015年6月27日、8月24日順利通過168，進入了商業(yè)運行（見圖1）。

圖1　安源電廠照片

安源電廠2臺機組從啟動到帶滿負荷過程十分順利，各項數(shù)據(jù)優(yōu)良。額定負荷時，各汽缸溫度場分布合理，高溫模塊內(nèi)缸內(nèi)外壁溫差小于40℃，外缸溫差小于10℃，熱應力較小，有效延長了機組高溫部件熱疲勞壽命。安源電廠的2臺機組軸系啟動、運行中振動優(yōu)異，機組振動均在45 μm以下，支持軸承瓦溫在86℃以下。

安源電廠二次再熱機組的成功投運，標志了二次再熱技術(shù)在國內(nèi)應用的成功，驗證了東方汽輪機有限公司（以下簡稱東汽）的二次再熱技術(shù)是安全、可靠的，東汽基本掌握了二次再熱汽輪機設(shè)計、制造、運行等核心技術(shù)。本文主要介紹東汽的超超臨界二次再熱660 MW汽輪機的總體設(shè)計。

1 熱力系統(tǒng)方案

二次再熱的目的是為了提高機組的經(jīng)濟性。二次再熱循環(huán)示意圖如圖2所示。主蒸汽參數(shù)、一二次再熱參數(shù)、排汽參數(shù)、回熱系統(tǒng)都是影響汽輪機循環(huán)效率的重要因素。

圖2　二次再熱循環(huán)示意圖

二次再熱機組的熱力系統(tǒng)較常規(guī)一次再熱機組的系統(tǒng)復雜，除進汽初參數(shù)較高外，還增加了一次再熱循環(huán)。二次再熱機組參數(shù)的選擇和系統(tǒng)的設(shè)計也不同于一次再熱機組。針對二次再熱機組特點，東汽論證了主蒸汽參數(shù)、一二次再熱參數(shù)與機組效率的關(guān)系，兼顧主蒸汽參數(shù)提升對高溫部件強度、汽密性、材料選用的影響及再熱壓力與給水溫度、排汽溫度、排汽濕度、容積流量的影響，確定二次再熱機組的主蒸汽參數(shù)和再熱蒸汽參數(shù)。東汽超超臨界660 MW二次再熱汽輪機的熱力系統(tǒng)如圖3所示。在設(shè)計工況下，熱力方案主要特點如下：

?汽輪機的進汽參數(shù)為31 MPa/600℃/620℃/620℃。

?一次再熱壓力約占主蒸汽壓力的34.7%[1]。

?二次再熱壓力約占主蒸汽壓力的10.93%[1]，中壓排汽壓力宜在0.5 MPa左右。

?回熱系統(tǒng)有10級回熱，包括4臺高壓加熱器、1臺除氧器、5臺低壓加熱器，除氧器采用滑壓運行。

?設(shè)置2個串聯(lián)的外置式蒸汽冷卻器，熱耗可降低約20 kJ/kW·h。

?小汽輪機帶動給水泵和引風機，用來降低廠用電；正常運行時，汽源均來自5號抽汽。

?在凝結(jié)水管路上可并聯(lián)1個低溫省煤器，熱耗可降低約35 kJ/kW·h。

圖3　安源660 MW二次再熱機組熱力系統(tǒng)圖

2 總體設(shè)計思路

早在2009年5月東汽就開始組建專門的團隊設(shè)計研發(fā)超超臨界二次再熱汽輪機，整體設(shè)計思想是在繼承現(xiàn)有成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，立足自主研發(fā)，采用先進的設(shè)計手段并結(jié)合試驗研究。經(jīng)過一系列的研究、設(shè)計和評審，東汽已完全掌握成熟可靠、性能先進的660 MW～1 000 MW等級二次再熱超超臨界機組的研制技術(shù)。

660 MW二次再熱汽輪機的總體方案是在東汽超超臨界660 MW高中壓合缸機型上增加一個超高壓模塊形成四缸四排汽[2]。機組四缸四轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計方案繼承了東汽超超臨界1 000 MW機組和新超超臨界660 MW機組的整體特點。因此，機組整體滑銷系統(tǒng)、機組軸系、潤滑油系統(tǒng)、頂軸油系統(tǒng)、自密封系統(tǒng)均與傳統(tǒng)四缸機組保持一致，具有諸多運行業(yè)績，成熟可靠[1-2]。

超高壓缸采用單流，雙層缸結(jié)構(gòu)，超高壓內(nèi)缸采用紅套環(huán)密封的圓筒形汽缸，提高機組安全可靠性，筒形缸技術(shù)已在焦作、茌平、萬州等項目中得到成功投運。

高壓和中壓合缸對置形成高中壓模塊，再熱蒸汽進汽溫度620℃，為防止熱應力引起的熱變形，合理選擇高溫材料。整個合缸模塊結(jié)構(gòu)在東汽超超臨界660 MW機組基礎(chǔ)上進行改型設(shè)計，并根據(jù)東汽超超臨界660 MW機組現(xiàn)場運行情況優(yōu)化該模塊（見表1）。

表1　機組模塊技術(shù)來源[2]

低壓模塊為成熟模塊，已經(jīng)廣泛應用于超臨界和超超臨界機組，有909 mm和1 016 mm末葉可進行配置，安源項目采用了1 016 mm末級長葉片。

此外，機組中采用的新材料和新結(jié)構(gòu)均經(jīng)過了多臺機組的運行驗證，如高溫鑄鍛件、耐高壓自密封閥門、整體發(fā)運等技術(shù)，均已在多臺機組上使用、投運且證實安全可靠。

3 汽輪機本體設(shè)計

東汽超超臨界二次再熱660 MW汽輪機的三維外觀示意圖見圖4。機組為超超臨界、二次中間再熱、單軸、四缸四排汽、凝汽式汽輪機，含1個單流超高壓缸，1個單流高壓缸，1個單流中壓缸和2個雙流低壓缸。機組采用無調(diào)節(jié)級、全周進汽設(shè)計，新蒸汽經(jīng)超高壓缸做功后經(jīng)一次再熱進入高壓缸做功，然后再經(jīng)過二次再熱進入中壓模塊做功后進入2個雙流低壓模塊，做功后排入凝汽器。汽輪機外形尺寸為35 m×8.2 m×8.2 m（長× 寬×高）。

圖4　東汽660 MW二次再熱機組的三維外觀圖

3.1 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

合理的汽輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計是保證汽輪機可靠運行的先決條件，東汽超超臨界二次再熱660 MW汽輪機結(jié)構(gòu)有如下設(shè)計特點：

?汽輪機總體布置、軸系支撐結(jié)構(gòu)、滑銷系統(tǒng)與常規(guī)1 000 MW一次再熱機組相同，軸系穩(wěn)定性滿足設(shè)計規(guī)范。

?超高壓內(nèi)缸采用紅套環(huán)筒形汽缸，汽缸應力水平低、熱變形小。

?超高壓閥門切向進汽，高壓、中壓閥門采用浮動支撐布置在運行平臺上汽缸兩側(cè)以減小管道對汽缸的推力。

?汽輪機進汽參數(shù)提高后，高溫部件采用提升材料檔次以不增加部件厚度的方式來保證機組運行的靈活性。

?汽缸、閥門均采用有限元分析方法確定結(jié)構(gòu)尺寸，保證部件強度、剛性在合理范圍內(nèi)。

?合理組織高壓-中壓缸溫度場。汽缸夾層采用隔熱環(huán)等多項措施，保證內(nèi)缸內(nèi)外壁的溫差在設(shè)計范圍內(nèi)，外缸溫度不超過材料使用溫度。

?低壓模塊為成熟模塊，東汽可根據(jù)機組長期運行的背壓和負荷率來選擇經(jīng)濟性較好的末葉。

3.2 軸系設(shè)計

660 MW二次再熱機組軸系（見圖5）為單軸，由超高壓轉(zhuǎn)子、高中壓轉(zhuǎn)子、A低壓轉(zhuǎn)子、B低壓轉(zhuǎn)子及發(fā)電機轉(zhuǎn)子組成；轉(zhuǎn)子采用雙支撐方式，超高壓、高中壓采用可傾瓦軸承，低壓采用橢圓瓦軸承；轉(zhuǎn)子間采用剛性、沉頭液壓螺栓連接；高中壓轉(zhuǎn)子采用13Cr9Mo1Co1NiVNbNB鍛鋼，低壓轉(zhuǎn)子采用30Cr2Ni4MoV。

圖5　軸系簡圖

東汽軸系設(shè)計方法和準則在近百臺超（超）臨界一次再熱機組中得到了應用和驗證，積累了大量工程經(jīng)驗，進行了必要的修正。對于二次再熱機組，蒸汽參數(shù)更高，各缸焓降分配、功率比有別于一次再熱機組，對軸系安全可靠性、軸系穩(wěn)定性提出了更高的要求。本機組從軸系軸承匹配、汽封型式選擇、汽封間隙設(shè)計、汽缸結(jié)構(gòu)等方面進行了針對性設(shè)計，機組運行表明各項措施較為有效，機組運行全過程平穩(wěn)，無汽流激振現(xiàn)象發(fā)生。

3.3 滑銷系統(tǒng)

機組滑銷系統(tǒng)布置與設(shè)計采用東汽傳統(tǒng)四缸機組設(shè)計，見圖6。

圖6　660 MW二次再熱機組滑銷系統(tǒng)圖

?機組共設(shè)有3個絕對死點，分別位于中低壓缸間軸承箱、A低壓缸及B低壓缸的中心線附近。

?1#、2#軸承箱采用滑動設(shè)計，底部有自潤滑滑塊，摩擦系數(shù)低。

?多臺運行業(yè)績表明，滑銷系統(tǒng)能夠確保機組膨脹通暢。

3.4 汽輪機通流與流道技術(shù)

超超臨界二次再熱660 MW機組通用常規(guī)一次再熱機組通流技術(shù)，應用當前先進的設(shè)計理念、葉型技術(shù)等，結(jié)合先進的數(shù)值分析手段對所有蒸汽通過的流道進行了全三維分析，包括各模塊的閥門、進汽室、排汽缸（流線圖如圖7所示）和通流部分。具體措施有：

?進汽方式為全周進汽，減少氣動損失。

?開發(fā)氣動性能優(yōu)良的進排汽結(jié)構(gòu)，減小進排汽損失，提高機組經(jīng)濟性。

?采用氣動效率優(yōu)良動靜葉片型線，減小型線損失。

?超高壓通流采用小根徑、多級次設(shè)計，增加了葉片高度，降低了二次流損失及端壁損失。

?高壓通流采用當代先進的沖動式結(jié)構(gòu)，增加通流級數(shù)，降低葉片直徑，增加葉片高度，降低二次流損失及端壁損失。

?使用密封性能優(yōu)良的汽封結(jié)構(gòu)，減少漏氣損失。

?采用先進試驗手段對計算分析和關(guān)鍵技術(shù)進行性能驗證。

圖7　600 MW二次再熱機組流道優(yōu)化三維流線視圖

通流部分采用先進的全三維粘性設(shè)計技術(shù)進行設(shè)計，靜葉采用先進的彎曲葉片技術(shù)，減小二次流損失，動葉采用新全三維扭葉片成型技術(shù)和優(yōu)化可控渦技術(shù)，提高了級的氣動性能，見圖8和圖9。

圖8　扭葉片與彎扭葉片的對比

圖9　計算網(wǎng)格和中部截面馬赫數(shù)分布

3.5 檢修和維護的便捷性

東汽超超臨界二次再熱汽輪機在設(shè)計時就充分考慮了用戶的便捷性。

超高壓可以整體發(fā)貨，在制造廠內(nèi)總裝，可在電廠實現(xiàn)現(xiàn)場檢修，縮短檢修周期。轉(zhuǎn)子采用雙支撐，方便軸系找中和安裝。水平布置閥門提供有專用的起吊、安裝設(shè)備，高中壓軸承箱底部采用可調(diào)式墊鐵，方便軸系找中和標高調(diào)整。

4 輔助系統(tǒng)

4.1 凝汽器系統(tǒng)

凝汽器使用成熟的管束排列方式采用先進的模塊排列，每個凝汽器殼體采用4個管束。該排管方式使汽輪機排汽有更多的通道進入主凝結(jié)區(qū)及回熱熱井，以減小汽阻和凝結(jié)水過冷度。國外實測表明，其整體傳熱系數(shù)較HEI評估值高約15%。

凝汽器排管技術(shù)見圖10，具有以下主要優(yōu)點：

?蒸汽流程在凝汽器內(nèi)分配最佳，無渦流區(qū)，蒸汽通道中的蒸汽速度直到底部幾乎保持恒定，從而保證了凝汽器具有良好的綜合性能。

?蒸汽流動的阻力特別小，端差小。

?總體換熱效率高，在相同凝汽器面積下，背壓低于HEI預測值；空冷區(qū)設(shè)計在最佳位置，效率高，有利于真空泵的運行。

?凝汽器底部的橫管束達到了最佳的凝結(jié)水再加熱和除氧的目的，從根本上避免了凝結(jié)水過冷問題。

圖10　排管示意圖

4.2 冷卻系統(tǒng)

二次再熱機組系統(tǒng)復雜，鍋爐調(diào)溫控制是電廠系統(tǒng)最大的設(shè)計難點，尤其是在低負荷和高參數(shù)區(qū)都較難控制。對于首批高參數(shù)二次再熱機組，東汽在如何應對再熱調(diào)溫困難，甚至可能控溫失敗方面進行了必要的預案，預留了轉(zhuǎn)子冷卻系統(tǒng)。受再熱蒸汽容積流量大小影響，機組高壓葉片短于中壓葉片，高壓轉(zhuǎn)子應力狀況也優(yōu)于中壓轉(zhuǎn)子受力狀況。結(jié)合鍋爐再熱蒸汽溫度控制難度，本機組僅預留了中壓冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)及技術(shù)沿用東方一次再熱機組冷卻系統(tǒng)和技術(shù)，利用高壓排汽蒸汽對中壓轉(zhuǎn)子第一葉輪進行冷卻，確保其安全可靠性，提高其使用壽命，安源二次再熱汽輪機冷卻系統(tǒng)圖見圖11。

圖11　安源汽輪機冷卻系統(tǒng)圖

4.3 其他系統(tǒng)

潤滑油系統(tǒng)采用主油泵-油渦輪供油方式。系統(tǒng)供油安全、穩(wěn)定，潤滑油管路采用套裝油管路，所有系統(tǒng)的進油、回油都從套裝油管中進行，能夠有效地避免因油管破裂而引起的火災，保證機組安全。

頂軸油系統(tǒng)采用東汽成熟的頂軸油系統(tǒng)。

自密封系統(tǒng)均與常規(guī)超超臨界660 MW分缸機組類似，配置主汽站、輔汽站、溢流站及減溫站。

疏水系統(tǒng)在機組啟停機時，超高壓段、高中壓段和低壓段的疏水設(shè)置不同，另還考慮暖機系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的疏水，疏水系統(tǒng)中設(shè)有疏水擴容器。

以上幾種輔助系統(tǒng)均為成熟設(shè)計，在此不再贅述。

5 啟動運行技術(shù)

二次再熱機組啟動與運行技術(shù)是我國最缺少的核心汽輪機技術(shù)，也是二次再熱機組設(shè)計中最難的環(huán)節(jié)。冷態(tài)啟動、極熱態(tài)啟動、不同負荷運行、甩負荷等不同工況下汽輪機脹差、結(jié)構(gòu)熱應力、系統(tǒng)穩(wěn)定性等分析，汽輪機與鍋爐特性匹配、與旁路系統(tǒng)匹配等多種工況、多項技術(shù)耦合研究，極其復雜。

5.1 旁路系統(tǒng)的適應性

東汽此前的一次再熱機組曾與一級簡易大旁路匹配，也曾與二級串聯(lián)旁路進行匹配，積累了大量不同旁路配置下的設(shè)計經(jīng)驗和運行經(jīng)驗。安源項目汽輪機系統(tǒng)根據(jù)電廠40%容量的三級串聯(lián)旁路系統(tǒng)配置要求，進行了系統(tǒng)調(diào)整和結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖12所示。

圖12　超超臨界660 MW二次再熱機組三級旁路系統(tǒng)圖

40%旁路容量的機組，旁路閥門和管道尺寸小，凝汽器和疏水擴容器設(shè)計簡單，電廠總體初投資大幅度減少。機組采用超高壓缸、高壓缸、中壓缸三缸聯(lián)合啟動，目前現(xiàn)場多次啟停及試驗表明，東汽二次再熱機組啟停運行技術(shù)安全可靠，快速簡單，對旁路系統(tǒng)適應性較強。該機型可適應不同容量配置的旁路要求。

5.2 閥門控制策略

二次再熱機組系統(tǒng)復雜，增加了一組再熱閥門，機組閥門控制難度增大。簡化閥門控制策略實現(xiàn)運行簡單化就非常必要了。目前汽機超高壓調(diào)節(jié)閥與再熱調(diào)閥按1:3:3比例自動控制，僅需進行超高壓主調(diào)閥調(diào)節(jié)控制即可，調(diào)節(jié)運行簡單。啟停及常規(guī)運行過程中機組的閥門狀態(tài)如表2所示。

設(shè)置在超高壓和高壓排汽逆止閥前的通風閥，不參與啟動，僅為甩負荷時快速排汽。

表2　啟動運行及甩負荷過程中閥門啟閉狀態(tài)表

5.3 控制系統(tǒng)

東方提供的大型火電設(shè)備配套的相應控制系統(tǒng)（DEH）設(shè)備有對控制器專門做汽機ATC（自啟動）功能，其中包含了所有和汽機相關(guān)的ATC計算及檢測功能。機組DEH系統(tǒng)繼承了常規(guī)機組技術(shù)特點，增設(shè)了必要功能：

?DEH的ATC系統(tǒng)能根據(jù)機組當前的運行狀態(tài)，特別是轉(zhuǎn)子應力（或應變）的計算結(jié)果，自動地變更轉(zhuǎn)速、改變升速率、產(chǎn)生轉(zhuǎn)速保持、改變負荷變化率、產(chǎn)生負荷保持、直至帶滿負荷。

?在汽輪機啟動或負荷控制的任一階段，當出現(xiàn)異常工況或者人工發(fā)出停止ATC程序的指令后，ATC系統(tǒng)能將汽機退回到所要求的運行方式或自動地按照與啟動時基本相反的順序退回到使異常工況消失的階段。

?DEH的ATC系統(tǒng)能與控制系統(tǒng)協(xié)同工作，提供必要的接口和指令，以實現(xiàn)汽輪機組從盤車狀態(tài)直至帶滿負荷的全部自動操作。

?在常規(guī)一次再熱機組的基礎(chǔ)上，增加了一組再熱閥門控制單元；對超高壓排汽參數(shù)、高壓排汽參數(shù)等增設(shè)了保護控制系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

東汽在繼承現(xiàn)有機型成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，立足自主研發(fā)，采用先進的設(shè)計手段并結(jié)合試驗研究，對熱力系統(tǒng)、本體結(jié)構(gòu)、輔助系統(tǒng)和運行控制系統(tǒng)進行了研究，采用耐高溫新材質(zhì)、耐高壓筒型內(nèi)缸等先進技術(shù)，成功研發(fā)出了高參數(shù)二次再熱660 MW汽輪機。

安源二次再熱660 MW汽輪機的成功投運實現(xiàn)了我國超超臨界機組由一次再熱循環(huán)到二次再熱循環(huán)的跨越，對引領(lǐng)發(fā)電技術(shù)進步，實現(xiàn)燃煤機組高效清潔化具有深遠意義和示范作用，也為我國將來的650℃、700℃等級高參數(shù)燃煤發(fā)電機組研究積累了經(jīng)驗，奠定了一定的基礎(chǔ)。

參考文獻

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General Design for 660 MW Ultra-supercritical Double-reheat Steam Turbine

Tang Lili，Zhang Xiaodong，Hou Mingjun
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Abstract:In this paper,the general design characteristic for 660 MW ultra-supercritical steam turbine with double-reheat cycles of DTC is introduced,including the thermal system,the body structure,the auxiliary system and the start-up operation of the unit.Based on detailed calculation and demonstration,and the practical operation,the safety and high efficiency for 660 MW unit with double-re?heat of DTC is proved.

Key words:double-reheat,thermal system,body design,auxiliary system,start-up operation

作者簡介：唐麗麗（1982-），女，碩士研究生，工程師，畢業(yè)于重慶大學，從事汽輪機總體設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)研究工作。

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.01.002

中圖分類號：TK26

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9987（2016）01-0007-08