超临界600MW 汽轮机的特点和发展

?综述?

超临界600MW汽轮机的特点和发展

胡尊立

(华北电力科学研究院有限责任公司,北京100045)

摘　要:总结了我国引进技术生产的超临界600MW汽轮机在经济性和技术、结构、用材等方面的特点,并对轴系稳定性和防固粒冲蚀、防汽隙振荡等的措施作了介绍和分析,概述了600MW机的发展历程和方向

关键词:汽轮机;超临界;轴系;固粒冲蚀;汽隙振荡

中图分类号:T K26 文献标识码:B 文章编号:100329171(2006)0820042204

Character istics and D evelop m en t

of600MW Supercr itica l Steam Turb i nes

H u Zun2li

(N o rth Ch ina E lectric Pow er R esearch Institute Co.L td.,Beijing100045,Ch ina)

Abstract:To sum up characteristics in aspects of econom y,technique,structure and m aterials fo r600MW supercritical turbine units m anufactured w ith introduced techno logy.A t the sam e ti m e to offer p resentati on and analysis fo r shafting stability and m easures against the SPE and vibrati on excited by steam gap.To summ arize the p rogress course and directi on of600MW turbine units.

Key words:steam turbine;supercritical;shafting;so lid particle ero si on;vibrati on excited by steam gap

0　前言

随着我国国民经济的快速发展,电力工业的装机容量大幅增长,前些年安装了大量的300MW和600MW机组,且主要是亚临界机组。但是,电力的迅速发展不但造成煤炭供需矛盾的升级,同时降低发电成本、提高经济性也是发电公司的题中之义。因此,降低煤耗,提高发电效率成为新的追求目标。而提高效率的一个重要途径就是提高进汽参数。目前我国亚临界600MW机组采用的进汽参数为16. 7M Pa 538℃ 538℃,而超临界600MW机组的进汽参数为24.2M Pa 566℃ 566℃,后者效率约提高2.5%～3%,煤耗约降低8～10g k W h,其经济价值十分巨大。于是近二年,新订购的机组转向超临界600MW机组,甚至有的已订未装的亚临界600MW机组也改成超临界机组。

1　600MW汽轮机的演进

我国从20世纪90年代开始,引进技术的亚临界300MW汽轮发电机组逐步在电网中取代200MW机组,成为主力机组。300MW机组无论在安全可靠性,还是经济性上均远胜于200MW 机组。在普遍认可和掌握亚临界300MW机组技术的基础上,进入21世纪以后,兴起了一波争上亚临界600MW机组的热潮,这是因为亚临界600 MW与亚临界300MW汽轮机的差别主要是增加了一个低压缸,别的方面变化很少。

上汽厂和哈汽厂从西屋引进的亚临界600MW汽轮机,原先均是4缸4排汽。之后,随着技术的进步改成3缸4排汽,即高中压缸由分缸改合缸,减少了一个汽缸。而东汽厂一开始从日立引进的亚临界600MW机组就是3缸4排汽。超临界600MW汽轮机则是在原3缸4排汽亚临界600MW汽轮机基础上的升华,主要反映在进汽阀门和高、中压缸高温部分材料的改进,以及在防固粒磨损和汽隙振荡等方面采取了改进措施。

上汽厂的超临界600MW沿用西屋的技术,并在西门子的支持下有所改进;哈汽厂是在原亚临界基础上采用三菱的高压部分,并在此基础上融入了自主开发的内容;东汽厂则仍依靠日立公司的技术,在材料等方面进行了升级。

2　主要技术规范

汽轮机型式为超临界、一次中间再热、三缸四排汽、单轴、凝汽式;

进汽参数为24.2M Pa 566℃ 566℃;

额定功率(铭牌功率TRL)600MW;

阀门全开(VW O)功率约660MW;

加热器级数8级;

给水温度(TRL工况)约280℃;

工作转速3000r m in。

机组能安全连续运行的频率为48.5～51H z。3　结构特点

机组高中压合缸,低压为2缸4排汽。东汽为冲动式机型,高压1+7级,中压6级,低压4×7级;上汽、哈汽为反动式机型,全机除调节级为冲动级外,其余均为反动级。上汽为高压1+11级,中压8级,低压4×7级。哈汽为高压1+9级,中压6级,低压4×7级。汽缸仍采用传统的双层缸结构。

主汽门、调节汽阀、中压联合汽门选择较好的阀腔室及合适的通道型线,以减少冲击波和涡流损失以及降低汽流激振力和振动噪音。阀座、阀芯的阀口处镶焊硬质合金,运行中全开的阀门设置门杆与门杆套的密封(镶焊硬质合金),以保证其在正常运行中门杆不漏汽。各门杆漏汽疏放合理,不对外漏汽。

汽轮机转子采用整锻无中心孔转子。汽轮机设计允许不揭缸进行转子的动平衡。

全三元气动技术在整个高中低压通流部分全面推广应用。弯扭叶片设计广泛用于通流部分各叶片级。

新一代整体自带围带动叶片被各家采用。与铆接围带相比整体围带结构彻底解决了动叶片的高温蠕变问题,应力集中下降三分之二。

末级叶片各家均采用自己有使用业绩的较成熟的叶片。上汽末叶长905mm,环形面积4×7.25m2;哈汽末叶长1000mm,环形面积4×8.5m2;东汽末叶长1016mm,环形面积4×8.76 m2。业主可根据自己的气象水温条件选用。

4　轴系稳定性

汽轮发电机组轴系由高中压转子、低压转子 、低压转子 、发电机转子组成,支承在9个轴承上。其中,汽轮机部分转子均为双支点结构,而发电机转子和接长轴转子则组成为三支点结构。

轴系的各阶临界转速均满足避开+15%～-10%额定转速的要求,扭振频率满足避开工频±10%和二倍工频+8%～-7%的准则,这说明机组的轴系特性是非常良好的。

3个制造厂轴承型式均以可倾瓦为主,但配置和尺寸略有不同,轴承比压均在适当范围内,失稳转速计算值均大于4500r m in,轴瓦金属温度设计值控制在90℃以下。因此,轴系的稳定性是值得信赖的。从已投产的几台超临界600MW汽轮机的运行实绩看,效果是好的。

5　汽轮机选材

由于参数提高,超临界机组的选材较亚临界也相应提高。

上汽和哈汽高中压外缸等采用适用温度高达565℃的2.25C r21M o铸钢,牌号为ZG15C r2M o1 (10315BR);东汽则采用ZG15C rl M o1V。

上汽高压内缸、高压持环、蒸汽室、中压1号持环和高 中压平衡活塞采用10315A P铸钢材料。这种材料机械性能比亚临界机组上使用的ZG15C r2M o1好得多,而且具有良好的高温蠕变和持久性能。

上汽中压内缸等温度低于500℃,且压差与亚临界机组相当的部件,原则上使用ZG15C r1M o。哈汽高中压内缸均采用M JC12(12%C r钢)。东汽高中压内缸均采用改良型ZG15C r1M o1V。

3个制造厂高中压转子的材料采用和亚临界机组基本相同的C r M oV锻钢材料,牌号为30C r1M o1V(东汽为改良型),与欧美和日本的大部分汽轮机制造厂相同。对566℃ 566℃的超临界机组来说,C r M oV转子钢的持久强度和持久塑性已完全能满足汽轮机的使用要求,加上高中压转子的进汽部位采用先进成熟的转子冷却技术,因此完全可以安全可靠运行。

低压转子因进入低压缸的温度提高,亚临界机组使用的普通30C r2N i4M oV已不能适应,为降低材料的长期时效脆性敏感度,三家均采用超纯30C r2N i4M oV。但降低进入低压缸的设计温度后,也有不采用超纯钢的。

上汽高中压部分中分面螺栓原则上高温部分(即高压内缸、高压持环、高 中压平衡活塞、蒸汽室、中压1号持环)采用含N b和N的马氏体耐热不锈钢2C r11N i M oN bVN(10705Z2或GH4145)。中压2号持环、高排平衡活塞采用与亚临界高压内缸螺栓相同的20C r1M o1VN bT i B,高中压外缸中分面螺栓采用2C r12N i M o1W1V(相当于C422)。哈汽与上汽类似。东汽采用的是日立牌号KT5301,KT5008等,属于C r2M o2W2V钢和C r2

M o2V钢。

上汽、哈汽、东汽主调门阀壳分别采用10315A P、火SFV F28(9%C r钢)和改良型ZG15C r1M o1V。再热主调门阀壳上汽、哈汽均与亚临界相同为ZG15C r2M o1。

上汽主调门、再热主调门螺栓采用持久强度更高、抗松弛能力更高、使用温度高达677℃的镍基高温合金(牌号为:GH4145)。哈汽为M28B(R226)。

汽轮机静叶,上汽高、中压前几级采用9C r钢,高中压后几级及低压其余级采用1C r12M o (10705BA)。哈汽高、中压前几级则采用火SFV F28。东汽也是类似材料,但采用的是日立牌号。

上汽调节级动叶及高中压前几级动叶用2C r11N i M oN bVN(10705Z2),高中压后几级动叶用2C r12N i M o1W1V(C422)。另二家类同。

低压缸和低压叶片材料与亚临界基本相同。低压1～5级及末二级分别采用1C r12M o及1724PH。

6　防固粒冲蚀措施

由于超临界机组采用直流式锅炉,给水携带的各种杂质和炉管腐蚀沉积物的脱离,构成对汽轮机进汽端的冲蚀。因此,超临界汽轮机必须有防固粒冲蚀措施。

611　上汽和哈汽的防固粒冲蚀措施

(1)由于反动级的进汽冲角远大于冲动式,而进汽速度低于冲动式,因此反动式叶片级的冲蚀明显小于冲动式。因除高压调节级外均采用反动级,显然在防止冲蚀方面远比采用冲动式的机型更为有利。

(2)强化静叶片型线,减少静叶出汽边的破裂。

(3)进汽喷嘴或叶片采用表面镀层技术。经多种工艺优选,采用扩散法涂硼化物的方法。612　东汽的除固粒冲蚀措施

(1)由于是冲动式机组,固粒冲蚀从机理上看相对较重。

(2)调节级的固粒冲蚀主要产生在喷咀出汽边内弧上,为此不仅采用合理的喷嘴型线减轻冲击,而且采用涂层保护。

(3)再热第1级固粒冲蚀主要表现在导叶出口背弧上,是静动叶片间粒子复杂的多重反射冲击所致。因此,合理加大动静叶轴向间隙,使从动叶反射的粒子被主流吹回动叶流道而不能打在静叶出口背弧上,切断粒子多重反射的途径,同时对静叶采用等离子淬火层保护技术。7　防末叶水蚀技术

(1)减小末叶片设计动应力。

(2)在末级进口处设置去湿装置和疏水口。

(3)设置合理的动静叶间隙。

(4)对于防末叶进汽边水蚀,上汽、哈汽采用传统的镶焊司太立合金技术,而东汽则采用自行开发的高频淬火技术。

(5)而防末叶根部出汽边水蚀,则采用提高根部反动度的办法,以减少低负荷负反动度引起的回流。

8　防汽隙振荡措施

对超临界汽轮机,由于蒸汽密度增加,必须考虑蒸汽激振力的影响。为防止蒸汽激振引起的低频振动,在机组设计时首先考虑了调速汽门开启顺序的关联影响,即由于调节级喷嘴进汽的不对称性,对轴承负荷和动特性的影响。同时考虑汽封动静间隙漏汽汽流力的影响,包括轴向流动和周向流动两部分的汽流力。它们与轴封的几何尺寸,轴封蒸汽流量、温度、压力、轴封齿的平均间隙以及转子角速度等因素有关。因此,高压部分汽封需选择合适的汽封间隙及结构型式,汽缸端部汽封及隔板汽封留有适当的弹性和退让间隙,避免和减少磨擦振动的发生。高中压缸采用可倾瓦轴承,以给转子提供足够的阻尼。有时对于冲动调节级还要适当限制出力,以降低调节级激振力造成强迫振动的可能性。同时转子要精确动平衡,避免转子偏心,并采用引进计算程序及设计规范,用于超临界600MW机组的轴系稳定性计算。

9　热应力计算和控制功能

机组具有热应力计算和控制功能。它能计算高压转子和中压转子的热应力,自动设定升速率,实现转速自动控制,并将实时热应力值同极限值比较。当任一热应力超过极限值时,发出保持转速或保持负荷的信号。

在机组运行过程中,系统还根据汽机转子热应力对汽机周期性寿命消耗进行计算并累计,计算结果将在CR T显示及打印。

10　运行和启动方式

从汽机专业来说超临界机组的运行和启动方式与亚临界差别不大,只是由于锅炉是直流炉,要

求机炉配合更紧密。

3家引进技术生产的600MW机组,均可采用定压运行、滑压运行及定—滑—定等多种运行模式。滑压运行的范围为30%～90%,上汽可达18%～100%。一般来说,滑压起始点由锅炉最低不投油稳燃压力确定,终止点则可根据机组经济性来决定。

西屋技术机组原本不配置汽机旁路,一般采用高压缸启动。但在我国通常配置30%～40%旁路,故上汽、哈汽机组既可采用高压缸启动,也可采用高、中压缸同时控制的启动方式。但后者使用较广泛,它采用双回路系统:即高压缸-高压排汽通风阀-凝汽器回路,以及中低压缸-凝汽器回路。东汽引进日立技术的机组,结合冲动式机组的特点,为减小汽缸和转子的热应力,缩短启动时间,以中压缸启动为主,在旁路失效时也可采用高压缸启动。东汽机组冷态启动(汽轮机金属温度低于150℃)时需通过再热冷段管道对高压缸进行预暖。

为避免汽轮机在高负荷脱扣或甩负荷后高压缸叶片出现过热,在脱扣或失去负荷时迅速打开通风阀,避免高排温度超限。在高中压缸或中压缸启动过程中以及切换到高压调速汽门控制时,要注意再热压力的控制以及高排逆止门和通风阀的开启状况,以避免闷缸造成高压缸超温。

反动式机型轴向间隙大,运行一般不受差胀的限制。冲动式机型结构紧凑,对轴向和径向间隙的控制相对较严。

11　超临界600MW机组的最新发展最新的发展主要有三个方向。一个是出于对经济性的追求和随着高温材料的开发,机组蒸汽参数进一步提高,即所谓的超超临界参数。目前在我国,主汽压力可以做到25～27M Pa;主汽和再热汽温度可达600℃;机组效率在原有基础上还可提高3%左右,现已有订货业绩。另一个是结构上的改进,要求600MW机由3缸4排汽进而简化为2缸2排汽,从而节约制造和投资费用,也使运行和检修工作更趋方便。基于末级长叶片的开发,上汽、哈汽和东汽均已设计出2缸2排汽的新机型,有一家已有订货,有意向的用户不少。第三个方向是将超临界600MW机组用于空冷或抽汽供热,在这方面应该说难度不大,有多台机组在实施中。纵观发展历程,对于600MW机组我国已由引进消化吸收,逐步变成有一定自主开发能力, 600MW机组的安全性和经济性大幅度提高,并在我国电网逐步成为主力机组。

12　结论

目前,我国引进技术的超临界600MW汽轮机有反动式和冲动式二种,型式上均为3缸4排汽。它与亚临界600MW汽轮机的差别,主要体现在高温材料的选用,防固粒冲蚀和汽流激振的对策,以及轴系稳定性和自动化水平的提高等方面。超临界600MW汽轮机是我国发电技术达到一个新水平的标志,也是向容量更大、效率更高的超超临界百万千瓦等级机组发展的新的起点。

收稿日期:2006206201

作者简介:胡尊立(1944-),男,退休汽轮机专家。曾从事电力施工机械设计研制、汽轮机制造、汽轮机组主辅设备调试和试验研究,以及大型电站设备选型和空冷机组的配置研究。

?消息?

三峡大坝全线建成

5月20日,长达2309m的三峡大坝全线达到185m设计高程。至此,举世瞩目的三峡大坝提前10个月建成,提前两年发挥防洪效益。

截至目前,三峡工程已完成投资1260亿元。三峡大坝全线建成,也标志着右岸大坝的12台发电机组进入安装施工阶段。根据计划,2007年将投产6台,2008年将投产6台,预计到2008年底,三峡电站26台机组将全面投产发电,比原计划提前一年。目前,三峡电站供电区域为湖北、河南、湖南、江西、上海、江苏、浙江、安徽、广东等八省一市,三峡电力外送形成中、东、南三大送电通道。到2008年,上述三个通道全部建成后,一个纵横9000km、贯穿八省一市的三峡输变电系统将纵横交错。随着未来三峡电站机组陆续安装投产,其所能覆盖的八省一市以前面临的缺电局面将得到改变。

目前三峡总电量的50%输送到华东电网,华中和广东接收的输电份额各占三峡总电量的25%。截至2005年底,三峡输变电工程已累计向华中送电300亿k W h,向华东送电433亿k W h,向华南送电232亿k W h。

目前,三峡库区地震次(级)均在设计范围内,干流水质总体情况良好,水库排沙比在40%左右,好于预计值。大坝安全性态正常。随着汛后水库蓄水到156m,三峡工程将会发挥更大的航运和发电效益。

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