东方第三代超超临界1000 MW汽轮机设计特点

莫一波，黄果，曹应飞，黄坤，黄柳燕

（东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000）

0　前言

进入21世纪以来，发展低碳经济已经成为世界各国应对全球气候变化、实现可持续发展的核心战略[1]。根据我国能源结构特点，电力行业以煤炭作为能源主体的格局将在未来很长一段时间存在，大力发展安全可靠的高效燃煤机组具有更积极的战略意义。为提高市场竞争力，降低机组热耗，国内外各汽轮机制造商逐步对各自汽轮机机组，尤其是以1000 MW超超临界为代表的高参数大容量机组进行优化设计和产品升级。

东方超超临界1000 MW等级汽轮机技术最初从国外整体引进成熟机型，首台安装在华电邹县电厂并于2006年成功投运[2]；东方第二代超超临界1000 MW等级机组设计于2012年，该机型首次采用节流配汽、1200 mm低压末级叶片，调整分缸压力，优化通流级数，从而提高机组效率，首台安装在浙江六横电厂并于2014年成功投运，后续机组提高主蒸汽压力与再热蒸汽温度，以其为代表万州项目[3]于2015年投运。

根据最新汽轮机行业发展趋势，为进一步提高机组效率与可靠性，东方研制了第三代超超临界1000 MW等级汽轮机机组，本文就其设计准则、机组结构、通流设计、阀门布置、配汽方式等方面进行介绍。

1　设计准则

根据国内电力行业实际状况以及国内外汽轮机行业最新技术，东方第三代超超临界1000 MW机组不仅继承了东方第二代超超临界机组结构特点，同时也应用了大量新技术、新结构。为了确保新机组的安全性与经济性，制定了如下设计准则。

1.1　采用成熟的高温材料，保证机组总体结构的安全性

高温材料一直以来是汽轮机技术中一个非常关键的因素，直接影响整体机组运行的安全性。东方第三代超超临界1000 MW机组的高温材料均采用成熟且具有多年运行业绩的材料，完全满足机组蒸汽参数下结构强度要求，重要部件材料汇总如表1所示。

表1　东方第三代超超临界1000M W机组部分重要部件高温材料汇总表

1.2　借鉴成熟结构或系统，保证技术的继承性

成熟结构或系统是指具有大量的运行业绩证明其安全可靠性。大量借鉴成熟的机构或系统，可以确保新机组的顺利投运并使其能延续下去。

1.3　采用东方最新研究成果，保证经济性

结合国内外汽轮机技术发展趋势，东方通过不断地探索研究，取得了巨大的成就，将其应用于新机组上确保机组的经济性。

1.4　传统理论计算方法与有限元分析相结合，确保新结构的安全可靠性

对于新机组中新设计的汽缸以及阀门等结构，将传统理论计算与有限元分析两者结合起来，综合评判以保证新结构的安全性。

1.5　借助CFD分析软件优化流道，减少流动损失

对于机组中的进汽、排汽流道，根据流体动力学原理，采用成熟的商业分析软件对其优化，尽可能保证流场均匀，减少蒸汽流动损失，提高机组效率。

1.6　与知名高校、研究机构合作，对于关键问题开展专题研究

东方与知名高校、国内外研究机构的合作，对于机组中某些重点、难点结构等开展专题研究，获得了巨大的进展并应用于新机组，保证其安全可靠性。

2　总体概况

东方第三代超超临界1000 MW机组为单轴、一次中间再热、四缸四排汽凝汽式汽轮机，从汽轮机侧到发电机侧依次由1个单流高压模块、1个双分流中压模块和2个成熟的双流低压模块串联而成，机组整体三维模型如图1所示。

图1　东方第三代超超临界1000 MW汽轮机整体三维模型

与第二代产品相比较，东方第三代超超临界1000 MW汽轮机机组在进汽方式、阀门布置、叶片选择、配汽方式等方面均进行了优化设计，主要结构设计特点包括：

（1）高中压模块均采用水平切向进汽，提高进汽流场分布的均匀性；

（2）取消阀门与汽缸之间的导汽管，高中压阀门均布置在汽缸两侧的运行平台上，阀门出口与外缸通过螺栓相连；

（3）高压主汽阀门与调节阀之间设置补汽阀，补汽阀出口与汽缸之间通过补汽管连接；

（4）高、中压通流中全部采用最新研制的东方第三代叶型型线；

（5）配汽方式由节流配汽更改为补汽阀配汽与节流配汽相结合的方式，提高额定工况下机组效率；

（6）低压内缸采用整体斜置式结构，确保低压模块的经济性。

东方第三代超超临界1000 MW机组主要机型数据表如表2所示。

表2　东方第三代超超临界1000M W汽轮机主要机型数据表

3　设计特点

3.1　热力系统

东方第三代超超临界1000 MW汽轮机回热系统设有9级非调整抽汽，分别供给3台高压加热器，1台除氧器，5台低压加热器。新机组在整个热力系统设计时进行了优化，选择合适的分缸压力以及焓降比，保证机组的经济性，热力系统图如图2所示。

图2　热力系统图

新机组在三抽处设置外置式蒸汽冷却器，以尽可能地利用再热后抽汽的过热度，减小换热温差产生的换热损失，提高最终给水温度，同时提高工质在锅炉中的平均吸热温度。

机组正常运行时，给水泵小汽轮机的汽源全部来自中压缸排汽，而小汽轮机的排汽进入凝汽器中。

3.2　通流设计

经过不断的探索研究，东方成功研发出了第三代叶型型线，这种型线最先被应用于东方300 MW、600 MW改造机组上并获得了巨大成功。东方第三代超超临界1000 MW机组高中压通流将全面采用最新叶型型线，以保证机组的经济性。

东方第三代静叶叶型采用高度后加载叶型，该叶型前缘部分区域的吸力面和压力面之间的压差较小，大部分载荷出现在斜切段区域，使得汽流主要在叶型后部加速，减少横向二次流。同时采用比较薄的静叶出汽边，以减少尾迹损失与激振力。

东方第三代动叶叶型采用最新开发的动叶型线，与前两代叶型型线相比，新叶型的截面强度特性得到了显著提高，同时减少动叶出口分离损失、尾迹损失以及二次流损失。如图3所示，在不同的速比下新叶型的轮周效率得到了明显提高。东方第三代叶型实物如图4所示。

图3　东方第三代叶型轮周效率与速比关系曲线

图4　东方第三代叶型实物图

3.3　高压模块

高压通流(见图5)采用东方最新的第三代动静叶叶型型线，等根径设计，单流布置，共设14个冲动式压力级。取消调节级，采用全周进汽与补汽阀调节方式，补汽位置位于高压第5级通流后。

图5　高压通流图

高压2个主蒸汽进汽口分别位于靠近2#轴承侧的上、下半汽缸两侧，采用水平切向布置方式；2个补汽口分别位于高压第5级后的汽缸顶部、底部位置，沿水平中分面对称布置；2个排汽口位于靠近1#轴承侧的汽缸尾部，沿竖直中分面对称布置。

高压共设置两段回热抽汽，第1段抽汽口布置在高压第11级后的汽缸上，第2段抽汽布置在再热冷段管道上。

高压模块采用传统的双层汽缸结构，高压外缸采用下猫爪支撑方式，减小中分面螺栓受力情况，保证工作状态时汽缸热变形对称以及自由膨胀。高压内外缸之间设置一圈隔热板，内缸外表面设置一层隔热罩，以减小高压内缸内外壁温差。高压内缸采用成熟的圆筒形汽缸结构，依靠红套环与高压进汽口附近的中分面螺栓来保证高压内缸中分面的气密性。根据大功率圆筒形内缸强度分析方法[4]，对带补汽结构的高压内缸进行有限元分析。计算结果表明，机组在启动、停机以及稳定运行时，高压内缸、红套环以及中分面螺栓强度满足设计要求，经过一个大修周期后，汽缸中分面接触强度依然能够保持良好的气密性，稳态下高压内缸Mises应力分布如图6所示。

图6　稳态下高压内缸Mises应力

高压模块采用东方成熟的整体发货方案，包括支架在内的整体高压模块重量约220 t。高压模块整体发货方案可保证整个高压模块装配质量要求，减少现场安装工作量与安装难度，确保现场的施工进度。

3.4　中压模块

中压通流亦采用东方最新的第三代动静叶叶型型线，双流布置，每个流向设置8个冲动式压力级。中压共设置2个进汽口，分别位于上、下半汽缸两侧，采用水平切向进汽方式；2个排汽口分别位于中压上半缸两端。

为了最佳的气动性能，对中压进汽流场进行了CFD分析，计算中采用SST湍流模型、高阶差分离散格式，进口边界调节设为总压与总温，出口边界条件设为流量。中压进汽流场三维流线以及流场出口压力分布如图7所示，分析结果表明，采用收缩流道方式，出口压力分布逐渐均匀，压力损失能降低至0.2%以内，气动性能明显改善。

图7　中压进汽室流场分析

中压模块采用传统的内外双层缸结构，中压外缸前后两端沿进汽竖直中分面对称布置，采用下猫爪支撑方式。中压内部采用中压内缸与2个隔板套布置方式，中压内缸上设置三级隔板，内缸外表面充满中压三级后蒸汽；两侧的隔板套上设置五级隔板，两个隔板套结构完全相同，沿进汽竖直中分面对称布置。

中压模块共布置三段回热抽汽，分别位于中压第三级、第六级以及第八级后。其中第三级、第八级后抽汽口布置在中压外缸上，将内外缸之间的蒸汽引走；而第六级后采用直接抽汽方式，在中压外缸与隔板套之间设置抽汽管，抽汽管一端把在外缸上，另外一端与隔板套通过密封环密封，将蒸汽从隔板套的抽汽腔室直接引入中压外缸的抽汽管中，中压第六级后抽气管结构如图8所示。

图8　中压第6级后抽汽管结构示意图

3.5　低压模块

低压模块分为A、B 2个低压缸，均为双分流结构，汽缸内电机侧、汽机侧的动静叶均对称布置。两个低压外缸结构基本一致，低压内缸结构不同。低压模块采用非对称抽汽结构，其中A低压缸第一级、第三级后设置抽汽口，分别通往6#、8#低压加热器；B低压缸第二级、第四级后设置抽汽口，分别通往7#、9#低压加热器。

低压汽缸采用两层缸结构，分别为低压外缸与低压内缸。低压外缸采用钢板焊接结构，为了增加扩压段轴向长度而将排汽蜗壳设计成长方形结构。低压外缸下半四周的支撑台板放在基架上，以承受整个低压模块的重量。为了方便运输，低压外缸沿轴向从进汽中心线处平均分成两段，分块运输至现场整体组装，垂直法兰处采用螺栓连接并现场密封焊接。

低压内缸采用整体斜置式结构，将低压进汽室与内缸缸体整体设计，消除配合处的蒸汽泄漏；内缸上的持环采用锥体结构，整体铸造后与内缸缸壁焊接在一起。低压内缸三维模型及强度分布如图9所示，计算结果表明新低压内缸整体刚性增强，中分面气密性满足设计要求。低压内缸下半水平中分面四角上各设置一个猫爪并搭在外缸上，水平法兰中部设置侧健作为内外缸相对死点。内缸两端装有经过优化的导流环，与外缸组成扩压段以减少低压排汽损失。

图9　低压内缸强度三维模型及强度分析

新机组末级叶片采用东方独立研发并有运行业绩的1200 mm低压末级叶片（见图10），采用具有较大阻尼的自带围带结构型式，通过在额定转速下叶顶的扭转恢复实现了叶片与叶片之间的制约机制，形成整圈联接结构，增加了机械阻尼，大大降低了动应力；通过全三维计算结果分析表明，末级动静叶流道内气流均匀加速，无流动分离，尾迹较薄，沿叶高具有良好的攻角特性，气动特性优良，各项指标完全达到国际先进水平，保证了机组效率。

图10　东方1200 mm末级叶片实物图

3.6　高中压阀门

3.6.1高压阀门

东方第三代超超临界1000 MW机组高压阀门包括高压主汽阀、高压调节阀以及高压补汽阀，补汽阀位于主汽阀与调节阀之间，各个阀门单独铸造后再焊接在一起。整个机组包括两组高压阀门，分别位于汽缸两侧的运行平台上。为了便于安装及检修，在基础上相应位置进行开槽，高压阀门布置情况如图11所示。高压调节阀出口与高压外缸通过螺栓连接，调节阀阀座直接伸入高压内缸中，阀座端部与高压内缸之间采用密封环密封结构。

高压主汽阀、调节阀以及补汽阀均有独立的油动机、操纵座等机构并将其把在阀壳端部，并能够根据不同的指令信号以实现其不同功能。高压主汽阀、调节阀采用卧式阀门结构；从汽机侧向电机侧看，左侧高压补汽阀采用竖直布置方式，右侧高压补汽阀采用倒装结构，补汽阀出口与高压外缸之间采用补汽管连接。

针对卧式阀门与补汽阀相结合的全新结构，东方第三代高压阀门全新设计，阀壳腔室采用球形结构，采用传统经验公式与有限元相结合的方法对阀壳强度进行校核，降低阀壳热应力，同时保证阀门安全性。为了提高阀门结构的稳定性，减少流动损失，阀门型线全新设计。此外，东方与某高校合作对新阀门进行性能试验，以准确掌握该阀门相关性能参数，同时通过试验验证该阀门结构的稳定性，阀门试验实物图如图12所示。

图11　高压阀门布置图　

图12　高压阀门试验实物图

为了支撑阀门重量，在主汽阀进口处、调节阀阀壳腔室处各设置一个支点，另外将阀门与外缸螺栓连接处作为一个点，共3点以实现阀门稳定支撑。根据高压阀门荷载大、天地方向位移小的特点，高压阀门采用碟簧浮动支撑结构，确保在各个状态下阀门能安全稳定运行。

3.6.2中压阀门

中压阀门包括两组中压联合汽阀，分别位于汽缸两侧的基础上，阀门出口与中压进汽法兰通过螺栓连接。中压联合汽阀采用东方成熟的阀门型线，阀壳内部中压主汽阀与调节阀共用一个阀座，但是各自有独立的液压操作装置以实现其不同的功能，正常运行时两阀门均处于全开状态。

中压阀门设置两个支撑点，均位于阀门出口的反方向，沿出汽中心线对称布置。阀门支架采用碟簧结构，以维持阀门处于平衡状态。为了确保左右两侧阀门支架结构主体上一致，同时降低支杆长度，提高支架结构的稳定性，右侧阀门支架与基础之间设支撑钢架结构，左侧阀门支架直接焊接在经过开槽后的基础预埋件上，中压阀门布置情况如图13所示。

图13　中压阀门三维布置图

3.7　配汽方式

传统的超超临界1000 MW机组采用节流配汽时，由于汽轮机的主蒸汽压力与主蒸汽流量成正比，即机组仅在最大流量工况下主蒸汽压力才能达到设计值。因此，从热力循环系统以及发挥机组设备潜力的角度来讲，部分负荷时全周进汽的滑压运行方式并没有完全利用蒸汽压力的能力。此外，为了使机组具有调频能力，全周进汽又必须采用节流方式，这给主蒸汽带来一定的压力损失，影响机组运行的经济性。

为了解决上述的问题，东方第三代超超临界1000 MW机组采用全周进汽与补汽阀调节相结合的方式，一方面可以使得滑压运行机组在额定负荷下，主蒸汽压力达到额定值，提高机组效率，另一方面利用补汽阀进行调节，使得机组不必通过高压调节阀的节流就具备调频功能，避免调节阀的节流损失，减少锅炉的压力波动。

根据补汽阀调节的特点，一般情况下当机组最大负荷与额定负荷相差较大时才采用该技术。当机组负荷超过额定负荷时，通过开启补汽阀来增加机组进汽量，此时经过补汽阀的蒸汽通过节流作用旁路了高压补汽点前的通流级，导致高压缸效率下降，机组经济性有所降低。而机组负荷在额定负荷以及部分负荷时，机组采用滑压运行方式，补汽阀关闭而调节阀全部打开，与节流配汽相比高压缸效率以及机组循环效率提高，经济性好。

3.8　汽封配置

东方新三代超超临界1000 MW机组采用的汽封圈主要包括DAS汽封、防旋汽封以及接触式汽封，各种汽封结构示意图如图14所示。DAS汽封是东方具有自主知识产权的的汽封圈，将常规汽封圈中两列长尖齿更改为宽齿作为DAS齿，同时保证DAS齿与转子之间间隙略小于尖齿与转子之间间隙，从而使该汽封圈达到既对转子磨损小又不容易被转子磨损的效果，保证密封性，主要应用于中低压叶顶汽封以及隔板汽封。

图14　三种汽封结构示意图

防旋汽封是DAS汽封进汽侧增加一圈均匀分布的防旋齿，该齿与进汽方向成一定夹角并且与汽轮机旋转方向相反，降低激振力。

接触式汽封是在DAS汽封中部位置处设置一圈接触齿，接触齿采用非金属多元复合材料，具有耐高温、耐磨、长期运行不变形、不卡涩等特点，始终保持与转子近似于接触状态而稳定运行，中低压轴封均采用该汽封结构。

3.9　气密式油挡

气密封式油挡（见图15）采用汽轮机轴封系统密封原理，在两段油挡中间开设有通气孔，通过管路往油挡本体内引入干燥的压缩空气，经过油挡后压缩空气分别流入轴承箱和外部，使油挡轴向位置中部形成正压区，这样不仅可以达到油挡密封效果，同时还可以阻止轴封漏汽和灰尘杂质进入，避免了油中进水和油中带杂质等情况出现。东方第三代超超临界1000 MW汽轮机采用该油挡结构，保证机组安全运行。

图15　气密封式油挡结构示意图

3.1　0 滑销系统

东方第三代超超临界1000 MW汽轮机采用东方成熟的四缸四排汽机组滑销系统见图16，整个机组共设置三个绝对死点，分别位于中压低压轴承箱下以及A、B低压进汽中心线附近，绝对死点处设置横向键以限制汽缸的横向移动。机组的推力盘位于高、中压缸之间的轴承箱内，以减少机组高中压通流的轴向相对间隙。高压缸与前轴承箱、高中压轴承箱之间，以及中压缸与高中压轴承箱、中低压轴承箱之间，均设有四个猫爪，前轴承箱、高中压轴承箱与基架之间均设有自润滑滑块，能够减少轴承箱滑动摩擦力，使得机组在运行工况下轴承箱可沿轴向自由滑动，防止卡涩。此外，在机组的前轴承箱、高中压间轴承箱以及A、B低压汽缸的纵向中心线设有纵向键，能够引导汽缸沿轴向自由膨胀而防止横向跑偏。

图16　滑销系统图

3.1　1 轴系设计

本机组轴系由汽轮机部分的高压转子、中压转子、A低压转子、B低压转子以及电机部分的电机转子共五根转子组成：

（1）采用东方成熟可靠的并经过实际验证的设计方法和设计准则；

（2）轴承选用稳定性好的可倾瓦轴承与椭圆轴承，相关参数见表3；

（3）采用双支撑结构，转子跨度小，刚性高，工作转速完全避开临界转速；

（4）轴承工作比压小，安全可靠。

表3　轴承基本参数

4　结论

东方第三代超超临界1000 MW汽轮机继承了成熟的高温材料体系、末级叶片、滑销系统、轴系等，选用了东方第三代叶型型线及高压阀门型线，同时采用高压卧式阀门布置方式、高中压水平切向进汽模式、气密式汽封油挡、低压整体斜置内缸结构等新结构，并且对热力系统、配汽方式等方面进行了优化，确保了新机组能够安全、稳定、高效地运行。

[1]张徐东.低碳背景下电力系统规划与运营模式及决策方法研究[D].北京:华北电力大学,2013.

[2]王为民,潘家成,方宇,等.东方1000 MW超超临界汽轮机设计特点及运行业绩[J].东方电气评论,2009,23(1):1-11.

[3]刘雄,袁永强,黄果,等.东方新超超临界1000 MW汽轮机本体结构及设计特点[J].东方汽轮机,2015,(2):7-12.

[4]刘东旗,黄果,张晓东,等.大功率汽轮机筒形内缸的强度和汽密性分析[J].东方电气评论,2015,29(2):24-28.