超超臨界二次再熱空冷汽輪機的總體設(shè)計

起超臨界二次再熱空冷汽輪機的總體設(shè)計唐麗麗;王娟【摘要】文章介紹了1000MW超超臨界二次再熱空冷汽輪機的總體設(shè)計特點及設(shè)計中需要注意的問題.1000MW等級空冷二次再熱機組總體設(shè)計方案是可行的,但由于受到末級濕度的限制,二次再熱空冷機組的再熱溫度略低于濕冷機組，經(jīng)濟(jì)性收益略低于濕冷二次再熱機組.【期刊名稱】《東方汽輪機》【年(卷)，期】2018(000)002【總頁數(shù)】5頁(P13-17)【關(guān)鍵詞】二次再熱;空冷;汽輪機【作者】唐麗麗;王娟【作者單位】東方汽輪機有限公司，四川德陽,618000;東方汽輪機有限公司，四川德陽,618000【正文語種】中文【中圖分類】TK261前言二次再熱燃煤火電機組近年來在國內(nèi)發(fā)展迅速。2015年，由東方汽輪機有限公司(以下稱東汽)自主研發(fā)的二次再熱機組已成功投運，國內(nèi)還有多臺二次再熱機組招標(biāo)在建。這些二次再熱機組均為濕冷汽輪機，投運地區(qū)均在中東部。由于空冷機組節(jié)水、環(huán)保的優(yōu)點，在我國西部（尤其是西北），空冷機組被廣泛應(yīng)用。但是由于二次再熱的特殊性和空冷機組的高背壓特性，導(dǎo)致二次再熱技術(shù)和空冷技術(shù)的結(jié)合，不是簡單的融合，需要深層的分析和研究，以保證機組的安全性和高效性。2超超臨界1000MW空冷二次再熱機組的設(shè)計特點我國的空冷機組起步雖晚，但發(fā)展迅速。東汽從200MW空冷機組發(fā)展至今，產(chǎn)品范圍涵蓋了300MW、600MW和1000MW機組，產(chǎn)品種類包括了所有等級的汽輪機機組。從東汽近期的空冷機組業(yè)績表（見表1）中可以看出，空冷機組在向大容量、高參數(shù)方向不斷發(fā)展，在立足節(jié)水的同時不斷要求高效。表1東汽近期空冷機組業(yè)績表項目新疆潞安準(zhǔn)東#1、#2華電西黑山#1、#2華能延安#1、#2大唐蔚縣#1、#2山西古交三期擴建#1、#2同煤軒崗二期#1、#2大唐托電五期擴建#9、#10山西長子高河#1、#2新疆中煤北二#1、#2大唐錫林浩特#1、#2京能酸刺溝#1、#2華電十二連城#1、#2新疆農(nóng)六師一期#1、#2、#3、#4神華鴛鴦湖二期擴建#3、#4德源府谷二期#3、#4橫山一期#1、#2主汽參數(shù)/MPa/°C/°C25/600/60025/600/60028/600/62028/600/62026.25/600/60028/600/62028/600/62028/600/62027/600/61028/600/62028/600/62028/600/61026.25/600/60028/600/62026.25/600/60028/600/620功率/MW6606606606606606606606606606606606601100110010001000結(jié)構(gòu)三缸兩排汽三缸兩排汽三缸兩排汽三缸兩排汽三缸兩排汽三缸兩排汽三缸兩排汽三缸兩排汽三缸兩排汽三缸兩排汽三缸兩排汽三缸兩排汽四缸四排汽四缸四排汽四缸四排汽四缸四排汽末葉/mm103010301030103086386386310301030103010301030770863770863進(jìn)度設(shè)計設(shè)計設(shè)計在制在制在制投運在制在制在制在制在制#1、#2已投運在制在制在制空冷機組對環(huán)境溫度的影響反應(yīng)比較敏感，背壓變化范圍比較大而且頻繁，對低壓末級葉片、低壓缸和軸系影響較大。東汽在這些方面積累了大量寶貴的經(jīng)驗，對空冷機組進(jìn)行針對性設(shè)計。3超超臨界1000MW空冷二次再熱機組的總體方案超超臨界1000MW空冷二次再熱機組在外形上基本同超超臨界1000MW二次再熱濕冷機組（見圖1）。與濕冷機組的相同點：?機組型式：超超臨界、兩次中間再熱、單軸、五缸四排汽、凝汽式汽輪機?額定功率：1000MW?最大出力：1100MW?汽輪機額定轉(zhuǎn)速：3000r/min?旋轉(zhuǎn)方向（從汽機向發(fā)電機看）：逆時針?汽封系統(tǒng)及運行方式：采用自密封系統(tǒng)（SSR）?運行方式：定-滑或定-滑-定?配汽方式：節(jié)流配汽?汽輪機外型尺寸基本不變，約：43mx10mx8m（長x寬x高）主要不同點有：?末級葉片長度：863mm/770mm?額定排汽壓力：9~18kPa?回?zé)峒墧?shù)：4級高壓加熱器+1除氧器+5級（或4級）低壓加熱器除氧器采用滑壓運行?低壓模塊圖1東汽1000MW二次再熱機組的示意圖4熱力系統(tǒng)設(shè)計特點空冷機組高背壓的特點使機組的總焓降段減少，影響低壓模塊的設(shè)計。通常，空冷低壓級數(shù)比同等級濕冷機組的低壓級數(shù)少一級，回?zé)峒墧?shù)通常較濕冷機組少一級。因為次末級后不宜設(shè)置抽口，否則會引起加熱器疏水不暢。另外，如果進(jìn)汽參數(shù)采用同濕冷機組一樣（如31MPa/600°C/620°C/620°C），由于二次再熱壓力、溫度和排汽背壓的綜合影響，機組排汽濕度降低，約3%（背壓11kPa）。為避免末級葉片長期處于威爾遜區(qū)，可以采用降低再熱溫度的方式來提高排汽濕度。如圖2所示的熱力過程線，某一次再熱空冷機組（再熱溫度620C）的排汽濕度在8%;而二次再熱機組的再熱溫度降低到600C后，排汽濕度接近5%。圖2空冷機組熱力過程線所以，降低再熱溫度可以有效提高排汽濕度。但是這將犧牲一部分經(jīng)濟(jì)性。對于理論計算的結(jié)果而言，提高主蒸汽溫度亦可提高排汽濕度。經(jīng)評估，對于再熱溫度為620C的二次再熱機組，主蒸汽壓力要提高到50MPa以上，其排汽濕度才與一次再熱機組相當(dāng)，而這將提升鍋爐、汽機的設(shè)計難度和增加成本。5本體結(jié)構(gòu)設(shè)計特點東汽1000MW二次再熱空冷機組的總體方案是在東汽1000MW—次再熱超超臨界機組的基礎(chǔ)上增加一個超高壓模塊。機組為單軸、五缸四排汽。百萬二次再熱空冷機組含一個單流超高壓缸、一個單流高壓缸、一個雙流中壓缸和兩個雙流低壓缸?？v剖面圖如圖3所示。圖3東汽1000MW二次再熱空冷機組縱剖面圖5.1超高壓模塊超高壓模塊設(shè)計同東汽1000MW二次再熱濕冷機組超高壓模塊設(shè)計方案，主要特點如下：?進(jìn)汽口為兩個，采用切向進(jìn)汽；?單流程設(shè)計，提高相對葉高；?雙層缸結(jié)構(gòu)，內(nèi)外缸均采用筒形缸設(shè)計。5.2高壓模塊高壓模塊設(shè)計同東汽1000MW二次再熱濕冷機組高壓模塊設(shè)計方案，主要特點如下：?進(jìn)汽口為兩個，采用切向進(jìn)汽；?單流程設(shè)計，提高相對葉高；?采用雙層缸結(jié)構(gòu)，高壓內(nèi)缸采用筒形缸結(jié)構(gòu)，高壓外缸的設(shè)計為常規(guī)設(shè)計；?高溫材料的鑄件和鍛件采用相應(yīng)等級高溫材料，這些材料已經(jīng)在國內(nèi)投運的超超臨界機組上進(jìn)行了成功應(yīng)用。5.3中壓模塊中壓模塊設(shè)計同東汽1000MW二次再熱濕冷機組中壓模塊設(shè)計方案，主要特點如下：?進(jìn)汽口為兩個，采用水平切向進(jìn)汽；?雙流程設(shè)計；?中壓模塊采用雙層缸結(jié)構(gòu)；?高溫材料的鑄件和鍛件采用相應(yīng)等級材料，這些材料已經(jīng)在國內(nèi)投運的超超臨界機組上進(jìn)行了成功應(yīng)用。5.4低壓模塊5.4.1空冷機組末端設(shè)計的特殊性如前文所述，空冷機組的設(shè)計難點在低壓模塊?？绽淦啓C機組的末端設(shè)計主要考慮：?設(shè)計工況時，排汽的威爾遜區(qū)由濕冷機組的次末級推遲到末級；變工況或背壓變動時，威爾遜區(qū)重新轉(zhuǎn)移或消失。?低負(fù)荷高背壓工況時，排汽出現(xiàn)過熱，排汽缸溫度高、末級動葉片動應(yīng)力增大，應(yīng)力腐蝕的可能性增加。?高負(fù)荷低背壓工況時，會出現(xiàn)阻塞工況(對于額定背壓在10kPa的機組，tmcr流量下阻塞背壓在5.5kPa左右)，此時，末級動靜葉片彎應(yīng)力最大。5.4.2低壓缸設(shè)計的對應(yīng)措施以上幾點的特性影響到低壓模塊的安全性，對空冷低壓缸，為保證安全性，其設(shè)計不同于一般的濕冷機組，主要包括有末級葉片、低壓軸承支撐、低壓缸結(jié)構(gòu)型式和排汽管的連接方式等。?采用特制末級葉片空冷末級葉片較濕冷末級葉片粗壯，具有更高的強度。不僅包括葉片型線，還從葉根型式、圍帶與拉筋、葉片材料等方面采用針對性設(shè)計，來保證末級葉片的剛度、強度、彎應(yīng)力等來適應(yīng)大范圍的高背壓特性。針對1000MW空冷機組，東汽有770mm和863mm兩種末葉，用戶可根據(jù)地理環(huán)境、冷卻方式等進(jìn)行優(yōu)選，選擇最佳末葉。?低壓軸承支撐方式低壓采用落地軸承，不僅可以保證低壓轉(zhuǎn)子的剛性，而且保證轉(zhuǎn)子的軸承標(biāo)高不隨汽缸膨脹而變化。降低低壓缸振動的風(fēng)險。?低壓缸為防止低壓缸變形，東汽空冷機組低壓缸采用三層缸或兩層缸。為了避免排汽管的力傳遞到汽缸上，空冷機組的低壓缸與排汽管連接一般采用柔性連接。由于背壓變化頻繁而且幅度較大，低壓排汽缸和轉(zhuǎn)子的工作環(huán)境不斷變化，為防止低壓軸封與轉(zhuǎn)子發(fā)生碰摩，低壓端汽封體與汽缸采用彈性連接。?排汽末端保護(hù)系統(tǒng)空冷機組排汽缸的噴水裝置，對機組的安全性特別重要。在機組低負(fù)荷、高背壓工況運行時，低壓排汽溫度升高，會導(dǎo)致機組振動，影響機組的安全性。此工況比常規(guī)濕冷機組更容易出現(xiàn)。當(dāng)排汽溫度超過限定值時，控制系統(tǒng)會打開噴水控制閥，并自動調(diào)節(jié)噴水量。（2）由于空冷機組的特點，考慮到末級葉片的安全性，必須設(shè)置保護(hù)系統(tǒng)。圖4是某空冷葉片的背壓保護(hù)曲線。報警背壓可保護(hù)末級葉片動應(yīng)力安全；不同進(jìn)汽流量下，機組的阻塞背壓是不同的，正常運行時要保證在此曲線以上的區(qū)域和報警背壓以下的區(qū)域。另外，為保證空冷系統(tǒng)安全還應(yīng)設(shè)置防凍最低背壓，汽機運行應(yīng)在該線之上。圖4某空冷末級葉片背壓保護(hù)曲線東汽在大量的空冷機組設(shè)計中，積累了寶貴的經(jīng)驗。適用于1000MW二次再熱空冷機組的兩種低壓模塊，東汽均有運行業(yè)績。能保證低壓模塊的安全高效性。6其他東汽1000MW二次再熱空冷機組的通流設(shè)計理念和方法、滑銷系統(tǒng)、軸系、旁路設(shè)置、汽水系統(tǒng)和油系統(tǒng)等均與濕冷機組相同，在此不再螯述。7結(jié)論1000MW空冷二次再熱機組總體設(shè)計方案是可行的，但由于受到末級濕度的限制，二次再熱空冷機組的再熱溫度略低于濕冷機組，經(jīng)濟(jì)性收益略低于濕冷二次再熱機組。東汽1000MW超超臨界二次再熱空冷機組在東汽1000MW超超臨界二次再熱濕冷機組和東汽1000MW超超臨界一次再熱空冷機組的基礎(chǔ)上進(jìn)行組合設(shè)計；本體結(jié)構(gòu)成熟可靠。100