660MW超临界汽轮机设计说明

660MW超临界汽轮机设计说明

1 概述

哈汽公司660MW超临界汽轮机为单轴、三缸、四排汽、一次中间再热、凝汽式机组。高中压汽轮机采用合缸结构，低压积木块采用哈汽成熟的600MW超临界机组积木块。应用哈汽公司引进三菱技术制造的1029mm末级叶片。机组的通流及排汽部分采用三维设计优化，具有高的运行效率。机组的组成模块经历了大量的实验研究，并有成熟的运行经验，机组运行高度可靠。

机组设计有两个主汽调节联合阀，分别布置在机组的两侧。阀门通过挠性导汽管与高中压缸连接，这种结构使高温部件与高中压缸隔离，大大的降低了汽缸内的温度梯度，可有效防止启动过程缸体产生裂纹。主汽阀、调节阀为联合阀结构，每个阀门由一个水平布置的主汽阀和两个垂直布置的调节阀组成。这种布置减小了所需的整体空间，将所有的运行部件布置在汽轮机运行层以上，便于维修。调节阀为柱塞阀，出口为扩散式。来自调节阀的蒸汽通过四个导汽管（两个在上半，两个在下半）进入高中压缸中部，然后通入四个喷嘴室。导汽管通过挠性进汽套筒与喷嘴室连接。

进入喷嘴室的蒸汽流过冲动式调节级，做功后温度明显下降，然后流过反动式高压压力级，做功后通过外缸下半上的排汽口排入再热器。

再热后的蒸汽通过布置在汽缸前端两侧的两个再热主汽阀和四个中压调节阀返回中压部分，中压调节阀通过挠性导汽管与中压缸连接，因此降低了各部分的热应力。

蒸汽流过反动式中压压力级，做功后通过高中压外缸上半的出口离开中压缸。出口通过连通管与低压缸连接。

高压缸与中压缸的推力是单独平衡的，因此中压调节阀或再热主汽阀的动作对推力轴承负荷的影响很小。

汽轮机留有停机后强迫冷却系统的接口。位于高中压导汽管的疏水管道上的接头可永久使用，高中压缸上的现场平衡孔可临时使用。

汽轮机的外形图及纵剖面图见图1。

图1 汽轮机外形及纵剖面图哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 2

2哈汽公司超临界汽轮机业绩

哈汽公司采用三菱公司超临界汽轮机技术处于世界领先水平，对于同一等级的600MW超临界机组，目前为哈汽公司已经制造投运了多台超临界汽轮机，已经拥有丰富的制造和运行经验。

图2 哈汽公司超临界业绩表

序号 国家电厂名称 机组 容量压力 温度 转速 排汽压力 末叶长度投运旁路容量 启动方式

MW MPa ℃/℃ rpm kPa mm 时间%BMCR

1 中国 沁北电厂 #1#

2 600 24.2 566/566 3000 4.9 1029 2003HP30% HP/IP

2 中国 西柏坡电厂 #1#2 600 24.2 538/566 3000 4.9 1029 2006HP30% HP/IP

3 中国汕头电厂 #1 600 24.2 566/566 3000 4.9 1029 2005HP30% HP

4 中国太仓电厂 #1#2 600 24.2 566/566 3000 4.9 1029 2006HP30% HP

5 中国潮州三百门电厂 #1～#4 600 24.2 566/56

6 3000 4.9 1000 2006HP30% HP/IP

6 中国三门峡电厂 #1#2 600 24.2 566/566 3000 4.9 1000 2006HP30% HP/IP

7 中国宁德电厂 #1#2 600 24.2 566/566 3000 4.9 1000 2006HP30% HP/IP

8 中国乌沙山电厂 #1～#4 600 24.2 566/566 3000 4.9 1000 2005HP30% HP/IP

9 中国阳逻电厂 #1#2 600 24.2 566/566 3000 4.9 1029 2006HP30% HP

10 中国庄河电厂 #1#2 600 24.2 566/566 3000 4.9 1000 2007HP30% HP/IP

11 中国双鸭山电厂 #1#2 600 24.2 566/566 3000 4.9 1000 2007HP30% HP/IP

12 中国平顶山姚孟电厂 #1#2 600 24.2 566/566 3000 4.9 1000 2007HP30% HP/IP

13 中国辽宁清河电厂 #1 600 24.2 566/566 3000 4.9 1000 2008HP30% HP/IP

14 中国鹤岗电厂 #1 600 24.2 566/566 3000 4.9 1000 2007HP30% HP/IP

15 中国沁北电厂二期 #1#2 600 24.2 566/566 3000 4.9 1029 2008HP30% HP/IP

16 中国巢湖电厂#1#2 600 24.2 566/566 3000 4.9 1000 2008HP30% HP/IP

17 中国康平电厂 #1#2 600 24.2 566/566 3000 4.9 1000 2008HP30% HP

18 中国宣城电厂 #1 600 24.2 566/566 3000 4.9 1000 2008HP30% HP/IP

19 中国九台电厂 #1#2 660 24.2 566/566 3000 4.9 1029 2008HP30% HP

哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 2

序号 国家电厂名称 机组 容量压力 温度 转速 排汽压力 末叶长度投运旁路容量 启动方式

MW MPa ℃/℃ rpm kPa mm 时间%BMCR

20 中国当涂电厂 #1#2 660 24.2 566/566 3000 4.9 1029 2008HP30% HP

哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 3

3 轮结汽机主要构

3.1 叶片

汽轮机通流包括1个反向布置的带有部分进汽的冲动式调节级，9级反向布置的反动式高压压力级，6级正向布置的反动式中压压力级，2×2×7双分流的低压压力级。

冲动式调节级在宽阔的负荷变化范围内有较高的运行效率，机组有较好的负荷适应性。调节级动叶采用三支为

一组的三胞胎叶片，强度好，在高温、高压下运行可靠。中间级采用高效率的全三维设计的反动式叶片，通过控制设计参数（反动度，流量和流动角度）来使损失最小化。反动式叶片通道，蒸汽流动速度相对较慢，摩擦损失较低，具有较好的空气动力效率。见图3、图4。

反动式机组构造简单，采用轮鼓式转子和径向密封。由于采用径向密封，轴向间隙大，故允许转子和汽缸之间有较大的胀差，保证机组启动灵活。

低压末几级的疏水，采用了特殊的疏水收集器结构。在隔板外环的疏水收集器设计中充分考虑到水滴的轨迹，达到最好的疏水效果。末级隔板采用了疏水槽结构。见图5。

低压末叶片为1029mm，为减小末级叶片水蚀，末级动叶的进汽边嵌入司太立合金；保证静叶和动叶之间合适的间隔，以使水滴形成较好的水雾；

此外从湿汽区抽出蒸汽排

图3 全三维设计静、动叶片

图4 全三维设计叶片流场示意图

图5 低压疏水结构

到给水加热器，适当设计给水加热器的抽汽口，以使抽取的蒸汽水分最大。在末级动叶的顶部导流板上设置疏水槽。

所有的叶片都仔细设计，具有足够的振动强度裕度。特别是长叶片，设计时考虑自振频率、工作转速、1-6节径数无三重点共振。在开发这些叶片时，相同的叶片和叶轮均进行了全比例的转动频率试验，并且确认叶片组运行时无三重点共振。末级叶片采用耐腐蚀和侵蚀合金制造，严格控制质量保证较好的振动阻尼特性。 3.2 转子

高中压转子采用具有高蠕变断裂强度的实心合金钢锻件加工而成。在高压端连接一个独立的短轴，装有推力盘、主油泵叶轮和超速跳闸装置。

低压转子同样采用高抗拉强度的实心合金钢锻件加工而成，具有很好的延展性。 转子直径和轴承跨距合理选择，使转子的临界转速远离工作转速。转子表面的几何结构进行详细的设计，使转子的瞬时热应力和弯曲应力的应力集中最小。

高中压转子中压进汽区由来自调节后的节流蒸汽进行冷却，冷却蒸汽覆盖在转子的表面，高温再热蒸汽不会接触转子。见图6。

当装有叶片的整个转子加工完成后，需做超速试验和精确动平衡试验。

高中压转子和1号低压转子之间装有刚性的法兰联轴器。1号低压转子和2号低压转子通过中间轴刚性联接、2号低压转子和发电机转子通过联轴器刚性联接。

转子系统由安装在前轴承箱内的推力轴承定位，并有8个支撑轴承支撑。 3.3 汽缸

合理的汽缸的结构类型和支撑方式，保证在热态膨胀自如，且热变形对称，从而使扭曲变形降到最小。最优的排汽涡壳设计，压力损失最小。

高中压外缸是由合金钢铸件制成，在水平中分面分为两半形成上，下半。 高压内缸同样是合金钢铸件，在水平中分面分为两半形成上，下半。内缸支撑在外缸水平中分面上，通过定位销在顶部和底部导向，以保持中心线的准确位置，并在同时允许零件根据温度变化自由膨胀和收缩。

高压汽轮机的喷嘴室也由合金钢铸成，并通过水平中分面形成了上下两半。它采用

图6 冷却蒸汽示意图

中心线定位，支撑在内缸中分面处。喷嘴室的轴向位置由上下半的凹槽与内缸上下半的凸台配合定位。上下两半内缸上均有滑键，决定喷嘴室的横向位置。这种结构可以保证喷嘴室根据主蒸汽温度变化沿汽轮机轴向正确的位置收缩或膨胀。主蒸汽进汽管与喷嘴室之间通过弹性密封环滑动连接，这样可把温度引起的变形降到最低限度。外缸上半及内缸下半可采用顶起螺钉抬高，直到进汽管与喷嘴室完全脱离，然后按常规方法用吊车吊起。在拆卸外缸上半或内缸下半时，尽量保持进汽密封处蒸汽室的形状，当汽缸放下时与密封环同心。

汽轮机高压隔板套和高中压进汽平衡环支撑在内缸的水平中分面上，并由内缸上下半的定位销导向。汽轮机中压1号隔板套﹑中压2号隔板套和低压排汽平衡环支撑在外缸上，支撑方式和内缸的支撑方式一样。

高中压外缸是由四只“猫爪”支托的，这四只“猫爪”与下半汽缸一起整体铸出，位于下半水平法兰的上部，因而使支承面与水平中分面齐平。在电端“猫爪”搭在位于轴承箱两侧的键上，并可以在其上自由滑动。轴承箱是落地的。在调端“猫爪”以同样方式搭在前轴承箱下半两侧的支承键上，并可以同样方式自由滑动。在前后端，高中压外缸与相邻轴承箱之间都用“H”型定中心梁连接，它们与汽缸及相邻轴承箱间由螺栓及定位销固定。这些定中心梁保证了汽缸相对于轴承箱正确的垂直向与横向位置。前轴承箱与台板之间轴向键（位于轴向中心线上），可在其台板上沿轴向自由滑动，但是它的横向移动却受到轴向键的限制，轴承侧面的压板限制了轴承座产生任何倾斜或抬高的倾向，这些压板与轴承座凸肩间留有适当的间隙，允许轴向滑动，每个“猫爪”与轴承座之间都用双头螺栓连接，以防止汽缸与轴承座之间产生脱空。螺母与“猫爪”之间留有适当的间隙，当温度变化时，汽缸“猫爪”能自由胀缩。

本机组具有两个低压缸。低压外缸全部由钢板焊接而成，为了减少温度梯度设计成3层缸。由外缸、1号内缸、2号内缸组成，减少了整个缸的绝对膨胀量。，汽缸上下半各由3部分组成：调端排汽部分、电端排汽部分和中部。各部分之间通过垂直法兰面由螺栓作永久性连接而成为一个整体，可以整体起吊。

低压缸调速器端的第1、2级隔板安装在隔板套内。此隔板套支撑在1号内缸上，第3、4、5级隔板安装在1号内缸内，第6、7级隔板安装在2号内缸内，内缸支撑在外缸上。

低压缸发电机端的第1-4级隔板安装在隔板套内，此隔板套支撑在1号内缸上，第5级隔板安装在1号内缸内，第6、7级隔板安装在2号内缸内，内缸支撑在外缸上。

排汽缸内设计有良好的排汽通道，由钢板压制而成。面积足够大的低压排汽口与凝汽器弹性连接。低压缸四周有框架式撑脚，增加低压缸刚性，撑脚座落在基架上承担全部低压缸重量，并使得低压缸的重量均匀地分在基础上。在一号低压缸撑脚四边通过键槽与预埋在基础内的锚固板配合形成膨胀的绝对死点。在蒸汽入口处，1号内缸、2号内缸通过1个环形膨胀节相连接，1号内缸通过1个承接管与连通管连接。内缸通过4个搭子支承在外缸下半中分面上，1号内缸、2号内缸和外缸在汽缸中部下半通过1个直销定位，以保证三层缸同心。为了减少流动损失，在进排汽处均设计有导流环。每个低压缸两端的汽缸盖上装有两个大气阀，其用途是当低压缸的内压超过其最大设计安全压力时，自动进行危急排汽。大气阀的动作压力为0.034—0.048Mpa(表压)。低压缸排汽区设有喷水装置，空转或低负荷、排汽缸温度升高时按要求自动投入，降低低压缸温度，保护末叶片。

3.4 轴承

汽轮机每根转子均有两个径向轴承支撑，整个轴系有一个推力轴承。它们均是强迫润滑型的。

高中压转子的径向轴承，采用无扭转4瓦可倾瓦支撑轴承，增强抵抗由于调节级负荷变化引起的蒸汽力的能力，提高轴系稳定性。见图7、8。

低压缸同样采用4瓦可倾瓦轴承，具有良好的对中性能。

推力轴承是自位式京士伯里型轴承。利用平衡桥的摇摆运动，使所有巴氏合金表面

图7、8 四瓦块可倾瓦轴承

载荷中心处在相同的平面内，使每一个瓦块受力均匀。见图9。

通过高中压转子上的推力盘，把转子推力传到瓦块上。机组的高中压缸反向流动、低压缸双分流结构，故蒸汽产生的推力在每个缸上保持平衡，因此阀门的开度对推力轴承载荷影响很小。

通过调整轴承键与壳体之间的调整垫片可保证轴承的位置。轴承与轴承箱下半之间装有制动销，防止轴承相对轴承箱转动。

润滑油的强制供给通过轴承箱、键、轴承壳体中的通道保证。

所有的轴承均带有检测金属温度的热电偶。

汽轮机装有防止轴电压事故的接地装置。

3.5 大气阀

安装在汽轮机排汽缸上半部的大气释放膜，保护低压缸。

大气释放膜为一个圆形薄隔板，每个隔板带有一个薄膜，通过钢网型支撑安装在低压汽缸上。此薄膜紧固在隔板压力轮盘和隔板持环之间。如果排汽压力超过设定值，迫使隔板压力轮盘向外移动，导致持环内边和隔板压力轮盘边缘之间的释放膜折断，卸载汽轮机排汽压力。

3.6 阀门 3.6.1 主汽阀

汽轮机有两个相同的主汽阀，由液压执行机构驱动，可以在启动时控制转速，并可以通过控制快速关闭阀门。上述操作可以通过控制室完成。

主汽阀为油动机控制水平放置的“柱塞”型阀门，主汽阀与阀体构成整体的阀门结构。主汽阀内包括内外两个单座不平衡阀门。预启阀位于主阀内并可远程驱动，参与控制全周进汽的启动、同步转速和带初始负荷。每个主汽阀包括启动时可拆卸的临时滤网和永久性滤网。

机组在运行时可进行阀门活动试验。见图10。

3.6.2 调节阀

调节阀蒸汽室与主汽阀蒸汽室采用整体的合金钢锻件制成。蒸汽通过主汽阀经由蒸汽室进入液压执行机构独立控制的柱塞型调节阀。位于机组两侧的两个蒸汽室结构相同，每个的蒸汽室包括一个主汽阀及两个调节阀，机组共四个调节阀，控制高压缸的蒸汽流量。蒸汽室锚固在基础上，这样允许蒸汽室承受较高的用户管道力和力矩。

阀杆密封包括一个嵌在阀体上的紧密装配的衬套，利用阀盖在适当位置紧固并具有适合的出口连接。高压漏汽连接到较低压力区， 低压漏汽连接到

图10 主汽阀

汽封冷却器。见图11。 3.6.3 再热主汽阀

在再热器和中压调节阀之间的每根再热蒸汽进汽管路上装有一个再热主汽阀。其目的是在超速跳闸机械装置动作时，中压调节阀未动作的情况下，提供一个防止汽轮机超

速的额外安全装置。机组共有两个再热主汽阀，布置在机组两侧。

每个阀体一端采用固定支撑，另一端采用挠性支撑。两端均用螺栓固定，并固定在基础的底板上。此支撑方式允许阀门的轴向膨胀。

阀门通过螺母连接在阀碟摇臂上，摇臂通过键固定在主轴上。主轴通过连杆与活塞杆相连。连杆可以转动，油动机活塞向上运动阀打开直至全开位置，活塞向下运动阀门关闭。由压缩弹簧产生的正向关闭力作用在活塞上，通过活塞始终保持关闭力作用在阀门上。

在阀碟两侧装有旁通装置，使阀碟两侧蒸汽压力平均分布，以降低打开阀碟的力。

图12 再热主汽阀

图13 中压调节阀

提供再热主汽阀油控跳闸阀，卸载在再热主汽阀关闭时作用于阀杆端部的不平衡蒸汽压力。

再热主汽阀包括阀门本体和执行机构。执行机构与液压控制油系统连接，在超速跳闸阀和事故跳闸阀门关闭时，再热主汽阀打开，油控跳闸阀关闭。在超速跳闸装置机构脱扣时，油控跳闸阀阀打开，降低作用于轴端的蒸汽压力，使关闭再热主汽阀的力最小。见图12。

3.6.4 再热调节阀

汽轮机有四个中压调节阀。阀门是环型密封柱塞阀，装在阀杆突肩上。通过独立的执行机构控制每个中压调节阀。执行机构通过控制油压，控制阀门开度的大小。

阀门的上座和下座的直径设计成平衡作用于阀门的蒸汽压力。因此很容易打开阀门，并且在任一再热压力下很容易关闭。

阀杆密封由紧密装配连接到确定的低压区的衬套保证。当阀门处在全开位置时，阀门处在阀碟与阀杆衬套下端相接触的区域。这些布置可防止再热调节阀全开运行时，沿阀杆的蒸汽泄漏。

阀门装配有蒸汽滤网。它环绕阀体底部装配，并在阀体和阀盖顶部紧固。见图13。

机组在运行时可进行阀门的活动试验。

3.7 盘车装置

在低压缸和发电机联轴器处，提供一套自动啮合和脱开型的盘车装置。在机组启动前和停机后，低速旋转转子，保持转子均匀的加热或冷却，限制偏心值防止转子的热变形。盘车装置运行由零转速信号控制。设有顶轴压力低连锁保护，当顶轴油压低时，盘车控制回路上的压力开关将自动停止盘车装置运行。

4 防固粒腐蚀措施

对于高压汽轮机，采用了冲动式调节级，在冲动式喷嘴中蒸汽流速比动叶高的多，所以仅在喷嘴上采用涂层。对于IP透平，采用了反动式叶片，蒸汽流速相对高压第一级喷嘴速度较慢，因此中压第一级不进行涂层。

在高压汽轮机第一级喷嘴采用扩散渗透法利用雾化硼来涂层以防止杂质造成的腐蚀，扩散涂层厚度最小50μm，涂层硬度最小950Hv。实践证明采用渗硼的方法强化喷嘴表面腐蚀程度下降到原来的20%。

5 预防蒸汽激振力措施

在大功率汽轮机中，高压缸经常发生低频振动。低频振动是高压转子的非同步振动。根据三菱公司的研究，振动是由几类原因造成的，即：

1) 蒸汽涡动

2) 由调节级汽流扰动造成的强迫振动

3) 由转子和汽缸间摩擦造成的强迫振动

蒸汽涡动是高负荷运行时HP/IP转子系统中一阶振动模式的自激振动。蒸汽涡动的机理相对较复杂，但研究表明下列情况结合会发生这种涡动。

?根据阀门开启顺序，如果调节级喷嘴向转子施加向上的力，转子系统将处于不稳定状态。

?HP/IP转子系统的刚性与可靠机组相比相对较低。

?转子系统抵抗迷宫汽封激振力的阻尼相对较低。

为了防止蒸汽激振，三菱公司采用下列设计特点：

1)阀开启顺序保证任何运行条件下在HP/IP转子上都会产生适当的向下的力。

2)单跨的刚性临界速度（一阶模式频率）应在2000rpm以上。

3)高中压缸采用可倾瓦轴承以便给转子系统提供足够的阻尼。

4)为防止调节级的汽流扰动造成的强迫振动，将高压缸中调节级出力限制在20%

左右。这不仅降低调节级激振力水平而且减少了蒸汽涡动。

5)为防止由于转子和汽缸间的摩擦造成的强迫振动，根据大量的1000MW超超临

界机组运行经验确定转子与汽缸间的适当的间隙。

因此基于此富有经验的设计，三菱公司所提供的汽轮机还未出现过低频振动，相信通过采用成熟的技术可防止此问题。

6 三缸四排汽超超临界汽轮机主要设计特点

哈汽公司提供湖南汨罗电厂的超超临界660MW汽轮机技术水平世界先进，大幅度提高汽轮机的经济性和可用性。这些先进技术有成功的运行业绩，高度的可靠性。哈汽公司三缸四排汽超超临界汽轮机主要设计特点如下：

91029mm自带围带末级动叶片

9高效全三维自带围带反动式高、中、低压叶片

9三胞胎调节级动叶片

9中压转子的冷却蒸汽系统

9高压和中压排汽涡壳最优设计，最小的压力损失

9低压全三维设计的排汽缸

9防固粒腐蚀的有效措施

9防低频振动的有效措施

9高温材料具有高的抗蠕变强度特性

本机组提供的高温材料、高效叶片、低压末级叶片均已在运行机组上得到证明。完全能够保证高效率、高度可靠性。