東方高效1 050 MW汽輪機優(yōu)化設(shè)計及經(jīng)濟性評價

井芳波，袁永強，衛(wèi)棟梁，陳顯輝，史宣平，賴強

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

東方高效1 050 MW汽輪機優(yōu)化設(shè)計及經(jīng)濟性評價

井芳波，袁永強，衛(wèi)棟梁，陳顯輝，史宣平，賴強

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

東汽采用先進的設(shè)計手段并結(jié)合試驗研究，對熱力系統(tǒng)、配汽方式、通流、中低分缸壓力、進排汽結(jié)構(gòu)等進行了優(yōu)化，自主研發(fā)了新型高效1 050 MW超超臨界汽輪機。機組投運后的熱力性能考核試驗表明：機組經(jīng)濟性提升效果顯著，與引進型D1000A機型相比，機組熱耗降低約300 kJ/kW·h。機組總體水平達到超超臨界1 000 MW機組的國際先進水平。

高效，1 050 MW汽輪機，優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)濟性

0 引言

為了適應(yīng)市場發(fā)展需求，把握國家產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向，進一步降低汽輪機熱耗以提高東汽產(chǎn)品的市場競爭力，東汽不斷追求技術(shù)進步，先后自主開發(fā)了超超臨界1 000 MW供熱機組、超超臨界1 000 MW空冷機組、超超臨界1 030 MW濕冷機組。采用先進的設(shè)計手段并結(jié)合試驗研究，對熱力系統(tǒng)、配汽方式、通流、中低分缸壓力、進排汽結(jié)構(gòu)等進行了優(yōu)化、創(chuàng)新，東汽自主研發(fā)了新型高效1 050 MW超超臨界機組 （D1000K機型），并在神華萬州電廠成功投運。

1 高效1 050 MW超超臨界汽輪機概況

東方高效1 050 MW超超臨界機組為單軸、四缸四排汽、凝汽式汽輪機，產(chǎn)品型號為N1050-28/600/620，廠內(nèi)編號為D1000K。從機頭至機尾依次串聯(lián)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(diào)節(jié)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(shù)為2×2×5級，末級葉片高度1 200 mm。汽輪機縱剖面圖見圖1。主蒸汽經(jīng)2根導(dǎo)汽管進入2個高壓主汽閥、2個調(diào)節(jié)閥，經(jīng)2根高壓主汽管從高壓外缸2個進汽口進入高壓缸，通過高壓缸做功后，去鍋爐再熱器。再熱汽經(jīng)2根再熱管進入中壓聯(lián)合汽閥，經(jīng)2根導(dǎo)汽管進入中壓缸中部下半，做功后的蒸汽經(jīng)1根異徑連通管分別進入2個雙流低壓缸（A、B），做功后排入凝汽器。總體結(jié)構(gòu)三維立體圖見圖2。

圖1 東方N1050-28/600/620型汽輪機組縱剖面圖

圖2 東方N1050-28/600/620型汽輪機組三維立體圖

2 高效1 050 MW超超臨界汽輪機技術(shù)規(guī)范

機組型號： N1050-28/600/620

額定功率：1 050 MW

最大功率：1 110 MW

VWO流量：3 035 t/h

機組參數(shù)： 28 MPa/600℃/620℃

排汽壓力： THA 4.92 kPa、TRL 8.6 kPa

結(jié) 構(gòu)：筒形高壓內(nèi)缸、四缸四排汽、高中壓分缸、高壓缸單流

通流級次：HP 12、IP 2×8、LP 2×2×5

配汽方式：節(jié)流配汽

回?zé)峒墧?shù)：9級 （3高加+1除氧+5低加）

外形尺寸：37.7 m×11.42 m×8.9 m

末級葉片：1 200 mm

3 高效1 050 MW超超臨界汽輪機優(yōu)化措施

3.1系統(tǒng)優(yōu)化

（1）進汽參數(shù)優(yōu)化

主再熱參數(shù)優(yōu)化至28 MPa/600℃/620℃。圖3為初參數(shù)、再熱參數(shù)對機組經(jīng)濟性影響，主再熱參數(shù)由25 MPa/600℃/600℃提升至28 MPa/600℃/620℃，機組熱耗約降低60 kJ/kW·h。

（2）回?zé)嵯到y(tǒng)優(yōu)化

目前國內(nèi)投運的超超臨界1 000 MW機組典型回?zé)嵯到y(tǒng)采用八級回?zé)岢槠瑬|方高效1 050 MW超超臨界汽輪機采用九級回?zé)岢槠謩e供給3臺高壓加熱器、1臺除氧器、5臺低壓加熱器。其中7號低壓加熱器設(shè)置疏水泵，可以減小末級低加向凝汽器疏水量，減小冷端散熱損失；同時，可以避免低負荷時八、九號低加疏水不暢情況。

圖3 初參數(shù)、再熱參數(shù)對機組經(jīng)濟性影響

（3）設(shè)置外置式蒸汽冷卻器

設(shè)置外置式蒸汽冷卻器，利用再熱后抽汽（三段抽汽）的過熱度，減小換熱溫差產(chǎn)生的換熱損失，提高給水溫度～4℃。

（4）優(yōu)化給水溫度

圖4為循環(huán)參數(shù)為28 MPa/600℃/620℃-4.92 kPa條件下，最終給水溫度與汽輪機熱耗關(guān)系曲線。給水溫度過高會導(dǎo)致鍋爐排煙溫度升高，鍋爐熱效率降低；同時，汽機一抽壓力過高導(dǎo)致汽缸、抽口以及管道設(shè)計困難。綜合考慮萬州工程機組最終給水溫度設(shè)計為306.4℃。

圖4 最終給水溫度與汽輪機熱耗關(guān)系曲線

（5）優(yōu)化主、再熱蒸汽管道壓降

采用彎管代替彎頭，優(yōu)化管道規(guī)格及布置走向等，主蒸汽管道壓降由常規(guī)5%降低至3.35%；整個再熱系統(tǒng)總壓降由常規(guī)10%降低至7%，減小了系統(tǒng)壓降損失。

3.2 通流優(yōu)化

（1）配汽方式優(yōu)化

配汽方式由噴嘴配汽改為節(jié)流配汽，取消高壓調(diào)節(jié)級，高壓進汽方式為上下切向進汽，大大提高了高壓首級效率。高壓進汽結(jié)構(gòu)改變?nèi)鐖D5、圖6所示。

圖5 噴嘴配汽高壓進汽結(jié)構(gòu)

圖6 節(jié)流配汽高壓切向進汽結(jié)構(gòu)

（2）控制二次流損失

對于超超臨界機組，隨著進汽壓力提升至28 MPa，高壓進汽容積流量GV顯著減小，使葉片的相對葉高L/D減小，導(dǎo)致葉片端部二次流損失增大，級效率降低 （相對葉高對級效率影響見圖7）。

較東方引進日立原型機高壓通流Ⅰ+8級，萬州項目高壓缸通流級數(shù)增加3級為12級，減小級焓降，降低機組葉片根徑，增大葉片的相對葉高，有效控制葉片端部二次流損失。

圖7 相對葉高對級效率影響

（3）1 200 mm末級葉片

萬州項目低壓缸末級葉片采用新開發(fā)的1 200mm末葉，且已在六橫1 000 MW機組應(yīng)用驗證。六橫1 000 MW機組變背壓試驗表明：新開發(fā)的1 200 mm長葉片、大排汽面積的低壓缸具有較好的變工況性能，每1 kPa背壓僅影響熱耗約0.5%。低壓缸效率在50%～100%額定負荷范圍內(nèi)效率都很高，滿足高效寬負荷的設(shè)計理念。

（4）低壓排汽缸優(yōu)化

低壓排汽缸進行了加寬加高處理，并采用了氣動性能更好的導(dǎo)流環(huán)（排汽缸優(yōu)化后結(jié)構(gòu)及流線圖見圖8）。與引進日立原型機低壓排汽缸相比，靜壓恢復(fù)系數(shù)有了較大的提升。

圖8 排汽缸優(yōu)化結(jié)構(gòu)及流線圖

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（1）高壓閥門優(yōu)化

主汽閥和調(diào)節(jié)閥由4個改為2個，高壓主汽閥和調(diào)節(jié)閥懸吊在機頭前的運行層下，調(diào)節(jié)閥喉部流速降低為80 m/s，減小閥門壓損。

（2）高壓內(nèi)缸優(yōu)化

高壓內(nèi)缸優(yōu)化為筒形內(nèi)缸，采用紅套環(huán)結(jié)構(gòu)，取消了汽缸上下半中分面法蘭。高壓進汽管和進汽室的連接、1#抽汽管和內(nèi)缸的連接均采用纏繞墊片+密封環(huán)的結(jié)構(gòu)，減少了漏汽。相對于傳統(tǒng)中分面內(nèi)缸結(jié)構(gòu) （見圖9），紅套環(huán)筒形內(nèi)缸 （見圖10）尺寸減小；形狀簡單，結(jié)構(gòu)對稱，熱變形小；對汽輪機啟停和變負荷工況適應(yīng)性好；適用更高溫度、壓力的超超臨界參數(shù)。

圖9 傳統(tǒng)中分面內(nèi)缸結(jié)構(gòu)

圖10 紅套環(huán)筒形內(nèi)缸結(jié)構(gòu)

（3）中低分缸壓力優(yōu)化

降低中低分缸壓力至0.6 MPa，低壓缸部分焓降由效率更高的中壓缸承擔(dān)，使機組經(jīng)濟性得到提升。同時降低低壓缸進汽溫度，減少低壓內(nèi)缸的變形和熱應(yīng)力，降低內(nèi)缸漏汽的可能性，提高機組的可靠性和經(jīng)濟性。中低分缸壓力優(yōu)化如圖11所示。

圖11 中低分缸壓力優(yōu)化

（4）取消轉(zhuǎn)子冷卻蒸汽

中壓轉(zhuǎn)子材料為FB2，不需要對中壓葉輪進行冷卻。因此取消了原機組中壓轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)。

（5）采用防旋汽封

為防止汽流激振，高壓隔板汽封及端汽封（進汽側(cè)第1列汽封圈）采用防旋汽封，防旋汽封結(jié)構(gòu)見圖12。

圖12 防旋汽封結(jié)構(gòu)

（6）高壓主汽調(diào)節(jié)閥雙閥蓋設(shè)計

由于高壓主汽調(diào)節(jié)閥由4個改為2個，閥門直徑增大；且設(shè)計壓力由25 MPa提升至28 MPa，閥蓋的密封力增加，采用雙閥蓋結(jié)構(gòu)，可減小螺栓應(yīng)力，如圖13所示。

圖13 高壓主汽閥閥蓋結(jié)構(gòu)

4 高效1 050 MW超超臨界汽輪機優(yōu)化效果

神華萬州電廠1號和2號汽輪機，分別于2015年2月9日和9月18日通過168 h試運行。為檢驗汽輪機優(yōu)化后的經(jīng)濟性，電廠委托國內(nèi)最為嚴格的考核試驗單位西安熱工研究院負責(zé)性能考核試驗。

兩臺機組試驗過程中系統(tǒng)比較完善，基本消除了內(nèi)漏。各主要工況的不明泄漏率控制在0.2%以內(nèi)，且整個試驗過程也嚴格按規(guī)程進行，試驗數(shù)據(jù)中各參數(shù)間的關(guān)系合理，試驗結(jié)果的重復(fù)性相當(dāng)好，性能試驗充分反映了優(yōu)化后汽輪機的真實效果。

4.1 性能試驗結(jié)果

神華萬州電廠1號和2號汽輪機性能考核試驗的主要結(jié)果見表1。

表1 萬州電廠1號和2號汽輪機性能試驗主要結(jié)果

性能試驗表明兩臺機組的性能試驗熱耗均優(yōu)于7 200 kJ/kW·h，機組供電煤耗為272.4 g/（kW· h），達到超超臨界1 000 MW機組世界先進水平。

4.2 經(jīng)濟性對比分析

（1）與引進日立型1 000 MW機組（D1000A機型）經(jīng)濟性對比分析

東方引進日立型超超臨界1 000 MW汽輪機（D1000A機型），目前已投運機組有20臺。高效1 050 MW超超臨界汽輪機 （D1000K機型）與D1000A機型相比，經(jīng)濟性取得顯著改善，經(jīng)濟性對比詳見表2。

由表2可以看出，與引進機型（D1000A機型）相比，東方高效 1 050 MW 超超臨界汽輪機（D1000K機型）試驗高、中、低壓缸效率均有顯著提高，結(jié)合熱力系統(tǒng)上的優(yōu)化，機組熱耗降低約300 kJ/kW·h，機組經(jīng)濟性提升效果顯著。

表2 D1000K與D1000A機組經(jīng)濟性對比

（2）與國內(nèi)其他公司最新超超臨界1 000 MW汽輪機經(jīng)濟性對比分析

國內(nèi)其他公司最新超超臨界1 000 MW汽輪機采用國外成熟的 “HMN”積木塊組合，對熱力系統(tǒng)進行全面優(yōu)化后，在安徽A電廠成功投運，其3號和4號汽輪機性能考核試驗由西安熱工研究院分別于2015年10月18日和9月19日完成，試驗的主要結(jié)果見表3。

表3 安徽A電廠3號和4號汽輪機性能試驗主要結(jié)果

為找出東方高效1 050 MW超超臨界汽輪機與安徽A電廠汽輪機經(jīng)濟性的差異，為東方后續(xù)汽輪機進一步優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)，東方進行了對比，對比差異見表4。

表4 東方高效1 050 MW汽輪機與安徽A電廠新超超1 000 MW汽輪機經(jīng)濟性對比

由表4可以看出：

（1）東方萬州2號機組和安徽A電廠4號機組各缸試驗效率基本相當(dāng)。

（2）按不帶低溫省煤器試驗熱耗考慮，東方萬州2號機組和安徽A電廠4號機組熱耗基本相當(dāng)。

5 結(jié)語

東方創(chuàng)新設(shè)計擁有獨立知識產(chǎn)權(quán)的高效1 050 MW超超臨界濕冷汽輪機，投運后性能試驗熱耗小于7 200 kJ/kW·h，機組供電煤耗為272.4 g/（kW·h）。與引進D1000A機型相比，機組熱耗降低約300 kJ/kW·h，機組經(jīng)濟性提升效果顯著。與國內(nèi)其他公司新超超臨界1 000 MW汽輪機相比，機組經(jīng)濟性相當(dāng)。機組總體水平達到超超臨界1 000 MW機組的國際先進水平。

[1]神華神東電力重慶萬州港電有限責(zé)任公司1號機組性能考核試驗報告[Z].2016.

[2]神華神東電力重慶萬州港電有限責(zé)任公司2號機組性能考核試驗報告[Z].2016.

Optimization Design and Economic Evaluation of Dongfang Ultra-supercritical 1 050 MW Steam Turbine

Jing Fangbo，Yuan Yongqiang，Wei Dongliang，Chen Xianhui，Shi Xuanping，Lai Qiang

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

By adopting the advanced design method combined with experimental study,the company optimizes the thermal system, steam distribution method,through-current capability,the pressure between IP and LP cylinders,and the inlet and exhaust structure,develops the new efficient ultra-supercritical 1 050 MW steam turbine independently.The thermal performance test after unit putting into operation shows that promotion effect of the optimized unit is remarkable.Compared with D1000A,heat rate of the new 1 050 MW steam turbine reduces about 300 kJ/kW·h.The new 1 050 MW steam turbine overall level has reached the international advanced level of 1 000 MW ultra-supercritical steam turbine.

efficient,1 050 MW steam turbine,optimization design,economy

TK14

B

1674-9987（2017）01-0001-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.01.001

井芳波 （1982-），男，本科，工程師，2006年畢業(yè)于西安交通大學(xué)能源與動力工程專業(yè)，長期從事汽輪機熱力設(shè)計和性能試驗工作。