浅析东汽百万千瓦等级汽轮机技术特点

【摘要】近年来，随着国民经济的高速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；本文介绍了东方汽轮机有限公司百万超超临界汽轮发电机组的技术特点，通过采用新型，大容量单轴汽轮机模块以及一系列独特结构和先进技术，使机组的经济性和安全可靠性达到世界先进水平。该机组还能满足今后更高压力、热电联供等不同超超临界电厂的需要，在我国高效洁净燃煤发电领域有广阔的发展前景。

【关键词】超超临界；百万千瓦；汽轮机；特点

近年来我国持续出现严重雾霾天气，新环保法的出台，对推广清洁能源的生产和利用，提出了更高要求，高效洁净燃煤发电技术将成为当今世界电力工业的主要发展方向之一。随着1993年“600℃”铁素体高温材料在日本某电厂投运，标志着世界汽轮机技术的发展进入了一个新的“超超临界参数”发展阶段。本文对东方汽轮机厂设计、生产的1000MW机组，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.超超临界汽轮机选材特点

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。东汽、日立公司在试验研究、设计制造、安装调试等各个环节投入了大量人力物力，东汽-日立型超超临界汽轮机采用600℃/600℃高进汽参数，因而对关键高温部套的材料及结构设计提出了极高的要求。这类部套主要包括高、中、低压转子、汽缸等。

1.1 高、中压转子选材

因高温、高工作应力及高热应力（尤其在启动时），高、中压转子材料必须具有很高的高温蠕变极限与疲劳极限。目前世界上这类转子材料已成熟了三代――CrMoV、12Cr及改良型12Cr，正在发展并调试用第四代――新12Cr与第五代（奥氏体钢、超含金）。前四代材料在汽轮机转子上的使用温度（指进汽温度）大致为：CrMoV-535℃（改良型CrMoV可用至566℃）；12 Cr-593℃；改良型12Cr-620℃；新12 Cr-630℃。机组高、中压转子根据进汽温度（600℃）及应力水平等实际工程因素，选用了改良型12Cr锻钢――即12 CrMoVNbNW。日立公司早在70年代即将开始对这种材料在600℃温度下进行旋转试验。90年代已进入成熟期，最早用于日本原町电厂2号机上，其进汽参数为24.6MPa/600℃/600℃，功率为1000MW，于1998年7月投入商业运行。多年运行历史证明该材料的成熟性。同样的材料也用于日立公司尔后的700MW、1000MW超超临界机组的高、中压转子上。

1.2 低压转子选材

超超临界机组低压缸进汽温度因再热温度的提高而随之提高，达到约390℃，需改用高纯度（尽可能降低P、Sn、Sb等杂质含量）、低合金Mn、Si含量的NiCrMoV锻钢，日本牌号为3.5NiCrMoV，中国牌号为30Cr2Ni4MoVu。它可以在保持很低的脆性转变温度（FATT）同时防止等温回火催化。

1.3 高中压缸选材

高温型超超临界汽轮机中压缸与高压缸一样都需要采用双层缸结构。由于内、外缸的温度与工作应力不同，故选材也有明显的差别。高中压外缸进汽部分与内缸之间的间隙较小，易受内缸热辐射而导致温度局部升高，故在此间隙内引入少量蒸汽对热辐射进行隔离是必要的。高压内缸的进汽温度高达600℃，体积大，对刚性要求高，故应选抗蠕变强度及热疲劳强度高的12Cr铸钢。高中压外缸内壁温度大部分均低于540℃，仅进汽区段受内缸热辐射，局部内壁温度可能高于570℃，在结构上采取冷却隔离措施，使整个高、中压外缸内壁温度降到540℃以下，高、中压外缸材料可选用工艺性能好且价格低廉的CrMoV铸钢。

2.调节级喷嘴结构特点

东汽1000MW机组采用喷嘴配汽方式，由于部分进汽的原因会对调节级动叶产生“Kick”效应，调节级动叶受到的汽流载荷如图1所示，该“Kick”效应早已被国外公司采用水撞试验所验证，而且东汽也在对调节级进行的数值CFD分析中计算出了实际的气流载荷分布情况，与试验数据非常吻合。通过采取优化措施，对喷嘴的非进汽弧段进行结构优化，可以有效的减小“Kick”峰值载荷约20%，提高了调节级的安全裕度。该优化措施已被国外公司应用，并且取得了良好的效果，已在660MW机组上实施，因此，1000MW机组都采用该优化措施，以提高调节级动叶的安全裕度。

3.末级叶片设计特点

为满足大容量机组需要，日立在40长叶片基础上开发研制了43全转速末级钢叶片；已在日本某电厂成功投运，且运行业绩优良，机组创造了日本电厂最高热效率记录。43叶片汽道有效长度1092.2mm，四排汽环形面积为40.44，单位面积容量（22.3MW/）处于日立给定的排汽环形面积与机组容量的相互关系的平均值附近。

3.1 动静叶型线设计

43末级叶片静、动叶型以具有优良气动性能的40叶片级的静、动叶型线为母型模化改进设计而来。静叶片叶型是在层流叶型基础上优化设计的新一代高效静叶，采用可控涡弯扭成型技术；根部采用上凸子午流道，改善根部流动；出汽边厚度采用0.38mm减小尾迹损失和动叶激振力；动叶根部叶型采用先进的有利于减少二次流损失的“K”型通道叶型，中上部叶型采用先进的适合跨音速流动的背弧斜切部分为直线的缩放通道叶型，与相应的马赫数相适应。在动叶顶部，由于相对速度的增加，新优化设计了一段超音速缩放通道，其局部最高马赫数达2.3，平均出口马赫数达1.86。

3.2 43叶片的结构设计

43末级动叶片叶根采用大刚度高可靠性的叉形叶根，连接件结构采用减振效果优良的凸台式阻尼拉筋，连接件结构采用减振效果优良的凸台式阻尼拉筋和单层自带冠结构。静态时保证连接件间留有最佳安装间隙，在一定转速下开始接触，在额定转速时连接件接触面产生一定的最佳正应力，在此正应力作用下，阻尼件将大大地消耗叶片振动能量，衰减振动，降低叶片的动应力。

4.配汽优化特点

东汽超超临界1000MW机组配汽方式为复合配汽，在低负荷工况下运行时，四个调节阀同开节流损失大，与喷嘴配汽比经济性差。针对大多数电厂已投运机组常年运行在50～90%负荷的情况，通过调门配汽优化以提高低负荷工况的经济性。

1）利用机组阀门配置的优势，实现全周进汽和部分进汽的无扰切换，获得部分负荷条件下运行的最佳经济性。

2）根据每个电厂的负荷情况，配合电厂进行配汽曲线的优化和运行参数的优化工作，获得部分负荷运行的最佳经济性。

原日立设计的配汽方式为复合配汽（部分进汽/全周进汽）。即由四个高压油动机驱动四个高压调节阀（每个调节阀对应一个喷嘴组），实现汽轮机的流量（负荷）调节。该种配汽方式下各阀严格按照预定的程序执行启闭，升程关系固定。在启动和较低负荷时，汽轮机采用节流调节，此时四个调节阀同时开启，带一定负荷后，关小、关闭部分阀门，转为喷嘴调节。这种配汽方式其最佳负荷点在90%～100%额定负荷范围之内，但仍然兼顾了部分负荷的运行经济性。为减少节流损失，部分负荷采用滑参数配汽，即保持阀门开度不变，靠改变进汽压力来改变进汽量。

与负荷指令关系曲线

东汽某百万机组配汽方式优化后，50%额定负荷机组煤耗较原设计降低3.7g/（kW.h）；60%额定负荷机组煤耗较原设计降低2.5g/（kW.h）；70%额定负荷机组煤耗较原设计降低1.8g/（kW.h）；80%额定负荷机组煤耗较原设计降低1.2g/（kW.h）；90%以上额定负荷两种配汽方式的机组煤耗相当。

5.结论

提高火力发电机组容量是世界众多设备制造厂家长期科研努力的方向，是发展火力发电设备技术唯一的途径，也对节约能源、改善环保和提高发电效率、降低发电成本起到根本性的作用。本文通过对东方引进型超超临界百万汽轮机组技术特点的分析，了解世界目前火力发电机组发展的最新成果和最先进的设计理念，这对我国发电设备制造业的发展和提高设计水平有着很好的借签作用。

参考文献

[1]罗方.东方汽轮机百万机组技术资料[Z].东方汽轮机厂.