核煤耦合循環(huán)汽輪機(jī)組設(shè)計(jì)可行性研究

趙海峰， 張小波， 王鑫， 高展羽

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000）

1 前言

當(dāng)前全球興起的能源變革和轉(zhuǎn)型對(duì)發(fā)電設(shè)備提出了新的要求， 發(fā)電裝備的發(fā)展面臨著推動(dòng)綠色低碳發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)升級(jí)的新任務(wù)。 傳統(tǒng)燃煤發(fā)電污染重、 煤耗高， 核電雖然節(jié)能減排， 但核電汽輪機(jī)成本投入高， 循環(huán)效率低， 經(jīng)濟(jì)性低。在新一代高效機(jī)型基礎(chǔ)上， 利用核能與燃煤耦合循環(huán)技術(shù)， 全新研究開(kāi)發(fā)了核煤耦合循環(huán)汽輪機(jī)組， 不僅提高了傳統(tǒng)核電汽輪機(jī)的循環(huán)效率， 同時(shí)也相對(duì)降低了傳統(tǒng)燃煤汽輪機(jī)的高煤耗、 高污染問(wèn)題。

2 核煤耦合循環(huán)熱力系統(tǒng)

目前主流的大型發(fā)電用反應(yīng)堆所產(chǎn)生的蒸汽均為飽和蒸汽， 如圖1 所示， 其循環(huán)過(guò)程為1-2-3-4-5-6-7-1， 其主要吸熱段為7-1， 吸熱溫度為主汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度， 相對(duì)來(lái)說(shuō)， 整體循環(huán)效率較低， 一般為37%～38%。 同時(shí)， 主蒸汽為飽和蒸汽， 其高壓缸排汽點(diǎn)2 濕度已經(jīng)較大（～10%）， 必須采取汽水分離（2-3）和再熱（3-4）， 以及在低壓缸內(nèi)采取除濕措施， 以保證低壓缸安全運(yùn)行， 不可避免地增加熵增， 降低汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性。

圖1 循環(huán)溫熵圖

針對(duì)核電機(jī)組的不足， 本文提出了相應(yīng)的核煤耦合循環(huán)， 利用燃煤煙氣初溫較高的優(yōu)勢(shì)， 將反應(yīng)堆產(chǎn)生的飽和蒸汽由燃煤鍋爐加熱至火電循環(huán)溫度（620 ℃）， 再進(jìn)入汽輪機(jī)做功， 其循環(huán)過(guò)程為圖1 中1-1’ -5’ -6-7-1， 反應(yīng)堆產(chǎn)生的飽和蒸汽1 進(jìn)入燃煤鍋爐吸熱變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽1’， 之后進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功， 排汽5’ 進(jìn)入凝汽器冷凝為飽和水6。 由于增加了1-1’ 吸熱過(guò)程， 其平均吸熱溫度較一般核電循環(huán)顯著提高， 其循環(huán)效率達(dá)到41%～42%。 同時(shí)， 由于其主蒸汽過(guò)熱度較大，不需要進(jìn)行再熱和低壓除濕， 排汽點(diǎn)5’ 濕度也低于一般核電排汽點(diǎn)5 的濕度， 從而可以獲得較高的通流效率， 提高汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性。 核煤耦合循環(huán)熱力系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

圖2 核煤耦合循環(huán)熱力系統(tǒng)示意圖

以730 MW 核電為例， 核煤耦合循環(huán)和一般核電循環(huán)主要熱力參數(shù)見(jiàn)表1， 從表中可以看出，經(jīng)過(guò)燃煤鍋爐加熱后， 機(jī)組循環(huán)效率由37.47%提高到42.26%， 經(jīng)濟(jì)性得到顯著提升。

表1 核煤耦合循環(huán)主要參數(shù)對(duì)比

3 核煤耦合循環(huán)汽輪機(jī)組本體結(jié)構(gòu)

根據(jù)核煤耦合循環(huán)汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，汽輪機(jī)組的設(shè)計(jì)型式為單軸、 雙支撐、 五缸八排汽、 凝汽式汽輪機(jī)。 機(jī)組由1 個(gè)雙分流高壓模塊和4 個(gè)雙分流低壓模塊組成， 高壓模塊位于機(jī)組中部， 兩側(cè)分別布置2 個(gè)低壓模塊， 機(jī)頭布置前軸承箱， 內(nèi)設(shè)主油泵、 保護(hù)系統(tǒng)部件等， 機(jī)尾布置盤(pán)車(chē)裝置并與發(fā)電機(jī)連接。 高壓、 低壓通流均采用沖動(dòng)式設(shè)計(jì)。 高壓2×9 級(jí)， 低壓4×2×5 級(jí)，低壓末級(jí)動(dòng)葉片采用鋼制1 200 mm 末葉。 采用4組高壓主汽調(diào)節(jié)閥， 就近布置于高壓缸兩側(cè)， 新蒸汽在高壓缸做功后分別通過(guò)兩根聯(lián)通管進(jìn)入低壓缸繼續(xù)做功。 機(jī)組外形如圖3 所示。

圖3 核煤耦合循環(huán)汽輪機(jī)組外形圖

3.1 滑銷(xiāo)系統(tǒng)

機(jī)組滑銷(xiāo)系統(tǒng)采用成熟可靠的多死點(diǎn)滑銷(xiāo)系統(tǒng)。 5 個(gè)絕對(duì)死點(diǎn)分別位于高壓缸與C 低壓缸間軸承箱底部橫向定位鍵與縱向?qū)蜴I的交點(diǎn)處和A 低壓缸、 B 低壓缸、 C 低壓缸、 D 低壓缸進(jìn)汽中心線附近的基架上。 汽輪機(jī)相對(duì)死點(diǎn)——推力軸承布置在B 低壓缸與高壓缸之間的軸承箱上。 滑銷(xiāo)系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 核煤耦合循環(huán)汽輪機(jī)滑銷(xiāo)系統(tǒng)示意圖

采用上述滑銷(xiāo)系統(tǒng)， 高壓缸、 C 低壓模塊、 D低壓模塊的膨脹方式及通流間隙設(shè)計(jì)方法與東汽傳統(tǒng)百萬(wàn)機(jī)組的中壓缸、 低壓缸完全一致， 成熟可靠； A 低壓模塊、 B 低壓模塊的設(shè)計(jì)方法也與其類(lèi)似， 成熟可靠。

3.2 高壓模塊

核煤耦合循環(huán)汽輪機(jī)的主蒸汽壓力溫度與常規(guī)燃煤百萬(wàn)機(jī)組中壓模塊基本一致， 不同點(diǎn)在于主蒸汽體積流量較大約為常規(guī)燃煤百萬(wàn)機(jī)組中壓缸進(jìn)汽流量的1.5 倍。 故該模塊的葉片通流設(shè)計(jì)以常規(guī)燃煤百萬(wàn)機(jī)組的中壓模塊為基礎(chǔ)進(jìn)行放大設(shè)計(jì)， 為沖動(dòng)式、 雙分流2×9 級(jí)， 采用東汽最新一代的沖動(dòng)式設(shè)計(jì)技術(shù)， 有效保障通流效率。 本模塊共設(shè)計(jì)4 段回?zé)岢槠?采用非對(duì)稱抽汽的布置方式。 高壓進(jìn)汽溫度達(dá)620 ℃， 排汽溫度約為280℃， 進(jìn)排汽溫差接近340 ℃， 整體內(nèi)缸結(jié)構(gòu)已不適宜， 需采用雙層汽缸， 內(nèi)部采用內(nèi)缸加持環(huán)結(jié)構(gòu)， 合理設(shè)計(jì)高壓模塊溫度場(chǎng)， 降低熱應(yīng)力。 高壓模塊材料選擇采用東汽成熟的620 ℃等級(jí)材料體系， 有效保障高溫機(jī)組安全可靠性。 高壓模塊縱剖面如圖5 所示。

圖5 高壓模塊縱剖面圖

雖然機(jī)組的主蒸汽壓力參數(shù)較低（6.2 MPa），但考慮到機(jī)組的安全性， 及閥門(mén)需在全行程范圍內(nèi)參與運(yùn)行調(diào)節(jié)， 故機(jī)組控制閥門(mén)不采用常規(guī)中聯(lián)閥結(jié)構(gòu)（中聯(lián)閥尚無(wú)參與全行程調(diào)節(jié)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)）， 而采用高壓主汽調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式。 因此，通過(guò)核算合適的進(jìn)汽流速及合理的結(jié)構(gòu)布置， 最終確定本機(jī)組高壓模塊采用上下4 進(jìn)汽方式， 使用4 組高壓主汽調(diào)節(jié)閥分別布置在機(jī)組兩側(cè)， 如圖6 所示。

圖6 高壓模塊軸向視圖

3.3 低壓模塊

低壓模塊采用東汽成熟的1 200 mm 等級(jí)末葉低壓模塊。 該模塊已成功運(yùn)用于浙能舟山六橫電廠2×1 000 MW 機(jī)組、 神華神東電力萬(wàn)州港電新建2×1 000 MW 汽輪機(jī)組等工程項(xiàng)目， 已穩(wěn)定運(yùn)行4 年以上。

核煤耦合循環(huán)汽輪機(jī)組低壓模塊共由A、 B、C、 D 4 個(gè)低壓缸組成， 高壓排汽通過(guò)連通管引入低壓缸。 每個(gè)低壓缸為雙分流式， 每個(gè)分流包括5 個(gè)沖動(dòng)式壓力級(jí)， 采用雙層缸結(jié)構(gòu)。 低壓內(nèi)缸徑向通過(guò)錐形持環(huán)支撐， 沿軸向?qū)?nèi)缸分成進(jìn)汽室和抽汽腔室， 滿足通流布置的需要； 其次，錐形持環(huán)結(jié)構(gòu)還具有自密封性， 外側(cè)蒸汽壓力比內(nèi)側(cè)高， 在壓差作用下， 持環(huán)中分面被壓得更緊，輔助中分面密封； 另外， 從受力特點(diǎn)分析， 錐形結(jié)構(gòu)也有利于抵抗軸向變形。 整體斜置式內(nèi)缸結(jié)構(gòu)具有密封性好的特點(diǎn)， 能有效解決傳統(tǒng)內(nèi)缸抽汽超溫現(xiàn)象。

4 核煤耦合循環(huán)汽輪機(jī)組軸系

核煤耦合循環(huán)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系由1 根高壓轉(zhuǎn)子、 4 根低壓轉(zhuǎn)子和1 根發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子共6 根轉(zhuǎn)子組成； 轉(zhuǎn)子間采用剛性聯(lián)軸器聯(lián)接； 汽機(jī)轉(zhuǎn)子及電機(jī)轉(zhuǎn)子采用雙支撐結(jié)構(gòu)， 共12 個(gè)支持軸承， 均采用橢圓瓦軸承； 汽輪機(jī)部分軸系長(zhǎng)48.69 m （不含電機(jī)）， 與田灣核電全轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)組軸系長(zhǎng)度相當(dāng)。 田灣核電汽輪機(jī)組為俄羅斯機(jī)組， 汽輪機(jī)部分軸系長(zhǎng)度49.97 m（不含電機(jī)）是目前國(guó)內(nèi)投運(yùn)的最長(zhǎng)軸系機(jī)組， 該機(jī)組于2016 年經(jīng)東汽改造后一次性投運(yùn)成功。 核煤耦合循環(huán)汽輪機(jī)組軸系布置及基本參數(shù)見(jiàn)圖7 及表2。

圖7 核煤耦合循環(huán)汽輪機(jī)組軸系布置示意圖

表2 轉(zhuǎn)子基本參數(shù)表

汽輪機(jī)軸系共由10 個(gè)徑向軸承支撐。 理想標(biāo)高下， 各軸承支反力及比壓如表3 所示， 均在合理的比壓范圍內(nèi)。 針對(duì)實(shí)際運(yùn)行情況需對(duì)軸系的標(biāo)高敏感性予以分析， 經(jīng)計(jì)算， 軸承的負(fù)荷對(duì)標(biāo)高的敏感性最大僅為22.74% （見(jiàn)表4）， 滿足汽輪機(jī)軸系設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

核煤耦合循環(huán)汽輪機(jī)軸系設(shè)計(jì)利用大剛度設(shè)計(jì)理念， 有利于機(jī)組抗激振能力。 臨界轉(zhuǎn)速分析充分考慮軸承油膜及支座彈性、 阻尼等因素對(duì)軸系-支撐系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響。 機(jī)組軸系的各階臨界轉(zhuǎn)速及扭振頻率如表5～6 所示。

表5 軸系臨界轉(zhuǎn)速

表6 軸系扭振固有頻率表

由表5、 表6 可知， 軸系各階臨界轉(zhuǎn)速避開(kāi)了工作轉(zhuǎn)速（3 000 r/min）的-15%～15%， 扭振頻率避開(kāi)了軸系性能計(jì)算規(guī)范要求的[45,55]和[93,108]兩個(gè)范圍， 滿足要求。

5 結(jié)論

核煤耦合循環(huán)汽輪機(jī)采用高參數(shù)、 高效率、低風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)思路， 創(chuàng)新使用核能與燃煤耦合循環(huán)技術(shù)， 利用東汽最新研發(fā)的新一代高效通流技術(shù)， 提高機(jī)組效率， 降低機(jī)組熱耗。 本文通過(guò)從機(jī)組熱力系統(tǒng)， 本體結(jié)構(gòu)， 軸系設(shè)計(jì)等方面綜合分析表明核煤耦合循環(huán)汽輪機(jī)研制是可行的， 其機(jī)組技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)， 具有十分積極的示范意義。其創(chuàng)新思路與技術(shù)水平在火電和核電行業(yè)內(nèi)將起引領(lǐng)作用， 可使我國(guó)發(fā)電機(jī)組清潔化技術(shù)再上一個(gè)新臺(tái)階。