基于西门子—日立技术的超超临界1300～2000 MW机组设计

2010-06-07李祥苓韩奎政陈自雨林西奎陈兆庆

电力建设 2010年1期

李祥苓，韩奎政，陈自雨，林西奎，陈兆庆

(1.华电漯河发电有限公司，河南省漯河市，462000；2.华电国际十里泉发电厂，山东省枣庄市，271000；3.华电国际邹县发电厂，山东省邹城市，273500；4.华电芜湖发电有限公司，安徽省芜湖市，241000；5.华电宿州发电有限公司，安徽省宿州市，234000)

1 上电—西门子公司N1000 MW汽轮机轴系分析

上电—西门子N1000—26.25/600/600汽轮机的总体型式为单轴4缸4排汽(图1)。采用西门子公司近期开发的3个最大功率可达1100 MW等级的HMN型积木块组合：1个单流圆筒型H30高压缸，1个双流M30中压缸，2个N30双流低压缸。汽轮机共有4根转子，分别由5只径向轴承来支承，除高压转子由2个径向轴承支承外，其余3根转子，即中压转子和2根低压转子均只有1只径向轴承支承。这种支承方式不仅结构比较紧凑，更主要的是减少基础变形对于轴承荷载和轴系对中的影响，使得汽机转子能平稳运行，且轴系长度可大幅度减少，该轴系总长仅27 m(外高桥第三发电公司2×1000 MW机组设计为27 MPa主蒸汽温度和再热蒸汽温度不变，但轴系长度为29 m)，与其他公司的4缸4排汽机型相比要短8～10 m，因此轴系特性简单，经济性较高。

上电—西门子N1000 MW汽轮机高、中压缸采用双层缸设计。高压缸外缸为桶形设计，内缸为垂直纵向平分面结构。单流反向18级，两侧切向全周进汽。由于缸体为旋转对称，避免了不合理的材料集中，使得机组在启动、停机或快速变负荷时，缸体的温度梯度很小，可将热应力保持在一个很低的水平。由于采用了双层缸设计，所以中分面螺栓应力也很小，安全可靠性好。中压内、外缸均由水平中分面分成上下半，采用双分流形式，共2×13级，中部两侧切向全周进汽。高、中压外缸通过猫爪分别搭在前、后轴承座上。与国产机组常用的分体供货、现场检修、组装的方式有所不同，华能玉环电厂1000 MW汽轮机高、中压汽缸均采用模块化设计，整体供货，现场不解体。由于是在制造厂内无尘车间组装完成，其安装精度和设备内部清洁度均有保证。运输过程中，转子与汽缸用运输定位装置在两端固定，保证在制造厂内调整好的间隙到达施工现场后不会改变。现场高、中压缸的安装只须就位、找正。与国产机组相比，由于制造厂承担了大部分安装调整的工作，大大简化了现场安装程序和工艺，提高了安装精度，缩短了安装工期。

2 东方—日立公司N1000 MW汽轮机轴系分析

东方—日立N1000—25.0/600/600汽轮机的总体型式为单轴4缸4排汽(图2)。汽轮发电机组轴系中每根转子均由2个轴承支承。其中，高压和中压转子采用可倾瓦轴承支承，低压转子采用椭圆轴承支承；可倾瓦轴承采用6瓦块结构，对称布置；椭圆轴承为单侧进油，上瓦开槽结构。轴承合金结合面采用燕尾槽结构。整个轴系由1个双调节级单流高压缸、1个双流中压缸及2个双流低压缸组成。高压缸共1+8个热力通流级，其中调节级为双流。高压缸为中分面双层缸结构。汽轮机转子由4根转子组成，全部采用整锻转子；各转子之间采用刚性联轴器联接；每根转子各有2个支持轴承，1～4号轴承采用落地式轴承，5号、6号和7号、8号轴承分别支承在ALP、BLP缸上，为不落地轴承。为减小高压缸、中压缸的转子与静子间的胀差，推力轴承安装在紧靠2号轴承后。配汽方式为全电调阀门控制，最大连续工况1044.1 MW，阀门全开工况1083.5 MW，末级叶片高度为43〞（109.22 cm），汽轮机长35.6 m，汽轮发电机总长54.652 m。

3 基于上电技术吸收东方技术优化增容为单轴1300～1500 MW机组的可行性

东方—日立N1000—25.0/600/600超超临界汽轮发电机组是国际上百万千瓦级单轴最长轴系，而国际百万千瓦级以上超超临界机组多为双轴布置，选择双轴机组布置的原因就是为了满足低压排汽的要求和尽量保持较短的轴系，以确保机组轴系稳定。东方—日立N1000—25.0/600/600超超临界长轴系汽轮发电机组的安全稳定运行为电力装备的制造向更大容量的发展提供了一系列的技术支撑。但该轴系再延长的风险太大，加之高压缸水平中分面结构的特性决定了无法解决应力集中这一关键技术，再向更高参数发展的余地不大；而上电—西门子N1000—26.25/600/600超超临界汽轮发电机组，中压转子和2根低压转子只有1只径向轴承支承的单支承设计可在上电—西门子N1000—26.25/600/600超超临界汽轮发电机组现有轴系上增加1个低压缸，实现5缸6排汽的设计，使机组增容为1300～1500 MW单轴超临界机组，解决了国际上因无法解决末级排汽而把1200 MW以上容量的汽轮发电机组设计成双轴的技术瓶颈。由于是单轴承支承，即使在现有的上电—西门子N1000—26.25/600/600超超临界汽轮发电机组设计上增加1个低压缸，汽轮发电机轴系长度也低于东方—日立N1000—25.0/600/600超超临界汽轮发电机组轴系长度；而东方—日立N1000—25.0/600/600超超临界汽轮发电机组的实践说明54.652 m轴系长度是安全稳定的。另外，上电—西门子N1000—26.25/600/600超超临界汽轮机高压缸外缸的桶形设计和内缸垂直纵向平分面结构的设计为机组向更高参数的发展奠定了基础，并且西门子公司有丰富的单轴5缸6排汽的设计经验(上海外高桥第三发电公司2×900 MW机组5缸6排汽设计)，由于单机容量的增加，锅炉出力也相应增加，在设计制造时，由于主蒸汽参数选择在26.25 MPa或以上，高压通流的面积比1000 MW等级的汽轮机高压通流增加较小，高压通流做完功的蒸汽再热后压力仅约为4.5 MPa，蒸汽容积与1000 MW等级的再热蒸汽容积相比增加较大，所以中压缸的压力级和通流面积设计应比1000 MW等级的中压通流在压力级和通流面积上相应增加，那么中压通流比1000 MW等级的中压通流在轴系上也有所增加，设计时可以考虑在高压通流增加1个工作压力级，在中压通流增加2×1个工作压力级，但由于采用西门子的单支撑设计，汽轮机轴系长度也会不大于35.6 m，因此，基于西门子技术吸收日立长轴系稳定性技术优化设计为5缸6排汽的N1300～1500 MW—26.25/600/600超超临界火电机组在技术上是成熟、可靠的(图3)。

4 基于上电—东方技术优化设计双轴1500～2000 MW机组的可行性

4.1 双轴1500～2000 MW机组可行性分析

对6缸6排汽的双轴设计一般有2种设计选择。设计1(图4)：在主轴上布置2个低压缸的4缸4排汽的主轴设计，在副轴上布置1个中压缸和1个低压缸的2缸2排汽设计，这样的双轴6缸6排汽的设计便于凝汽器和小汽轮机的安装布置，但缺点是主轴偏长，对轴系稳定性有较高的要求；设计方案2(图5)：在主轴上布置1个高压缸、1个中压缸和1个低压缸的3缸2排汽的主轴设计，在副轴上布置1个中压缸和2个低压缸的3缸4排汽的副轴设计，这种6缸6排汽的双轴设计缩短了主轴长度，提高了主轴的稳定性，而副轴由于轴向推力和轴向位移不大，加之轴系长度也在合理的范围内，因此这种设计提高了机组的可靠性，是一种值得推广的设计。对于更高参数、更大单机容量的的机组设计，在现有东方—日立1000 MW机组长轴系的稳定性的基础上，吸纳上电—西门子1000 MW机组单轴瓦支撑的技术，可设计为双轴7缸8排汽(图6)，这样机组容量可达到2000 MW。鉴于东方—日立N1000—25.0/600/600超超临界汽轮发电机组长轴系的稳定性保障，6缸6排汽一次再热的设计可使机组容量达到1300～1500 MW，7缸8排汽一次再热的设计可使机组容量最高可达2000MW。

4.2 双轴1500～2000 MW机组中压联合控制系统分析

基于上电—东方技术优化设计双轴1500～2000 MW汽轮机发电机组调速控制系统的中压通流控制系统在设计时应根据不同的轴系布置设计不同的中压控制方式。对于双轴6缸6排汽汽轮发电机组的中压通流控制可以在主轴和副轴上各自设计独立的中压通流控制系统(图7)；对双轴7缸8排汽汽轮发电机组，由于低压通流排汽面积完全相同，加之主轴和副轴中压和低压通流的设计数据都是一样的，即主轴、副轴上再热蒸汽的工作阻力之和与低压排汽压力相同，因此，可以利用蒸汽逐级自流的动力学特性，采用1套中压控制系统来控制主轴和副轴上的中压通流和低压通流(图8)，但为了便于在副轴上的设备出现问题时进行处理，可以在中压联合汽门后，副轴中压缸前设置1个全开/全关的截止阀门，以便在副轴设备出现问题时进行隔离，实施缺陷处理。