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超超临界百万千瓦汽轮机技术特点 |
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| 超超临界百万千瓦汽轮机技术特点 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-26 19:52:58  |
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摘 要：随着电力需求的迅猛发展和发电技术的不断升级，对于资源严重紧张的我国，发展大容量高效率、节能环保型汽轮发电机组已迫在眉睫。哈汽和东芝公司合作设计、制造的单轴、四缸四排汽1000MW超超临界汽轮机组，通过最优化设计，并采用具有运行业绩的积木块组合，适应高蒸汽参数的新材料。汽缸全部采用中分面结构以方便安装和维修，双层缸结构使温度梯度分配合理，降低热应力。全三维冲动式叶片、独特的汽封设计，以及采用目前世界上最长的48”(1219mm)钢制叶片，其经济性比常规超临界机组提高2.5%。
关键词：超超临界；汽轮机；设计特点
0 前言
地球环境问题已成为世界性备受瞩目的重要课题，提高燃煤机组发电效率的同时，也在谋求减少温室气体的排放量，以减轻环境负荷。
另外，从发电机组控制发电成本及总体设备投资的观点来看，对于资源相对匮乏的我国日益紧张的能源需求，要求机组具有最佳的经济性。
对应这些要求，哈汽和东芝公司在不降低机组可靠性的前提下，利用可提高效率的的最新技术，设计完成了具有最佳经济性的汽轮机。
本文对哈汽的技术支持方东芝公司设计的，采用具有优异运行业绩的成熟高、中、低压模块的单轴、四缸四排汽百万等级超超临界汽轮发电机组作一介绍。
1 蒸汽参数发展
随着材料研究和冶炼工艺的不断提高，使汽轮机发电机组采用更高的蒸汽参数成为可能，更进一步地提高了机组的效率，降低了温室气体的排放量。东芝公司在材料的选择上具有丰富的经验，东芝公司的材料发展见图1。
东芝公司具有世界上最优秀的高温汽轮机运行业绩，多台进汽温度在600℃左右的汽轮机投入运行，其中橘湾电厂1#机组进汽温度达到610℃，为1000MW超超临界机组的设计积累了丰富的设计经验。本文所述的机组采用25MPa/600℃/610℃，发电效率同以往有实际业绩的机组相比，相对而言提高了约2.5%以上。
2 汽轮机主要技术规范
汽轮机型式： 超超临界、一次中间再热、四缸四排汽、单轴、凝汽式
连续出力 1000MW
转速 3000rpm
旋转方向 逆时针（从调端看）
主蒸汽压力MPa 25MPa
主蒸汽温度℃ 600℃
再热蒸汽温度℃ 600℃
回热级数 8级
调节控制系统型式 DEH
通流级数 48
高压部分级数 I+9
中压部分级数 2×7
低压部分级数 2×2×6
末级动叶片长度 mm 1219.2
机组总长（包括罩壳） 40×10.1×7.5
3 材料选择
由于汽轮机采用高蒸汽参数，对处于高温区域的主要部件，如：高中压阀门、高中压内缸、高压喷嘴室、高中压转子和高中压第一级叶片均需要采用具有良好高温特性的材料。
本机组的高温部件都采用与橘湾1#机组相同的可适应600℃/610℃高温的材料。
表1列出了主要部件的材料，图2列出了主要部件的高温蠕变强度。
表1 主要部件材料
高压内缸 12CrMoVNbN钢
中压内缸 12CrMoVNbN钢
喷嘴室 12CrMoVNbN钢
高中压叶片 11CrWVNbNReCo钢
高中压喷嘴 10.7CrMoVNbN钢
高压转子 12CrMoVNbNW钢
中压转子 12CrMoVNbNW钢
主汽调节联合阀 9Cr1MoNbV钢
再热调节联合阀 10Cr1MoWNbVBN钢
4 汽缸设计特点
汽轮机纵剖面参见图3。汽轮机的高压汽缸为单流式，采用双层缸结构，从而使汽缸结构简化。高压调节级为双流，以减小调节级应力。调节级后的腔体内，电端的设计压力要比调端的压力略高，可以强制汽流在腔室内流动，防止高温蒸汽在转子和喷嘴室之间的腔室内停滞，同时冷却高温进汽部分。
中压汽缸为双流式、双层缸结构，结构和原理同高压缸相同。中压转子由高压缸调节级后漏汽进行冷却。安装在轴流汽缸中的低压缸排汽部分，可以使蒸汽从汽缸出汽端旋转一恰当角度，来减少低压缸中的热损和压降。所有汽缸都采用水平中分面结合的形式以进行检测和维修。低压末级隔板采用空心精密铸造的设计。末级产生的水滴由疏水缝隙收集，流入冷凝器。参见图4。低压末级动叶为由GE和东芝公司联合开发的48英寸（1219.2mm）钢叶片。采用圆弧枞树型叶根，并以拉筋凸耳及套筒连接，提高了叶列的频率（和自由叶片相比），从而提高了叶片寿命。另外，此种结构通过相邻叶片相接处部位的材料和机械减振作用进一步起到了减振效果。从环形面积来说，48”末级动叶是世界上最长的全速（3000rpm）钢质末级动叶。
48英寸叶片设计参数
叶高 1219.2mm
根径 1879.6mm
环形面积 11.87m2
叶顶圆周速度 678m/s
叶根形式 圆弧枞树形
连接形式 阻尼凸台/套筒+自带围带整圈连接
材料 15Cr钢
图5 48”末级叶片设计参数
喷嘴组与喷嘴室组焊为一体，相对汽缸能自由膨胀。负荷改变时，喷嘴室吸收调节级喷嘴区的热冲击，只有很少的冲击能够传到汽缸，大大地减少了汽缸高压区的挠曲和热应力。
由于机组的蒸汽参数高,压力为25MPa,再热温度为600℃或6100C，且采用直流锅炉，锅炉管道内壁锈蚀剥离物进入蒸汽中成为固体颗粒，使得高、中压阀门，高压调节级，中压第一级固粒腐蚀要比亚临界机组严重，在设计中必须考虑如何减少固粒腐蚀。
通过实验验证和实际测试，高压喷嘴的腐蚀在出汽边的内弧损害较大，见图6，因此对于高压喷嘴采用渗硼的方法防止腐蚀；中压第1级静叶的腐蚀是由于动叶片反弹回来的固体颗粒冲击产生的，主要在静叶片的出汽边背弧损害较大见图7，因此对于中压第1级的静叶片采用涂陶瓷材料的方法防止腐蚀。喷涂厚度0.25±0.05mm，硬度1000 (Hv)。大量运行经验表明效果良好、安全可靠。
5 转子设计特点
所有的转子均为整锻无中心孔的转子，转子与转子之间采用刚性联轴器相互连接。每个转子配有独立的双轴承支撑。
每根转子在加工前，都要进行超声探伤和其它各种试验以确保锻件满足物理和化学特性的要求。动叶组装好后，进行动平衡试验仔细对转子进行平衡，并用高速动平衡机以额定速度对其进行最终平衡。
机组在设计时，对于轴系稳定性主要通过以下几方面来解决蒸汽激振力的影响：
•每根转子在工厂内部进行低速和高速动平衡，将不平衡量降到最小；
•设计使转子的临界转速和额定转速不产生相互的影响；
•转子设计精确对中，保证在运转时不会产生额外的力和力矩；
•合理设计动静之间的间隙，保证在启动和停机时转子和汽封不会产生摩擦;
•安装防汽流涡动的汽封，防止转子的不稳定振动。
同时东芝公司在汽轮机叶片设计方面具有的丰富经验。通过现代化手段计算叶轮的挠性，弯曲度和拉筋的影响，以及许多其它用来确定叶片设计的复杂因素。使所有的叶片都是高效，无故障和高度可靠的。叶片由不锈钢锻件加工制成，具有良好的强度和疲劳特性，并有较高的抗汽蚀性式和抗腐蚀性。这些叶片的叶型选自一组曾大量使用的标准叶片中的叶型。带有菌形叶根并通过紧固加工配合件与轮缘外包配合。外包配合用来保护轮缘不受蒸汽侵蚀。
6 阀门设计特点
主汽阀与调节阀为一体式结构，由耐热合金钢铸件同时制成。
主汽阀内部装有精过滤网，实现多层过滤，可有效的避免固粒腐蚀。为了消除汽流不稳定和冲击波引起的阀杆振动，选用了低振动型调节阀，提高了可靠性。
中压主汽阀、调节阀共壳体，也由耐热合金钢铸件制成。主汽阀碟与调节阀碟共享一个阀座，主汽阀与调节阀可以各自独立地，互不干扰地全行程移动，不受对方位置的影响。
详细的结构形式参见图8和图9。
7 轴承
轴承设计有自位特性来确保每个支持轴承在任何时候都可以精确的对中。根据轴承的载荷，选择采用可倾瓦轴承或椭圆轴承。
推力轴承采用结构装配简单的斜面式推力轴承，决定转子的轴向位置。此结构形式的轴承占据空间小，并具有较高的承载能力，刚度很好，使用寿命较长。见图10。
8 结束语
通过先进完善的设计手段，以及多台在运机组模块的实践验证，哈汽和东芝公司联合设计的超超临界百万等级汽轮机组在保证安全可靠的同时，还具有很好的经济性。
参考文献：
[1] MPS. 2003. No.2.
[2] 日本ガスタピヶソ学会誌[日].2002. No. 2.
[3] 日本公司汽轮机低压缸末级动叶的新结构[俄]. 热力动力学. 2003, -77-78.
作者简介:
石玉文（1971-），西安交通大学毕业/工学学士,工程师,现从事汽轮发电机组的设计工作。
The Design Characteristics of Ultra-super Critical Steam Turbine
SHI Yu-wen, LI Dian-cheng
(Harbin Turbine Company Limited, Harbin Heilongjiang 150046)
Abstract: Along with the increased demand of the electric power and continuous upgrade of power generation technology, in order to save our country‘s scarcity resource, it is urgent to develop the turbo-generator with big capacity, high efficiency and energy saving features.
The tandem compound 1000MW ultra-super critical steam turbine, which is cooperated design and manufacture by HTC and Toshiba, use optimization design, and adopt block combination with operation experience and new material to satisfy high steam temperature. All the casings adopt horizontal flange for convenient installation and maintenance, and double layer inner and outer casing for reasonable temperature distribution to lower the thermal stress. The turbine adopts 3D impulse blade, unique gland seal design, and the longest steel 48” last blade (1219mm), the economy is 2.5% higher than normal super critical steam turbine.
Key Words: ultra-super critical, steam turbine, design characteristics
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