大型单轴1 350 MW 机组的设计研究

2022-06-28邵罡北

山西电力 2022年3期

邵罡北，沈春

（1.华润电力（宁武）有限公司，山西忻州 003670；2.内蒙古京能电力检修有限公司，内蒙古呼和浩特 010000）

0 引言

汽轮机及其联合发电机组以其热效率高、造价低、环境性能好、占地少、运行调整灵活等优点得到了快速发展[1]，尤其是随着科学技术的不断发展和国家对火电汽轮发电机组的环保及经济性的要求不断提高，超临界等级的汽轮发电机组已成为我国发电市场的主力军，进一步提高了热能的利用效率。国内汽轮机制造商近年来立足自主研发、自主设计、自主制造，逐步实现了关键技术的超越，自主研制了国内首台1 000 MW 等级直接空冷机组（华电灵武）、国内最大的1 100 MW 空冷机组（农六师）、世界首台620 ℃等级1 000 MW 间冷机组（榆能横山）、620 ℃等级高效一次再热1 000 MW 机组（重庆万州）、世界首台620 ℃等级二次再热机组（江西安源）等代表世界一流水平的机组，并已成功投运，积累了丰富的新技术攻关经验和工程运行经验，形成了完整科学的研发体系，提升了汽轮机技术发展的科研能力。在此基础上，我们提出了对大型单轴1 350 MW 机组的设计与应用研究思路。

1 汽轮机总体技术方案

1.1 汽轮机拟定技术参数

1 350 MW 超超临界汽轮机参数为：超超临界、二次中间再热、单轴、五缸四排汽、直接空冷式汽轮机，N1350-35/615/630/620 型号，额定功率1 350 MW，主蒸汽压力35 MPa，主蒸汽温度615 ℃，一/二次再热温度630/620 ℃，背压9.5 kPa，末级叶片长度1 030 mm，最大蒸发量3 925 t/h，转速3 000 r/min，回热系统是5 个高压加热器+1 个除氧器+6 个低压加热器，全周进汽+补汽阀配汽方式，逆时针（汽机向电机看）旋转方向，轴系长度44 m。

1.2 热力系统配置

机组热力系统配置回热式驱动小汽机，给水泵由回热式小汽轮机驱动，高加抽汽除超高排外，其余由回热式驱动小汽机提供；设置功率平衡发电机，实现功率平衡；采用12 级回热系统，设5 个高压加热器（以下简称“高加”）、1 个除氧器和6 个低压加热器（以下简称“低加”）[2]；10 号低加疏水段设疏水泵；汽封系统采用自密封系统。

1.3 汽机总体方案

汽轮机进汽参数35 MPa/615 ℃/630 ℃/620 ℃，采用两次中间再热、单轴、五缸四排汽形式，机组依次由1 个单流超高压缸、1 个单流高压缸、1 个双分流中压缸和2 个双分流低压缸组成，各汽缸串联、单轴双支撑布置，所有轴承支撑在基础上。阀门就近布置于机组两侧，全部切向进汽。

总体设计思想来源于传统多缸汽轮机的设计方法，采用成熟可靠的多死点滑销系统。3 个绝对死点分别位于A 低压缸、B 低压缸汽机侧支撑臂、中低轴承箱底部横向定位键与纵向导向键的交点处；汽轮机相对死点——推力轴承布置在超高压缸与高压缸之间的轴承箱上。

机组采用超高压—高压—中压3 缸联合启动的方式，该启动方式已在国内首台二次再热机组华能安源上得到成熟应用，并采用三级串联旁路系统。

1.3.1 阀门

采用无调节级设计方案，超高压、高压、中压采用2 只主汽阀带2 只调节汽阀的设置，高压、中压为联合汽阀，超高压、高压、中压主汽调节阀均布置于汽缸两侧运行平台上方，可简化汽缸下部管系布置，并且超高调节阀、高压、中压联合汽阀均与汽缸直接连接[3]，无导汽管，压损小；汽缸进汽腔室采用变截面设计，并通过有限元气动优化，整个进汽流道光顺且压损小。

1.3.2 超高压模块

机组超高压模块布置于机头侧，主汽调节阀布置于机组两侧，带有补汽阀，通过上下管道进行补汽，通流采用单流程方案，由电机侧向机头侧流动。超高压模块采用双层缸结构，内缸为有大量运行业绩的红套环筒形缸，水平切向进汽。超高压外缸优化为筒形缸结构。随着现代汽轮机技术的不断发展，参数不断提高，对汽轮机汽缸安全可靠性要求越来越高，设计难度越来越大。如何通过简单有效的措施保证机组安全可靠性，并延长机组大修周期成为研究的重点。

超高压汽缸设计通常采用双层汽缸[4]，目前经典设计主要有4 种（具体情况如表1 所示），在技术上均成熟可靠。

表1 不同结构形式的汽缸对比

在此类高参数机组中采用方案4，超高压内缸采用筒形红套环结构，外缸采用前后半整体筒形汽缸把接结构，将承压能力强的两种经典结构完美结合，保证了机组安全可靠性高，满足用户长大修周期的需求。可以预期将来700 ℃等级主汽压力进一步发展到40 MPa 甚至以上，此结构依然是最安全可靠的选择。目前正在执行的中兴蓬莱和大唐郓城项目正是采用上述方案，相关设计、工艺研究已经完成，其中的筒形内缸结构已在华能安源（31 MPa）、神华万州（28 MPa）、榆能横山（28 MPa）等多个项目上得到大量应用。

1.3.3 高压模块

机组高压缸采用单流双层缸结构，水平切向进汽，结构简单，安装维护方便。整个模块与超超临界660 MW 分缸机组中压模块类似，有多台机组的运行业绩。高压模块采用小焓降多级次单流设计方案，有效提高了机组通流叶片相对叶高，比采用双流结构效率更佳。

1.3.4 中压模块

机组中压缸采用双分流对称布置结构。整个模块结构采用常规1 000 MW 中压缸结构，但其相比常规中压缸具有进汽温度高（630 ℃）、压力低（3 MPa）的特点。针对温度高的特点，中压缸延续了传统双层缸结构，采用梯度式温度分区结构，使其具有合理的温度场，同时内缸采用耐高温铸钢。由于压力低，因此中压容积流量大于常规1 000 MW 机组，同时由于机组容量增加，中压通流面积增大，中压内、外缸尺寸略大于常规1 000 MW 中压汽缸。

1.3.5 低压模块

国内制造商在大型低压缸设计方面一直处于世界先进水平，先后设计了空冷863 mm 低压缸、空冷1 030 mm 低压缸、湿冷1 200 mm 低压缸、湿冷1 450 mm 低压缸、核电CAP1400 等大尺寸低压缸。根据机组设计排汽压力，拟采用四排汽空冷1 030 mm低压模块。

2 630 ℃等级汽轮机高温材料研究

科研机构和生产厂家在高参数汽轮机高温部件用材和涂层方面一直系统、持续地开展研发和应用工作，以长寿命高温材料国家重点实验室为平台，联合国内外知名院校和世界一流的大型铸锻件企业共同开展研发工作。通过材料软件计算机辅助开发、规模性试料取样试验、模拟件试制及全尺寸性能分析等方法，目前已形成了用于不同零件、不同工况下的系列高温耐热钢性能数据库，保证了从亚临界到高参数超超临界汽轮机高温部件设计选材的需求。

2.1 630 ℃等级汽轮机使用的高温材料及涂层

对于630 ℃等级超超临界汽轮机高温铸件用材料，目前世界范围内仍然推荐采用CB2 耐热钢，考虑到CB2 耐热钢的抗高温氧化性能，目前的研究重点放在了抗高温氧化涂层方面。针对630 ℃汽轮机抗蒸汽氧化涂层技术开展了大量的研究工作，目前已经形成了多种不同工艺以及针对不同零件表面形状需求的工艺技术。结果表明，涂覆抗蒸汽氧化涂层具有成本低、实施效果好等优势，能够实现工程化推广应用。

2.2 630 ℃高温材料的工艺研究

a）已完成630 ℃等级的N-FB2（自主开发）高中压转子轴径堆焊工艺开发及性能评价。优化并制定了有效的焊接工艺规程，规避了此类高W 材料的焊接开裂问题，并完成了堆焊接头常规性能（包括疲劳裂纹扩展速率）评价，充分具备了轴径堆焊制造技术条件。

b）针对锅炉管道用G115 材料（汽轮机涉及进汽管与阀门的焊接，即G115+CB2），制造商一方面参与并完成G115 大管焊接显微缺陷控制工艺攻关应用，顺利确保了新型G115 管道在630 ℃项目焊接工程应用的可行性；另一方面，完成了G115+CB2的异种焊接及热处理工艺定型，完成焊接接头常规力学性能、高温强度、高温持久（累计试验已超过20 000 h）性能、常温/高温低周疲劳性能和630 ℃高温长时时效性能（累计已超过15 000 h）等评价工作，均满足设计要求，充分具备阀门接管的焊接制造技术条件，且其焊接接头的长时寿命评估验证工作仍在进行，为该焊接接头的安全运行提供了完整的保障。

3 具有自主知识产权的高效通流技术

目前，建立了以“理论优化—厂内试验验证—改造机组中工业验证—新机组应用”为特点的研制体系，完全自主地研发了第三代、第四代通流技术，不断提高机组的通流效率水平，为不断推动机组经济性提升奠定了扎实基础。2018 年以来，采用第三代通流技术的超超临界660 MW、1 000 MW 机组以及采用第四代通流技术改造机组的热耗率均达到合同要求，高中压缸效率明显提高，表明第三代、第四代通流技术已经趋于成熟，相关技术指标达到国内外领先水平。

3.1 已投运超超临界机组经济性情况

近3 年来自主设计的超超临界机组投运热耗率100%达到合同要求，这充分说明了汽轮机设计、制造技术已达到国内领先水平[5]。采用了第三代通流技术的已投运大功率汽轮机高压缸效率突破90%，中压缸效率稳定达到93.3%～94.5%，达到了国内领先水平。

3.2 新一代通流技术

基于第三代通流技术，进一步开发研究第四代通流高效流型，通过对叶片的积叠和弯曲、扭转等三维造型的设计和优化，进一步控制叶片端部的二次流损失[6-8]。同时采用成熟的三维计算流体力学CFD（computational fluid dynamic）软件平台，综合考虑通流中诸如叶片流道、汽封流道、叶片根顶部倒圆角、抽口、补汽结构，以及前后端部汽封结构，进行流场和效率的评估，并进行必要的局部优化设计。图1、图2 显示了CFD 分析及厂内多级透平试验测量的能量损失沿相对叶高的变化。通过图1、图2 可知：CFD 分析表明静叶应用高效混合加载复合流型规律后通流效率收益明显；从试验测得的静叶能量损失系数沿叶高的分布对比可以看出，端部能量损失得到了有效降低。根据CFD 分析及厂内试验，第四代通流技术较第三代通流技术效率提高了0~0.5%。

图1 静叶损失沿相对叶高的变化——基于CFD 分析

图2 能量损失系数沿相对叶高变化试验

目前第四代通流技术已广泛应用在300 MW、700 MW、1 000 MW 等级机组改造中，考虑到改造机组受阀门布置在机头侧、进汽压损大、中排压力高、中压缸焓降短等限制条件，第四代通流技术应用在新机上较改造机组有0～1%效率的提升。

4 大容量机组经济性优势

机组容量的提升意味着主蒸汽进汽量的提高，1 350 MW 容量汽轮机组进汽量较同参数下的1 000 MW 汽轮机组进汽量增大0～35%，相应汽轮机通流部分叶片高度提高，可显著降低汽轮机通流内部损失，提高机组效率。

汽轮机中通流部分的损失主要来源于型损、二次流损失、漏汽损失以及其他方面的损失。对于典型的超高压缸内的通流而言，其主要损失构成以及占比如图3 所示。可以看出，型损、二次流损失和漏汽损失这三方面占据了大部分的损失来源。

图3 总效率损失百分比分布图

4.1 型损

针对型损，通过先进的叶型技术和流型匹配技术，可以有效地减小叶型动、静叶损失，具有良好的气动性能及变攻角性能，并已经过多级空气透平厂内试验验证及实际投运验证。对于1 350 MW 容量机组，利用先进的叶型技术和流型匹配技术，可有效减少型损。

4.2 二次流损失

二次流损失以及端部的摩擦损失，在总损失中占有较大的比重，因此控制二次流损失是提升通流效率的关键。二次流的形成是因为通道沿横向存在压力梯度，位于端壁边界层内的流体由于动能较小，无法平衡横向压差，导致边界层内的流体从叶片内弧面流向背弧面。降低二次流损失最有效的方法是提高相对叶高L/b（L为绝对叶高，b为弦长）水平。对于1 350 MW 容量汽轮机组，由于其进汽量明显增大，绝对叶高大大提高，使叶片背弧的根部、顶部区域的二次流影响范围都大大减小，显著降低了二次流损失在总损失中占的比例。另外，总效率随着相对叶高的增加而升高。