超超临界二次再热空冷汽轮机的总体设计

唐丽丽，王娟

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

1 前言

二次再热燃煤火电机组近年来在国内发展迅速。2015年，由东方汽轮机有限公司 （以下称东汽）自主研发的二次再热机组已成功投运，国内还有多台二次再热机组招标在建。这些二次再热机组均为湿冷汽轮机，投运地区均在中东部。

由于空冷机组节水、环保的优点，在我国西部 （尤其是西北），空冷机组被广泛应用。但是由于二次再热的特殊性和空冷机组的高背压特性，导致二次再热技术和空冷技术的结合，不是简单的融合，需要深层的分析和研究，以保证机组的安全性和高效性。

2 超超临界1000 MW空冷二次再热机组的设计特点

我国的空冷机组起步虽晚，但发展迅速。东汽从200 MW空冷机组发展至今，产品范围涵盖了300 MW、600 MW和1000 MW机组，产品种类包括了所有等级的汽轮机机组。从东汽近期的空冷机组业绩表 （见表1）中可以看出，空冷机组在向大容量、高参数方向不断发展，在立足节水的同时不断要求高效。

表1 东汽近期空冷机组业绩表

空冷机组对环境温度的影响反应比较敏感，背压变化范围比较大而且频繁，对低压末级叶片、低压缸和轴系影响较大。东汽在这些方面积累了大量宝贵的经验，对空冷机组进行针对性设计。

3 超超临界1000 MW空冷二次再热机组的总体方案

超超临界1000 MW空冷二次再热机组在外形上基本同超超临界1000 MW二次再热湿冷机组（见图1）。与湿冷机组的相同点：

·机组型式：超超临界、两次中间再热、单轴、五缸四排汽、凝汽式汽轮机

·额定功率：1000 MW

·最大出力：1100 MW

·汽轮机额定转速：3000 r/min

·旋转方向 （从汽机向发电机看）：逆时针

· 汽封系统及运行方式：采用自密封系统（SSR）

· 运行方式：定－滑或定－滑－定

·配汽方式：节流配汽

· 汽轮机外型尺寸基本不变，约：43 m×10 m×8 m （长×宽×高）

主要不同点有：

·末级叶片长度：863 mm/770 mm

· 额定排汽压力： 9～18 kPa

·回热级数：4级高压加热器+1除氧器+5级（或4级）低压加热器除氧器采用滑压运行

·低压模块

图1 东汽1000 MW二次再热机组的示意图

4 热力系统设计特点

空冷机组高背压的特点使机组的总焓降段减少，影响低压模块的设计。通常，空冷低压级数比同等级湿冷机组的低压级数少一级，回热级数通常较湿冷机组少一级。因为次末级后不宜设置抽口，否则会引起加热器疏水不畅。另外，如果进汽参数采用同湿冷机组一样 （如31 MPa/600℃/620℃/620℃），由于二次再热压力、温度和排汽背压的综合影响，机组排汽湿度降低，约3% （背压11 kPa）。为避免末级叶片长期处于威尔逊区，可以采用降低再热温度的方式来提高排汽湿度。如图2所示的热力过程线，某一次再热空冷机组（再热温度620℃）的排汽湿度在8%；而二次再热机组的再热温度降低到600℃后，排汽湿度接近5%。

图2 空冷机组热力过程线

所以，降低再热温度可以有效提高排汽湿度。但是这将牺牲一部分经济性。对于理论计算的结果而言，提高主蒸汽温度亦可提高排汽湿度。经评估，对于再热温度为620℃的二次再热机组，主蒸汽压力要提高到50 MPa以上，其排汽湿度才与一次再热机组相当，而这将提升锅炉、汽机的设计难度和增加成本。

5 本体结构设计特点

东汽1000 MW二次再热空冷机组的总体方案是在东汽1000 MW一次再热超超临界机组的基础上增加一个超高压模块。机组为单轴、五缸四排汽。百万二次再热空冷机组含一个单流超高压缸、一个单流高压缸、一个双流中压缸和两个双流低压缸。纵剖面图如图3所示。

图3 东汽1000 MW二次再热空冷机组纵剖面图

5.1 超高压模块

超高压模块设计同东汽1000 MW二次再热湿冷机组超高压模块设计方案，主要特点如下：

·进汽口为两个，采用切向进汽；

·单流程设计，提高相对叶高；

·双层缸结构，内外缸均采用筒形缸设计。

5.2 高压模块

高压模块设计同东汽1000 MW二次再热湿冷机组高压模块设计方案，主要特点如下：

·进汽口为两个，采用切向进汽；

·单流程设计，提高相对叶高；

·采用双层缸结构，高压内缸采用筒形缸结构，高压外缸的设计为常规设计；

·高温材料的铸件和锻件采用相应等级高温材料，这些材料已经在国内投运的超超临界机组上进行了成功应用。

5.3 中压模块

中压模块设计同东汽1000 MW二次再热湿冷机组中压模块设计方案，主要特点如下：

·进汽口为两个，采用水平切向进汽；

·双流程设计；

·中压模块采用双层缸结构；

· 高温材料的铸件和锻件采用相应等级材料，这些材料已经在国内投运的超超临界机组上进行了成功应用。

5.4 低压模块

5.4.1 空冷机组末端设计的特殊性

如前文所述，空冷机组的设计难点在低压模块。空冷汽轮机机组的末端设计主要考虑：

·设计工况时，排汽的威尔逊区由湿冷机组的次末级推迟到末级；变工况或背压变动时，威尔逊区重新转移或消失。

·低负荷高背压工况时，排汽出现过热，排汽缸温度高、末级动叶片动应力增大，应力腐蚀的可能性增加。

· 高负荷低背压工况时，会出现阻塞工况（对于额定背压在10 kPa的机组，tmcr流量下阻塞背压在5.5 kPa左右），此时，末级动静叶片弯应力最大。

5.4.2 低压缸设计的对应措施

以上几点的特性影响到低压模块的安全性，对空冷低压缸，为保证安全性，其设计不同于一般的湿冷机组，主要包括有末级叶片、低压轴承支撑、低压缸结构型式和排汽管的连接方式等。

·采用特制末级叶片

空冷末级叶片较湿冷末级叶片粗壮，具有更高的强度。不仅包括叶片型线，还从叶根型式、围带与拉筋、叶片材料等方面采用针对性设计，来保证末级叶片的刚度、强度、弯应力等来适应大范围的高背压特性。针对1000 MW空冷机组，东汽有770 mm和863 mm两种末叶，用户可根据地理环境、冷却方式等进行优选，选择最佳末叶。

·低压轴承支撑方式

低压采用落地轴承，不仅可以保证低压转子的刚性，而且保证转子的轴承标高不随汽缸膨胀而变化。降低低压缸振动的风险。

·低压缸

为防止低压缸变形，东汽空冷机组低压缸采用三层缸或两层缸。为了避免排汽管的力传递到汽缸上，空冷机组的低压缸与排汽管连接一般采用柔性连接。由于背压变化频繁而且幅度较大，低压排汽缸和转子的工作环境不断变化，为防止低压轴封与转子发生碰摩，低压端汽封体与汽缸采用弹性连接。

·排汽末端保护系统

（1）空冷机组排汽缸的喷水装置，对机组的安全性特别重要。在机组低负荷、高背压工况运行时，低压排汽温度升高，会导致机组振动，影响机组的安全性。此工况比常规湿冷机组更容易出现。当排汽温度超过限定值时，控制系统会打开喷水控制阀，并自动调节喷水量。

（2）由于空冷机组的特点，考虑到末级叶片的安全性，必须设置保护系统。图4是某空冷叶片的背压保护曲线。报警背压可保护末级叶片动应力安全；不同进汽流量下，机组的阻塞背压是不同的，正常运行时要保证在此曲线以上的区域和报警背压以下的区域。另外，为保证空冷系统安全还应设置防冻最低背压，汽机运行应在该线之上。

图4 某空冷末级叶片背压保护曲线

东汽在大量的空冷机组设计中，积累了宝贵的经验。适用于1000 MW二次再热空冷机组的两种低压模块，东汽均有运行业绩。能保证低压模块的安全高效性。

6 其他

东汽1000 MW二次再热空冷机组的通流设计理念和方法、滑销系统、轴系、旁路设置、汽水系统和油系统等均与湿冷机组相同，在此不再赘述。

7 结论

1000 MW空冷二次再热机组总体设计方案是可行的，但由于受到末级湿度的限制，二次再热空冷机组的再热温度略低于湿冷机组，经济性收益略低于湿冷二次再热机组。东汽1000 MW超超临界二次再热空冷机组在东汽1000 MW超超临界二次再热湿冷机组和东汽1000 MW超超临界一次再热空冷机组的基础上进行组合设计；本体结构成熟可靠。1000 MW等级机组，东汽有成熟的低压模块可以满足不同的空冷方式。

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